[0002] 本
申请要求2017年3月30日提交的申请号为102017000035341的意大利
专利申请的优先权，其公开内容通过引用结合于此。
技术领域
[0003] 本
发明涉及一种用于航空器的发动机的进气单元，航空器即是一种由人类制造的机器，其可以位于空中并在空中移动，以能够在地球大气中运输人或物体。
[0004] 本发明发现在
直升机中的有利应用，在下面的描述中将对此进行明确的引用，但不会因为该引用而失去普遍性。
背景技术
[0005] 现代直升机通常设有至少一个
涡轮发动机，该涡轮发动机操作一系列
叶片，这些叶片允许直升机能够在垂直方向上升降，在飞行中保持静止，向侧面、向前和向后移动。涡轮发动机在前部具有进气口，涡轮发动机通过该进气口吸入操作所需的外部空气(即，包含燃烧所需的
氧气的外部空气)。
[0006] 一般而言，进气口可以包括具有相对较大的网眼(在一厘米或两厘米范围内)的金属网格，其起到防止
鸟飞入进气口的功能。在进气口和涡轮发动机之间很少设置有空气
过滤器，该
空气过滤器具有过滤吸入的空气的功能，以阻止小尺寸的杂质(灰尘等)，长期来看，这些杂质会导致涡轮发动机过早磨损。通常避免使用空气过滤器，因为空气过滤器会导致负载损失，这会对涡轮发动机的性能产生显著的负面影响，并且已证明仅在地面附近才有用；事实上，杂质由于重
力趋于向下移动，并且因此，它们仅在接近地面的空气中存在，而在某些高度(即距地面超过50-70米)处，空气完全不含杂质。因此，只有当直升机必须在多灰尘的区域中(例如在沙漠区域中)运行(尤其是
起飞或着陆)时才安装空气过滤器。
[0007] 但是，已经证明，没有过滤器已经证明通常会形成发动机的较高维护成本，这是由于在起飞和着陆期间(即当直升机靠近地面时)
燃烧室中异物的存在造成了更大的磨损。事实上，即使当直升机在直升机场(带有
沥青表面等)中起飞和着陆时，由叶片旋转产生的气流不可避免地绕着杂质(基本上是灰尘和小碎屑)上升并散开，这些杂质始终存在于外部环境中。
[0008] 专利申请US2013092798A1描述了一种用于直升机的空气过滤器，该空气过滤器具有圆柱形形状，并且在前面设置有前部，该前部是尖拱顶形的并且能够在关闭
位置(在该关闭位置中，它阻止空气流过具有环形形状的旁路进气口)和打开位置(在该打开位置，允许空气流过旁路进气口)之间轴向移动。换句话说，当前部被布置在前部位置时，空气可流过旁路进气口，从而避免流过过滤材料。
[0009] 专利US3483676A1描述了另一种用于直升机的空气过滤器，其具有截头(truncated)圆锥形状，并且在前部设有旁路进气口，该旁路进气口由电动
致动器所控制的可移动
门调节；当门打开时，空气可以流过旁路进气口，从而避免流过过滤材料。
发明内容
[0010] 本发明的目的是提供一种用于航空器发动机的进气单元，其允许航空器即使在具有多灰尘的区域中也能够安全地运行，而同时不会导致性能的降低。
[0011] 根据本发明，提供了根据所附
权利要求所述的用于发动机航空器的进气单元。
[0012] 所附权利要求描述了本发明的优选
实施例，并构成了描述的组成部分。
附图说明
[0013] 现在将参考附图描述本发明，附图示出了本发明的非限制性实施例，其中：
[0014] 图1、图2和图3是根据本发明的直升机的示意图，即分别是侧视图、正视图和俯视图，该直升机设有一对双涡轮发动机，该双涡轮发动机设有相应的进气单元；
[0015] 图4是图1的进气单元的纵截面示意图，其中闸门(shutter)装置处于关闭位置；
[0016] 图5是图4的进气单元的纵截面示意图，其中闸门装置处于打开位置；
[0017] 图6是图4的进气单元的另一替代实施例的纵截面示意图，其中闸门装置处于关闭位置；
[0018] 图7是图6的进气单元的纵截面示意图，其中闸门装置处于打开位置；
