Проектування систем захисту повітрозабірників силових установок літаків від попадання сторонніх предметів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

"Харківський авіаційний інститут"

УДК 629.735.33.036

Спеціальність 05.07.02 - проектування, виробництво та випробування літальних апаратів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Проектування систем захисту повітрозабірників силових установок літаків від попадання сторонніх предметів

Смирнов Валерій Михайлович

Харків - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Гребеніков Олександр Григорович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", м. Харків, завідувач кафедри проектування літаків і вертольотів.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Гайдачук Віталій Євгенович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", м. Харків, завідувач кафедри проектування ракетно-космічних апаратів;

- кандидат технічних наук, доцент Неділько Олександр Миколайович, Національний університет оборони України, м. Київ, провідний науковий співробітник.

Захист відбудеться "27" січня 2011 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.04 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова 17.

Автореферат розісланий "24" грудня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.М. Застела.

Анотація

Смирнов В.М. Проектування систем захисту повітрозабірників силових установок літаків від попадання сторонніх предметів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.02 - проектування, виробництво та випробування літальних апаратів. - Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", Харків, 2010.

Дисертація присвячується вирішенню проблем проектування захисту повітрозабірників силових установок літаків від попадання сторонніх предметів на основі дослідження процесів взаємодії сторонніх предметів з обмежувальними поверхнями. Містить теоретичні та практичні результати, котрі включають реалізовані на літаках Ан-3 з двигуном ТВД-20, Ан-3-300 з двигуном МС-14, ЛЛ Ил-76 з двигуном Д18Т системи захисту повітрозабірників із допомогою розроблених і вдосконалених методів проектування й експериментального відпрацювання науково обґрунтованих процесів взаємодії сторонніх предметів з обмежувальною поверхнею.

Проведено аналіз систем захисту, що дозволяє за сукупними критеріями альтернативних варіантів вибрати систему захисту для реальної силової установки, що відповідає вимогам захищеності її повітрозабірника.

Запропоновано та реалізовано метод проектування системи захисту повітрозабірника на основі інерційно-відбійного уловлювання СП гофрованою сіткою, виявлених залежностей пружного косого співудару сторонніх предметів з гранями гофрованої сітки. Знайдено граничні параметри, що впливають на попадання сторонніх предметів у збірник СП.

Розроблено вдосконалений метод проектування систем інерційного захисту повітрозабірника від ПСП з аеродинамічною утилізацією. Науково обґрунтовано принципову можливість аеродинамічної утилізації сторонніх предметів без додаткового відбору потужності двигуна на систему видалення сторонніх предметів.

Отримав подальший розвиток метод проектування системи струминного захисту повітрозабірника, що включає вибір і обґрунтування струминного захисту для великорозмірного газотурбінного двигуна та порівняння розрахунково-теоретичних й експериментальних результатів, формування пристінної течії обмежених вісесиметричних струменів.

Упровадження розроблених методів проектування систем захисту повітрозабірників дозволяє підвищити захищеність повітрозабірників силових установок літаків від ПСП.

Ключові слова: захищеність повітрозабірника, попадання сторонніх предметів, система захисту, силова установка.

Аннотация

Смирнов В.М. Проектирование систем защиты воздухозаборников силовых установок самолетов от попадания посторонних предметов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.02 - проектирование, производство и испытания летательных аппаратов. - Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского "Харьковский авиационный институт", Харьков, 2010.

Диссертация посвящается решению проблем проектирования защиты воздухозаборников силовых установок самолетов от попадания посторонних предметов на основе исследования процессов взаимодействия посторонних предметов с ограничивающими поверхностями. Содержит теоретические и практические результаты, включающие реализованные на самолетах Ан-3 с двигателем ТВД-20, Ан-3-300 с двигателем МС-14 системы защиты воздухозаборников c помощью разработанного метода проектирования и экспериментальной отработки теоретически обоснованных процессов взаимодействия посторонних предметов с ограничивающей поверхностью.

