Пьезоэлектрическая противообледенительная система воздухозаборника
Изобретение относится к средствам борьбы с обледенением элементов конструкции летательных аппаратов. Гондола летательного аппарата содержит узел входной кромки (1) воздухозаборника турбореактивного двигателя, имеющий внутреннюю поверхность (9), наружную поверхность (11) и средства устранения обледенения, включающие в себя противообледенительное покрытие (13), нанесенное на часть наружной поверхности (11). Связующая матрица указанного противообледенительного покрытия (13) содержит в себе, по меньшей мере, один пьезоэлектрический активный элемент. Пьезоэлектрические исполнительные устройства содержат, по меньшей мере, один пьезоэлектрический активный элемент (21), находящийся в контакте с внутренней поверхностью, и устройство подачи (23) электроэнергии. Пьезоэлектрический активный элемент (21) содержит цилиндр и вибратор. В качестве материала противообледенительного покрытия (13) выбраны полиуретановые или фторполиуретановые краски, смолы, или пластмассы, содержащие тефлон. Толщина (е) противообледенительного покрытия (13) составляет от 20 до 100 мкм. Достигается защита от обледенения входной кромки воздухозаборника мотогондолы и повреждения турбореактивного двигателя. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.
Настоящее изобретение относится, в частности, к узлу входной кромки воздухозаборника гондолы турбореактивного двигателя.
Самолет приводится в движение одной или несколькими силовыми установками, каждая из которых содержит турбореактивный двигатель, установленный в трубчатой гондоле. Каждая силовая установка крепится к самолету посредством пилона, расположенного обычно под крылом или на фюзеляже.
В конструкции гондолы, как правило, имеются воздухозаборник, расположенный выше по потоку от турбореактивного двигателя, средняя часть, предназначенная для охвата вентилятора турбореактивного двигателя, и расположенная внизу по потоку задняя часть, в которой размещены устройства реверса тяги, и которая предназначена для охвата камеры сгорания турбореактивного двигателя, при этом гондола обычно оканчивается реактивным соплом, выпускное отверстие которого находится ниже по потоку от турбореактивного двигателя.
Воздухозаборник содержит, с одной стороны, входную кромку, выполненную для оптимального направления воздуха к турбореактивному двигателю для обеспечения работы вентилятора и внутренних компрессоров, а с другой стороны, расположенную внизу по потоку конструкцию, к которой присоединена входная кромка, и которая служит каналом, подающим воздух к лопастям вентилятора. Узел установлен перед кожухом вентилятора, относящимся к верхней по потоку части гондолы.
Во время полета, в зависимости от условий температуры и влажности, на наружной поверхности входной кромки воздухозаборника может образовываться лед. Наличие льда или инея изменяет аэродинамические характеристики воздухозаборника и мешает поступлению воздуха к вентилятору.
Одним из решений для устранения обледенения или заиндевения наружной поверхности является предотвращение образования льда на этой поверхности.
Так, практикуется выпускание горячего воздуха из компрессора турбореактивного двигателя и подача его на входную кромку воздухозаборника для обогрева стенок. Однако такое устройство предполагает наличие системы труб для переноса горячего воздуха между турбореактивным двигателем и воздухозаборником, а также системы удаления горячего воздуха с входной кромки воздухозаборника. Это приводит к нежелательному увеличению массы силовой установки.
В патенте № EP 1495963 предлагается разместить на внешней стенке входной кромки воздухозаборника резистивный нагревательный элемент. Эта технология предполагает нанесение поверх противообледенительного нагревательного элемента дополнительной противоэрозионной защиты.
Такое решение отличается рядом недостатков. Во-первых, средство противоэрозионной защиты ухудшает условия проведения обязательной финишной обработки поверхности наружной стенки входной кромки. К тому же, в результате только частичного нанесения покрытия на входную кромку воздухозаборника, появится неоднородность, негативно влияющая на аэродинамические обводы воздухозаборника. Наконец, наличие подобной системы увеличивает суммарную толщину входной кромки, что может отрицательно сказаться на эффективности гашения звука, связанную с толщиной входной кромки.