[0019] 图8和9是图6的进气单元的两个示意性正视图，其中闸门装置分别处于关闭位置和打开位置；
[0020] 图10是图6的进气单元的闸门装置的元件的示意性立体图；
[0021] 图11、图12和图13是图1的进气单元的替代实施例的纵截面的三个示意图；
[0022] 图14是图1的进气单元的不同实施例的纵截面示意图，其中闸门装置处于关闭位置；和
[0023] 图15、图16和图17是图14的进气单元的三个纵截面示意图，其中，闸门装置处于打开位置并且根据三种相应的变型。
具体实施方式
[0024] 在图1、2和3中，数字1总体上表示一架直升机，该直升机包括两个双涡轮发动机2，该两个双涡轮发动机操作一系列叶片，该一系列叶片允许直升机使其自身在竖直方向上升降，在飞行时保持静止，向一侧、向前和向后移动。
[0025] 每个涡轮发动机2包括管状壳体，该管状壳体在前部具有进气开口(涡轮发动机2通过该进气开口吸入操作所需的外部空气，即，包含燃烧所需的氧气的外部空气)，并且在后部具有排气开口(涡轮发动机2通过该排气开口排出燃烧产生的废气)。在每个涡轮发动机2的进气开口的区域中存在进气单元3，涡轮发动机2吸入的空气流过该进气单元3。
[0026] 根据图4和图5，进气单元3包括管状壳体4，该管状壳体4具有纵向对称轴线5并且设有外壁6，该外壁6界定了由管状壳体4围成的空间。
[0027] 进气单元3包括进入开口7，该进入开口7穿过管状壳体4的外壁6，并且涡轮发动机2操作所需的外部空气可通过该进入开口7被吸入；换句话说，涡轮发动机2操作所需的外部空气可以流过该进入开口7而进入管状壳体4，并且一旦进入管状壳体4内，它就可以到达涡轮发动机2。在图4所示的实施例中，进气单元3包括一个单一的进入开口7，但是根据本文未示出但优选等同的其他实施例，进气单元3包括布置在彼此旁边的不同进入开口7。
[0028] 进气单元3包括空气过滤器8，该空气过滤器8由管状壳体4
支撑并完全接合进入开口7，以便在进入管状壳体4中的同时过滤流过进入开口7的外部空气；换句话说，空气过滤器8复制进入开口7的形状，从而无间隙地接合进入开口7，从而在进入管状壳体4的同时过滤流过进入开口7的所有空气。在附图所示的实施例中，空气过滤器8具有管状形状(其中，过滤材料布置在
侧壁的区域中)。优选地，空气过滤器8包括圆柱形或截头圆锥形的支撑
框架(由
铝、塑性材料或
复合材料制成)，该支撑框架固定到管状壳体4的外壁6并支撑过滤材料制成的不同的弯曲板(例如，由织物或
棉质非织造织物或其他
纤维制成，被围在两层薄金属网之间，该两层薄金属网赋予过滤材料以形状和阻力)。
[0029] 应当指出的是，空气过滤器8的过滤材料允许空气既在轴向上又在径向上的通道(流动、交会、进入)，这意味着空气可以既沿轴向(即平行于纵向对称轴线5)流动又沿径向(即垂直于纵向对称轴线5)流动而穿过过滤材料。
[0030] 进气单元3包括一对进入开口9，每个进入开口9都穿过管状壳体4的外壁6，并且与进入开口7和空气过滤器8完全分开并独立于进入开口7和空气过滤器8。涡轮发动机2操作所需的外部空气通过进入开口9可以被吸入；换句话说，涡轮发动机2操作所需的外部空气可以流过进入开口9而进入管状壳体4，并且一旦进入管状壳体4内，它就可以到达涡轮发动机2。在图4所示的实施例中，进气单元3包括两个进入开口9，但是，根据本文未示出但等同的其他实施例，进气单元3包括一个单一的进入开口9或在布置在彼此旁边的两个以上的进入开口9。
[0031] 如上所述，空气过滤器8具有管状形状，在该管状形状中，过滤材料布置在侧壁的区域中，并且在前部和后部具有相应的自由开口(free openings)：前部开口允许来自两个进入开口9的空气的通过，而后部开口则允许吸入的空气朝向涡轮发动机2流动。