Проведен анализ систем защиты, позволяющий по совокупным критериям альтернативных вариантов выбрать систему защиты для реальной силовой установки, отвечающей требованиям защищенности ее воздухозаборника. Выполнено обоснование и введение безразмерных коэффициентов, характеризующих компоновочные, эксплуатационные, стоимостные, газодинамические и другие параметры при установке защиты воздухозаборника. Обоснованы выбор статуса и размерности коэффициентов как расчетным путем, так и экспертной оценкой.

Разработан метод проектирования системы защиты воздухозаборника на основе расчетно-теоретического формирования характеристик защиты. Метод включает этапы: аналитический, расчетно-теоретический, формирования характеристик защиты и экспериментальный. Расчетно-теоретический этап метода включает исследование процессов взаимодействия ПП с ограничивающей поверхностью с учетом влияния потока вне и внутри канала воздухозаборника.

Метод проектирования системы защиты воздухозаборника разработан на основе отбойно-инерционного улавливания ПП полученных зависимостей упругого косого соударения посторонних предметов с гофрированной сеткой. Найдены граничные параметры, влияющие на попадание посторонних предметов в сборник ПП.

Выявлены зависимость вероятного предотвращения прохода ПП через сетку от углов установки сетки и углов соударения с ПП, зависимость падения скорости по времени после упругого косого соударения ПП с гранью гофрированной сетки в сносящем потоке.

Полученные зависимости позволили повысить защитные свойства гофрированной сетки в обеспечении защищенности воздухозаборника в диапазоне исследованных скоростей.

Усовершенствован метод проектирования систем инерционной защиты воздухозаборника с аэродинамической утилизацией посторонних предметов, который позволил систематизировать процессы взаимодействия ПП при формировании защиты воздухозаборника, обеспечить достижение потребных результатов по газодинамическим параметрам и характеристикам защищенности воздухозаборника на основе полученных результатов экспериментальных и расчетно-теоретических исследований.

Научно обоснована принципиальная возможность аэродинамической утилизации посторонних предметов без дополнительного отбора мощности двигателя на систему удаления посторонних предметов. Определена зависимость диаметра улавливаемых посторонних предметов от осевой скорости потока в криволинейном канале воздухозаборника и плотности посторонних предметов. Выявлено, что падение кинетической энергии частиц, попавших в ловитель, происходит более интенсивно при многократном соударении о стенки ловителя, чем при трении, а коэффициент восстановления скорости частицы является доминирующим параметром в снижении скорости частиц.

Определена зависимость эффективности аэродинамической утилизации ПП от отношения площадей в плоскости ловителя и трубке сброса ПП и перепада давления в них.

Разработана характеристика защиты воздухозаборника от ППП как система зависимостей улавливания и аэродинамической утилизации ПП.

Получил дальнейшее развитие метод проектирования системы струйной защиты воздухозаборника, включающей выбор и обоснование струйной защиты для большеразмерного газотурбинного двигателя и сопоставление расчетно-теоретических и экспериментальных результатов, формирование пристенного течения ограниченных осесимметричных струй.

Проведен анализ интенсивности вихреобразования у воздухозаборников силовых установок различных самолетов.

Показана область эффективного применения струйной защиты и выполнена сравнительная оценка расчетно-теоретических и экспериментальных результатов.

Определена газодинамическая и весовая целесообразность применения струйной защиты для двигателей с большой степенью двухконтурности.

Обоснована целесообразность применения системы защиты в виде двух осесимметричных струй, вытекающих на поверхность под воздухозаборником.

Оптимизировано относительное положение форсунок для параллельного истечения защитных турбулентных струй, исключающее рециркуляцию потока.

Определена зависимость скорости пристенного течения турбулентной струи при натекании на поверхность от параметров сечения основного участка струи.

Реализация предложенного метода проектирования системы защиты воздухозаборника для самолетов Ан-3 с двигателем ТВД-20 и Ан-3-300 с двигателем МС-14 позволила повысить защищенность и газодинамические параметры воздухозаборников.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке методов защиты воздухозаборников силовых установок самолетов Ан-124-100, Ан-148-100 и его модификаций для исключения ППП в воздухозаборники при наземных гонках двигателей.

Разработанные методы проектирования систем защиты могут быть использованы при проектировании систем защиты для воздухозаборников силовых установок самолетов, разрабатываемых и уже эксплуатируемых, а также в учебном процессе.