Также известна конструкция входной кромки воздухозаборника гондолы турбореактивного двигателя, содержащая наружную и внутреннюю обшивки, между которыми размещен электрический нагревательный элемент.
Недостаток такой конструкции состоит в том, что для предотвращения образования на ней льда, на электрический нагревательный элемент требуется постоянная подача электроэнергии.
Задачей настоящего изобретения является создание узла входной кромки воздухозаборника гондолы турбореактивного двигателя, обеспечивающего эффективную защиту от обледенения и заиндевения, не подвергая при этом турбореактивный двигатель опасности повреждения, не увеличивая массу гондолы, не ухудшая аэродинамические обводы и эффективность гашения звука, причем указанный узел не требует постоянной подачи электроэнергии.
Для решения этой задачи предлагается устройство по первому аспекту настоящего изобретения, относящееся к узлу входной кромки воздухозаборника гондолы турбореактивного двигателя, имеющему внутреннюю поверхность, внешнюю поверхность и средства защиты от обледенения, и отличающемуся тем, что эти средства защиты от обледенения содержат по меньшей мере на части наружной поверхности противообледенительное покрытие.
Под наружной поверхностью здесь понимается поверхность, подверженная образованию на ней атмосферного льда.
Под внутренней поверхностью здесь понимается поверхность, подверженная образованию на ней атмосферного льда.
Противообледенительное покрытие, называемое иногда ледофобным покрытием, позволяет предотвращать образование слоя льда или облегчать удаление уже образовавшегося слоя льда.
Таким образом, противообледенительное покрытие позволяет добиться того, что максимальная толщина слоя льда, нарастающего на наружной поверхности, не превышает 2 мм.
В то же время, противообледенительное покрытие имеет плохое сцепление со льдом, а это означает, что для разрушения образовавшегося ледяного слоя требуется меньше энергии, чем это обычно необходимо для разрушения льда, образующегося непосредственно на наружной поверхности. Следовательно, для удаления слоя атмосферного льда будет достаточно действия воздушного потока, образованного самолетом, или воздействующего на самолет во время полета.
Применение предлагаемого узла входной кромки заметно снижает образование льда, при этом появляющийся время от времени тонкий ледяной слой легко удалить.
Кроме того, вследствие тонкости слоя атмосферного льда, лед отделяется от наружной поверхности в форме небольших частиц толщиной порядка 2 мм, не представляющих опасности для турбореактивного двигателя.
Предпочтительно, чтобы наличие на наружной поверхности противообледенительного покрытия не приводило к утяжелению узла входной кромки.
Преимуществом является то, что, поскольку противообледенительное покрытие согласуется с аэродинамическими обводами наружной поверхности заявляемого узла входной кромки, наличие этого покрытия не оказывает негативного влияния на аэродинамические обводы и эффективность гашения звука у заявляемого узла входной кромки.
Отметим то преимущество, что для устранения обледенения не требуется постоянной подачи электроэнергии.
Согласно другим особенностям изобретения, заявляемая конструкция также отличается следующими возможными признаками, используемыми по отдельности или в любом возможном сочетании:
средства устранения обледенения дополнительно содержат легковесные вибрационные устройства, способные вызывать вибрацию наружной поверхности, в частности, это могут быть пьезоэлектрические исполнительные устройства, позволяющие эффективно разрушать и удалять лед без существенного увеличения массы гондолы турбореактивного двигателя;
указанные пьезоэлектрические исполнительные устройства содержат, по меньшей мере, один пьезоэлектрический активный элемент и устройство подачи электроэнергии, что позволяет, причем без необходимости постоянной подачи электричества, разрушать наросший тонким слоем лед на подобные градинам частицы диаметром в несколько миллиметров, не представляющие опасности для турбореактивного двигателя;
противообледенительное покрытие также содержит один или несколько пьезоэлектрических активных элементов, что облегчает эксплуатацию заявляемого узла входной кромки;
по меньшей мере, один активный пьезоэлектрический элемент, в частности, содержащий цилиндр и диполь, находится в контакте с внутренней поверхностью, что позволяет точно настраивать вибрацию в зоне наружной поверхности;
чтобы обеспечить слабое сцепление покрытия со слоем атмосферного льда, для изготовления противообледенительного покрытия выбирают полиуретановые или фторполиуретановые краски, или смолы, например, полидиметилсилоксановые смолы, или пластмассы, содержащие тефлон;
толщина противообледенительного покрытия составляет от 20 до 100 мкм, что обеспечивает оптимальное соотношение между износостойкостью слоя противообледенительного покрытия, расположенного на наружной поверхности, весом, добавленным этим слоем, и себестоимостью;
по меньшей мере, часть узла входной кромки изготовлена из материала, содержащего композит или металл и наночастицы, способные придать поверхности узла входной кромки противообледенительные свойства, то есть способность предотвращать или существенного уменьшать образование слоя льда на этой поверхности.