[0032] 进气单元3包括布置在管状壳体4内部的闸门装置10，闸门装置10联接至每个进入开口9，并且可在关闭位置(如图4所示)和关闭位置(如图5所示)之间移动，在该关闭位置中,闸门装置10关闭进入开口9(以阻止空气通过进入开口9流入)，在该关闭位置中，闸门装置10将通过进入开口9的通道设置为畅通(以允许空气流过进入开口9)。
[0033] 最后，进气单元3包括致动器11(例如，
电动机或
气动或
液压缸)，该致动器11使闸门装置10在关闭位置和打开位置之间移动。
[0034] 当闸门装置10处于关闭位置(如图4所示)中时，外部空气仅通过流经进入开口7因此穿过空气过滤器8而进入管状壳体4(并因此到达涡轮发动机2)。另一方面，当闸门装置10处于打开位置(如图5所示)时，外部空气可以通过流经进入开口7并因此穿过空气过滤器8以及通过流经进入开口9并因此不流经空气过滤器8(因为进入开口9不设有过滤材料，它们不具有对空气通道的任何障碍)这两种方式而进入管状壳体4(并因此到达涡轮发动机2)。显然，当闸门装置10处于打开位置(如图5所示)时，几乎进入管状壳体4以到达涡轮发动机2的所有空气都流经进入开口9，而不流经空气过滤器8接合的进入开口7，因为流经进入开口
9导致较小的负载损失。
[0035] 当闸门装置10处于关闭位置(如图4所示)时，吸入的空气必定流经进入开口7且流经空气过滤器8；因此，空气中可能存在的杂质会被空气过滤器8阻挡，但另一方面，通过空气过滤器8的通道在吸入的空气中确定损害涡轮发动机的性能的负载损失。当闸门装置10处于打开位置(如图5所示)时，相反地，吸入的空气主要流经进入开口9，并且空气中可能存在的杂质没有被空气过滤器8阻挡；因此，在吸入的空气中没有负载损失，但是另一方面，空气中可能存在的杂质不会被空气过滤器8阻挡。
[0036] 根据图4和图5，提供了
电子控制单元12，该电子控制单元12控制进气单元3的操作，并且此外控制致动器11，以使致动器11使闸门装置10在关闭位置(如图4所示)和打开位置(如图5所示)之间移动。特别地，当直升机1靠近地面时(在起飞或着陆期间或当其在停在低空处时)，吸入的空气(很可能)含有杂质，并且因此，闸门装置10通过电子控制单元12移动到关闭位置并被保持在关闭位置，以过滤吸入的空气；另一方面，当直升机1在高空飞行时(即远离地面，例如在几十米的高度上)，吸入的空气不太可能含有杂质，并且因此，闸门装置10通过电子控制单元12移动到打开位置并被保持在打开位置中，从而避免(无效地)危害涡轮发动机2的性能。
[0037] 此外，电子控制单元12连接至压力
传感器13，该
压力传感器13在管状壳体4中布置在空气过滤器8的过滤材料的下游，并测量吸入的空气在其已经流过空气过滤器8之后的压力；当由压力传感器13测量的吸入的空气的压力低于
阈值时，无论直升机距离地面的接近度如何，闸门装置10都通过电子控制单元12移动到打开位置并被保持在打开位置(如图5所示)中。换句话说，由压力传感器13测量的吸入的空气的压力表示空气过滤器8的堵塞，因为空气过滤器8越堵塞，由压力传感器13测量的吸入的空气的压力就越低；因此，当空气过滤器8太堵塞时，即当由压力传感器13测量的吸入的空气的压力低于阈值时，闸门装置10通过电子控制单元12被移动到打开位置并被保持在打开位置(如图5所示)，以避免过度损害涡轮发动机2的性能。
[0038] 在附图所示的实施例中，管状壳体4具有前部14和后部15，前部14是尖顶拱形的，并且通过该前部14获得进入开口9，后部15具有截头圆锥的形状，并且通过该后部15获得进入开口7；因此，在附图所示的实施例中，进入开口9布置在前部位置，并且因此在进入开口7的前面，进入开口7布置在后部位置。根据本文未示出的其他实施例，进入开口7布置在前部位置，并且因此在进入开口9的前面，进入开口9布置在后部位置。应当指出的是，当直升机1向前移动时，在给定同一表面的情况下，前部位置允许开口截获(假定同一表面)更多的空气，并且因此，布置在前部位置的进入开口9会比布置在后部位置的进入开口7更多地利用这一点。
[0039] 前部14的尖拱顶形状表示锥形表面，该锥形表面被设计成提供最小的
流体动力学阻力(即，优异的
空气动力学穿透)；一般而言，前部14的尖拱顶形状具有轴向对称性，并且是通过与圆柱形部分的
母线相切的圆弧或者另一条日晷线(sundial line)绕纵向轴线5旋转而获得的；它实现了为抛射体本身提供锥形形状的目的。根据一个可能的实施例，前部14的尖拱顶形状还可能不具有绕纵向轴线5的完美对称性，这意味着它可以稍微变平；换句话说，前部14的尖拱顶形状也可能
变形，并且因此没有绕纵向轴线5的完美的对称性。
[0040] 总之，管状壳体4总体上具有圆锥形的形状，该圆锥形的形状具有平行于直升机1的飞行方向的纵向对称轴线5；具有圆锥形的形状的管状壳体4包括前部14和后部15，前部14呈尖拱顶形，并且通过前部14获得进入开口9，后部15具有截头圆锥的形状，通过后部15获得被空气过滤器8接合的进入开口7。假定相同的外部尺寸，空气过滤器8的截头圆锥的形状增加了过滤表面，并得到过滤表面法向于运动方向的投影；因此，所述过滤表面可以从直升机1的速度中恢复压力(即，它可以受益于所谓的“RAM”效应，该效应利用直升机1的向前移动产生的动态压力来增加静态进气压力)。在系统处于过滤配置的情况下，前部14的尖拱顶形状使得进气单元3的
空气动力学阻力减小；此外，在尖拱顶形的前部14中形成的进入开口9允许从直升机1的速度中恢复压力(因此利用所谓的“RAM”效应，“RAM”效应利用直升机1的向前移动产生的动态压力增加静态进气压力)。
[0041] 应当指出的是，由于空气过滤器8的过滤材料允许空气沿轴向和径向这两者的通过，空气过滤器8可以从直升机1的速度中恢复更大的压力(即可以更好地受益于所谓的“RAM”效应，该效应利用直升机1的向前移动产生的动态压力来增加静态进气压力)。
[0042] 在附图所示的实施例中，管状壳体4的后部15具有截头圆锥形状；因此，进入开口7和接合进入开口7的空气过滤器8也具有截头圆锥的形状(具有在前面的较小基部和在后面的较大基部)。根据本文未示出的不同实施例，管状壳体4的后部15具有圆柱形的形状；因此，进入开口7和接合进入开口7的空气过滤器8也具有圆柱形的形状。
[0043] 闸门装置10包括针对每个进入开口9的对应的隔件16，其可在打开位置(如图4所示)和关闭位置(如图5所示)之间移动。特别地，每个隔件16铰接成绕旋
转轴线17在打开位置和关闭位置之间旋转。
[0044] 在图4和图5所示的实施例中，两个隔件16彼此分开(即，它们由相应的元件组成，这些相应的元件具有它们自己的移动构件)并且绕相应的
旋转轴线17旋转，该旋转轴线17彼此平行并且横向于管状壳体4的纵向对称轴线5。基本上，在图4和5所示的实施例中，每个隔件16是面板，其复制相应的进入开口9的形状或者略大于进入开口9本身。
[0045] 在图6-10所示的实施例中，两个隔件16形成单个管状主体(在图10中单独示出)，其具有尖拱顶形状(即，形状像管状壳体4的前部14一样)，其与管状主体4的外壁6
接触地布置在管状壳体4的前部14的内部。在该实施例中，两个隔件16的旋转轴线17与管状壳体4的纵向轴线5共轴。此外，在该实施例中，每个隔件16包括通孔18，该通孔18在关闭位置(如图6和图8所示)远离相应的进入开口9，而在打开位置(图7和图8所示)与相应的进入开口9重叠。
[0046] 根据一个可能的(尽管不是约束性的)实施例，在每个进气开口9的区域中可以布置有金属网格，该金属网格具有相对较大的网眼(在一或两厘米的范围内)，其实现防止鸟飞入空气进口的功能。