Согласно второму аспекту, настоящее изобретение относится к гондоле турбореактивного двигателя, содержащей заявляемый узел входной кромки.
Далее изобретение раскрыто более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи. Приведенное описание не ограничивает области правовой охраны раскрываемого изобретения:
фиг.1 представляет собой схематичное изображение одного из вариантов заявляемого узла входной кромки;
фиг.2 представляет собой схематичное изображение другого варианта заявляемого узла входной кромки.
На фиг.1 показан заявляемый узел 1 входной кромки для гондолы турбореактивного двигателя (не показана).
Заявляемый узел 1 входной кромки содержит стенку 3, прикрепленную любыми известными средствами к стенкам 5 и 7 расположенной внизу по потоку конструкции гондолы турбореактивного двигателя. Расположенная внизу по потоку конструкция служит для того, чтобы должным образом подавать воздух к лопастям вентилятора (не показаны).
Стенка 3 имеет внутреннюю поверхность 9 и наружную поверхность 11.
Заявляемый узел 1 входной кромки содержит средство устранения обледенения, содержащее противообледенительное покрытие 13, по меньшей мере, на части наружной поверхности 11, например, на всей поверхности 11, как показано на фиг.1.
Толщина е противообледенительного покрытия 13 составляет, в частности, менее 500 мкм, предпочтительно от 20 до 100 мкм, в частности, от 40 до 80 мкм или даже от 50 до 70 мкм.
Толщина е противообледенительного покрытия 13 может быть постоянной по всей площади наружной поверхности 11.
Преимущество такой толщины в том, что она обеспечивает оптимальное соотношение между стойкостью покрытия 13 к разрушающему воздействию окружающей среды, увеличением веса, связанного с наличием покрытия, и стоимостью покрытия.
Как отмечено выше, во время полета самолета воздухозаборник иногда подвергается воздействию таких температур и влажностей, что на наружной поверхности 11 образуется слой 15 атмосферного льда.
Преимущество противообледенительного покрытия 13 состоит в том, что оно позволяет снизить силу сцепления между атмосферным льдом и наружной поверхностью 11, причем не требуется постоянная подача электричества.
В результате, когда на наружной поверхности 11 заявляемого узла входной кромки образуется атмосферный лед, он собирается на наружной поверхности 11 в виде тонкого слоя 15, максимальная толщина em которого не превышает 2 мм.
Преимущество заявляемого узла 1 входной кромки заключается в том, что он позволяет значительно снизить максимальную толщину em слоя 15 атмосферного льда, что облегчает разрушение слоя 15 и, соответственно, упрощает его удаление, вследствие чего во время полета не происходит увеличения массы воздухозаборника.
Более того, воздушный поток, образующийся во время эксплуатации самолета, будет достаточным для отделения слоя 15 атмосферного льда и удаления его в форме мелких частиц, равных по толщине слою 15 и не представляющих опасности для двигателя.
Согласно одному из вариантов настоящего изобретения, противообледенительное покрытие 13 включено в связующую матрицу, предназначенную для нанесения на наружную поверхность 11, образуя, таким образом, защитный слой.