[0047] 在图11、12和13所示的替代实施例中，进气单元3包括具有圆柱形形状的外部管状主体19，其至少部分地围绕管状壳体4：在图11所示的实施例中，外部主体19完全包围管状壳体4(即，整个管状壳体4被容纳在外部主体19中)，而在图12和13所示的实施例中，外部主体19仅部分地包围管状壳体4(即仅管状壳体4的一部分被容纳在外部主体19中)。特别地，外部主体19至少容纳管状壳体4的后部15，以使得空气过滤器8(即，进入开口7)被容纳在外部主体19中。外部主体19的功能是增加空气过滤器8附近的动态压力，以提高空气过滤器8的效率(即，为了增加流过空气过滤器8的空气流率)。外部主体19可以具有等于空气过滤器8的最大外直径的内直径(如图11和12中可见)，或者其可以具有大于空气过滤器8的最大外直径的内直径(如图13中可见)。显然，外部主体19的存在既可以与图4和图5所示的隔件16的构造相结合又可以与图6-10所示的隔件16的构造相结合。
[0048] 在图4至图13所示的实施例中，与进入开口9接合的隔件16朝向管状壳体4的内部打开，这意味着在打开位置，隔件16完全位于管状壳体4的内部。在图14至图17所示的替代实施例中，与进入开口9接合的隔件16朝向管状壳体4的外部打开，这意味着在打开位置，隔件16完全在管状壳体4的外部。朝向管状壳体4的外部打开隔件16减少了进入管状壳体4的空气要克服的障碍，因为隔件16(其完全在管状壳体4的外部)不会以任何方式干扰管状壳体4内部的空气流。此外，使隔件16朝向管状壳体4的外部打开，增加了进入进入开口9的空气量，因为隔件16(其完全在管状壳体4的外面)像朝向进入开口9引导空气的偏转器一样起作用。
[0049] 根据一个优选的实施例，在管状壳体4的内部布置有偏转器主体20，该偏转器主体20将从进入开口9进入的空气朝向发动机2的进气口偏转；换句话说，从进入开口9进入的空气的移动方向倾向于具有显著的径向分量，并且偏转器主体20的功能是使从进入开口9进入的空气的移动方向仅具有轴向分量，因此使紊流(其减小从进入开口9进入的空气流率)的产生最小化。在管状壳体4的内部插入有锥形的偏转器主体20(例如，具有逆椭圆形状(reverse elliptical shape)，如在附图中可以看到的)，该偏转器主体20将空气流从进入开口9引导到发动机2的进气口，以限制紊流(减小到零)，尤其是由“静态”空气(即，位于不受气流直接影响的区域中的空气)的可能部分所产生的那些紊流。
[0050] 根据一个优选实施例，偏转器主体20(其以最通用的形式，类似于圆锥形)还用于容纳致动器11，该致动器11使闸门装置10的隔件16在关闭位置和打开位置之间移动。此外，偏转器主体20还可以用于容纳监测空气过滤器8的状态所需的传感器(例如，压力传感器13，其在空气过滤器8的过滤材料下游布置在管状壳体4中并且被设计用于测量吸入空气在其流过空气过滤器8之后的压力)。
[0051] 隔件16从关闭位置(如图14所示)到打开位置(如图15、16和17所示)的移动，反之亦然(即隔件16的打开和关闭)，可以通过旋转-平移运动(如图15所示)、通过仅旋转运动(如图16所示)或通过仅平移运动(如图17所示)而发生。一般而言，旋转-平移运动(如图15所示)是优选的，因为它允许使用双
曲率隔件16，该双曲率隔件16很难使用简单的
铰链正确工作(或者使用简单的平移会更糟)；就这一点而言，应该指出的是，双曲率对于优化管状壳体4的整体空气动力学行为是重要的。
[0052] 在旋转-平移运动(如图15所示)或仅旋转运动(如图16所示)的情况下，每个隔件16绕旋转轴线17在打开位置和关闭位置之间旋转，该旋转轴线17横向于管状壳体4的纵向对称轴线5并且布置在隔件16的后端的区域中。显然，每个旋转轴线17可以是固定的(仅旋转运动，如图16所示)或者可移动的(旋转-平移移动，如图15所示)。
[0053]
计算流体动力学分析表明，尤其是在高飞行速度的情况下，在存在朝向管状壳体4的内部打开的隔件16的情况下，空气流可能难以进入到进入开口9中，因为空气流受到由位于打开位置中的隔件16(即由缩回到管状壳体4内部的隔板16)在管状壳体4内部产生的紊流的负面影响。此外，由于朝向管状壳体4的外部的移动，隔件16成为偏转器，其朝向进入开口9引导空气。