Связующая матрица представляет собой, например, краску или смолу. В качестве примера можно привести эпоксидные материалы. Защитный слой может также содержать составы, отличные от противообледенительного покрытия 13, например, углерод, стекло или любой другой материал, способный повысить стойкость покрытия 13 к износу или удару.
Противообледенительное покрытие 13 подбирают так, чтобы предотвратить и/или уменьшить образование слоя атмосферного льда на подверженных обледенению конструкциях.
В качестве примера можно отметить, что противообледенительное покрытие 13 может быть изготовлено с применением красок, продающихся, например, под следующими торговыми марками: V-102e (виниловая смола, содержащая алюминиевый порошок, диизодецилфталат, метилизобутилкетон, толуол), V-103с (виниловая смола, содержащая газовую сажу, диизодецилфталат, метилизобутилкетон, толуол), V-766e (виниловая смола, содержащая диоксид титана и газовую сажу, диизодецилфталат, метилизобутилкетон, толуол, ортофосфорную кислоту), MIL-P-24441C (полиамидная эпоксидная смола), BMS 10-60 (полиуретановая смола), Envelon (смола на основе сополимера этилена и акриловой кислоты), Inerta160 (эпоксидный триметилгексаметилендиамин), InterluxBrightside (полиуретановая смола), Kiss-Cote (содержит силикон, в частности полиметилсилоксан), PSX-700 (содержит силоксан и эпоксидный полиуретан), SA-RIP-4004 (модифицированная насыщенная полиэфирная смола), Slip Plate #1 (смола, содержащая графит в смеси с минеральным спиртом), Troyguard (фторполимерная суспензия в смеси минерального спирта и акрил-уретана), Troyguard/BMS 10-60 (фторполимерная суспензия в смеси минерального спирта и полиуретана), Wearlon (содержит эпоксидный метилсилоксановый сополимер), WC-1-ICE (насыщенная фтором полиэфирная смола).
Предпочтительно, чтобы материал для покрытия 13 был выбран среди пластмасс, содержащих тефлон или фторполиуретановые смолы.
Предпочтительно, если нанесение противообледенительного слоя 13 приводит к особенно слабому сцеплению между слоем 15 льда и наружной поверхностью 11, и следовательно особенно эффективно позволяет снизить толщину слоя 15 льда и облегчить его удаление.
Согласно одному из предпочтительных вариантов изобретения, средства устранения обледенения также содержат легковесные вибрационные устройства, предпочтительно пьезоэлектрические исполнительные устройства, способные вызывать вибрацию наружной поверхности 11.
Возбуждение вибрации в заявляемом узле 1 входной кромки позволяет разрушить и удалить образовавшийся на наружной поверхности 11 слой 15 льда. В рамках настоящего изобретения, сила вибрации должна быть недостаточной для повреждения противообледенительного покрытия 13.
Таким образом, совместное использование противообледенительного покрытия 13 и вибрационных устройств позволяет добиться оптимальных условий для удаления атмосферного льда.
Кроме того, установка легковесных вибрационных устройств не приведет к значительному увеличению веса заявляемого узла 1 входной кромки.
Предпочтительно, чтобы возбуждение вибрации наружной поверхности 11 пьезоэлектрическими исполнительными устройствами приводило к разбиванию слоя 15 льда на мелкие, похожие на градины, частицы диаметром от 0,5 мм до 1 см, которые лишь с малой вероятностью могут нанести повреждения турбореактивному двигателю.
Таким образом, удаление льда при помощи комбинации противообледенительного покрытия 13 с пьезоэлектрическими исполнительными устройствами является менее опасным для турбореактивного двигателя по сравнению с известными противообледенительными системами.
Желательно, чтобы пьезоэлектрические исполнительные устройства содержали, по меньшей мере, один пьезоэлектрический активный элемент и устройство подачи электроэнергии.
По меньшей мере один пьезоэлектрический активный элемент, используемый в рамках настоящего изобретения, не обязательно работает постоянно, а применяется по мере необходимости.
Согласно одному из предпочтительных вариантов, показанных на фиг.1, противообледенительное покрытие 13 также содержит по меньшей мере один пьезоэлектрический активный элемент. Указанный по меньшей мере один пьезоэлектрический активный элемент может быть, в частности, равномерно распределен по всей связующей матрице противообледенительного покрытия 13.
По меньшей мере один пьезоэлектрический активный элемент может быть подключен к источнику электроэнергии (не показан) через контакт со стенкой 3.
В одном из предпочтительных вариантов по меньшей мере один пьезоэлектрический активный элемент внедрен в связующую матрицу противообледенительного покрытия 13. Наличие по меньшей мере одного пьезоэлектрического активного элемента в противообледенительном покрытии 13 упрощает реализацию настоящего изобретения.
Для примера можно назвать краски, содержащие цирконат-титанат свинца (ЦТС), гели, или композитную структуру входной кромки, придающую входной кромке пьезоэлектрические свойства.
В одном из вариантов осуществления, по меньшей мере часть заявляемого узла (1) входной кромки изготовлена из материала, содержащего композит или металл и наночастицы, способные придать поверхности узла входной кромки противообледенительные свойства, то есть способность предотвращать или существенного уменьшать образование слоя льда на этой поверхности.
Согласно другому варианту изобретения, показанному на фиг.2, по меньшей мере, один пьезоэлектрический активный элемент 21 находится в контакте с внутренней поверхностью 9 заявляемого узла входной кромки.
Количество пьезоэлектрических активных элементов, размещаемых в контакте, зависит от способности активного элемента вызывать вибрацию наружной поверхности 11.
Если в контакте с внутренней поверхностью 9 находятся несколько пьезоэлектрических активных элементов, в одном из вариантов осуществления они могут быть распределены равномерно.
Согласно другому варианту осуществления, показанному на фиг.2, в контакте с внутренней поверхностью 9 находится только один пьезоэлектрический активный элемент 21, что позволяет снизить нагрузку на внутреннюю поверхность 9.
Желательно, чтобы по меньшей мере один пьезоэлектрический активный элемент 21 содержал цилиндр и вибратор.
По меньшей мере один пьезоэлектрический активный элемент 21 независимо подключен к источнику электроэнергии (не показан) при помощи устройства подачи электроэнергии, например электрического кабеля 23.
Из двух этих примеров, не ограничивающих область правовой охраны раскрываемого изобретения, можно видеть, что вибрационные устройства не создают неоднородности аэродинамических обводов входной кромки воздухозаборника. В противном случае, такая неоднородность привела бы к ухудшению эффективности гашения звука и к увеличению потребления топлива.
1. Узел (1) входной кромки воздухозаборника гондолы турбореактивного двигателя, имеющий внутреннюю поверхность (9), наружную поверхность (11) и средства устранения обледенения, отличающийся тем, что средства устранения обледенения содержат противообледенительное покрытие (13), нанесенное на, по меньшей мере, часть наружной поверхности (11), причем связующая матрица противообледенительного покрытия (13) содержит, по меньшей мере, один пьезоэлектрический активный элемент.
2. Узел (1) по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлектрические исполнительные устройства содержат, по меньшей мере, один пьезоэлектрический активный элемент (21) и устройство (23) подачи электроэнергии.
3. Узел (1) по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один пьезоэлектрический активный элемент (21) находится в контакте с внутренней поверхностью (9).
4. Узел (1) по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что пьезоэлектрический активный элемент (21) содержит цилиндр и вибратор.
5. Узел (1) по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве материала противообледенительного покрытия (13) выбраны полиуретановые и фторполиуретановые краски, смолы, например, полидиметилсилоксановые смолы, или пластмассы, содержащие тефлон.
6. Узел (1) по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть узла изготовлена из материала, содержащего композит или металл и наночастицы, способные придать поверхности узла входной кромки противообледенительные свойства.
7. Узел (1) по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что толщина (е) противообледенительного покрытия (13) составляет от 20 до 100 мкм.
8. Гондола турбореактивного двигателя, содержащая узел (1) входной кромки по любому из пп.1-7.