[0054] 由于朝向管状壳体4的外部打开的隔板16和偏转器主体20的存在，可能的是，既在过滤状态下(即，隔件16处于关闭位置并且吸入空气流过空气过滤器8接合的进入开口7)因为管状壳体4的外部空气动力学优化而获得高性能，又在(以更有利的方式)在自由进气条件下(即，隔件16处于打开位置，并且吸入的空气尽可能流过进入开口9)获得高性能，由此减少了消耗并提高了发动机2的性能。
[0055] 在附图中仅以示例的方式示出的实施例涉及涡轮发动机2，但是本发明可以发现在任何其他类型的航空器发动机中的有利的应用。
[0056] 应该指出的是，上述进气单元3可以联接到直升机1的主发动机或联接到辅助动力单元(APU)的辅助发动机上；换句话说，上述进气单元3可用于需要从外部抽吸新鲜空气以用于直升机1的发动机的操作的任何情况中。
[0057] 在附图中仅以示例的方式示出的实施例涉及直升机1，但是本发明可以找到在任何类型的航空器上的有利应用，因此也发现在飞机上的有利应用。
[0058] 本文描述的实施例可以彼此组合，而不会因为此原因超出本发明的保护范围。
[0059] 上述进气单元3具有许多优点。
[0060] 首先，由于空气过滤器8的存在，上述进气单元3允许航空器1能够在具有许多灰尘的区域中(因此，在靠近地面的空气富含由自然
风和由航空器1的移动产生的气流这两者所引起的杂质的区域中)安全地运行，空气过滤器8在需要时被操作(通过将闸门装置10移动到关闭位置)，从而
预防性地过滤涡轮发动机2吸入的空气。
[0061] 此外，上述进气单元3几乎可以在整个飞行中操作，而不会损害其性能，这是因为，当航空器1飞高(即离地面相对较远)时，空气过滤器8被绕过(通过将闸门装置10移动到打开位置)。
[0062] 应该指出的是，由于空气过滤器8的截头圆锥的形状，通过空气过滤器8(即通过进入开口7)吸入的空气可以受益于动态效应(也称为“RAM”效应)，其可以利用直升机1的向前移动产生的动态压力来增加静态进气压力。以同样的方式，由于进入开口9的前部位置，通过进入开口9吸入的空气(显然，当闸门设备10处于打开位置时)也可以受益于动态效应(也称为“RAM”效应)，该动态效应允许利用直升机1的向前移动产生的动态压力来增加静态进气压力。以此方式，无论是当闸门装置10处于打开位置时还是当闸门装置10处于关闭位置时，进气单元3的进气效率始终是高的。
[0063] 此外，当闸门装置10处于关闭位置时，尖拱顶形的前部14既使进气单元3的空气动力学阻力最小化，又使空气过滤器8的区域中的
涡流的产生减少(涡旋气流大幅降低了动态效应—“RAM”效应—该动态效应利用直升机1的向前运动产生的动态压力增加了静态进气压力)。
[0064] 总之，上述进气单元3针
对流过进入开口7(即，通过空气过滤器8)的空气和流过进入开口9(即绕过空气过滤器8)的空气这两者都使得动态效应(“RAM”效应)得到了优化，从而在两种情况下同时使空气动力学阻力最小化。
[0065] 最后，上述的进气单元3容易且廉价地制造，因为能够以简单的方式并且利用市场上可获得的部件来获得闸门装置10的移动。
[0066] 附图标记列表
[0067] 1 直升机
[0068] 2 发动机
[0069] 3 进气单元
[0071] 5 纵向轴线
[0072] 6 外壁
[0073] 7 进入开口
[0074] 8 空气过滤器
[0075] 9 进入开口
[0076] 10 闸门装置
[0077] 11 致动器
[0078] 12 电子控制单元
[0079] 13 压力传感器
[0080] 14 前部
[0081] 15 后部
[0082] 16 隔件
[0083] 17 旋转轴线
[0084] 18 通孔
[0085] 19 外部主体
[0086] 20 偏转器主体