Внедрение разработанных методов проектирования систем защиты позволяет повысить защищенность воздухозаборников силовых установок самолетов от ППП.

Ключевые слова: защищенность воздухозаборника, попадание посторонних предметов, система защиты, силовая установка.

Abstract

V.M. Smirnov - Designing of Aircraft Power Plant Air Inlets Foreign Objects Ingestion Protection Systems. - Manuscript.

Thesis for Scientific Degree of Candidate of Technical Science in Specialty 05.07.02 - Aircraft Design, Manufacture, and Testing. - Zhukovskiy National Aerospace University "Kharkiv Aviation Institute", Kharkiv, 2010.

The thesis is dedicated to solution of problems of aircraft power plants air intakes protection from foreign objects ingestion on the basis of research of interaction processes between foreign objects and protective surfaces. The thesis contains theoretical and practical results including air intakes protection systems installed on Aн-3 aircraft with ТВД-20 engines, Aн-3-300 aircraft with МС-14 engine, ЛЛ Ил-76 aircraft with Д18T engine, which were implemented with help of developed and improved methods of designing and experimental elaboration of science-based processes of interaction between foreign objects and protective surfaces.

The analysis of protection system allowing to select the real power plant protection system consistent with requirements to its air intake on the basis of aggregate criteria of alternative variants was carried out.

The method of air intake protection system designing on the basis of fender-inertial capture of foreign objects by corrugated screen and discovered dependencies between flexible glancing collision of foreign objects and facets of corrugated screen was offered and realized. The boundary parameters affecting capture of foreign objects were found.

The advanced method of air intake inertial foreign objects ingestion protection system with aerodynamic utilization was developed. The principal possibility of aerodynamic utilization of foreign objects without additional taking of engine power for foreign objects disposal system is scientifically proved.

The method of design of air intake blow-away jet protection including selection and proof of protection for a gas-turbine engine with large dimensions, comparison of design-theoretical and experimental results and forming of wall current of limited axial-symmetric streams has gained further development.

The introduction of developed methods of design of air intakes protection systems allows to improve power aircraft power plants air intakes protection from foreign objects ingestion.

Keywords: air intake protection, foreign objects ingestion, protection system, power plant.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Однією з найважливіших проблем, що стоять перед авіацією в світі, є безпечна експлуатація літаків у різних умовах зовнішнього середовища. На безпеку польотів і ефективність використання газотурбінних двигунів на літаку значною мірою впливає попадання сторонніх предметів (ПCП) у повітрозабірники двигунів. Багаторічний досвід експлуатації авіаційних двигунів показує, що сторонні предмети (СП), потрапляючи в газоповітряний тракт двигуна, приводять до інтенсивного ерозійного зносу вхідного напрямного апарата, лопаток компресора, сприяють передчасному розвитку втомних тріщин. Залежно від ступеня пошкодження може відбутися відмова двигуна з небезпечними наслідками. Особливо небезпечна відмова двигуна на одномоторному літаку.

Пошкодження двигунів у результаті ПСП істотно погіршують експлуатаційні характеристики літака, оскільки призводять до зниження регулярності польотів. Через дострокового знімання двигунів унаслідок ПСП зростають витрати на обслуговування і ремонт двигунів. Із загальної кількості достроково знятих двигунів в експлуатації 25-30% двигунів знято унаслідок ПСП. Відзначається загальна тенденція зростання витрат на відновний ремонт двигунів, пов'язаний як з ускладненням конструкції двигунів нового покоління, так і з вартістю їх виробництва.

Проблема запобігання ПСП у повітрозабірник силової установки існує з початку застосування авіації. Вона виникла на перших літаках з поршневим двигуном і ще більш загострилася при установленні на літаках газотурбінних двигунів. Тому проектування систем захисту повітрозабірників силових установок літаків від ПСП у двигун є актуальним науковим завданням, що має важливе значення для забезпечення надійності силових установок, безпечної експлуатації літаків і розвитку авіаційної промисловості.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є частиною досліджень і дослідно-конструкторських робіт, що проводяться на ДП "АНТОНОВ" протягом приблизно 30 років у рамках державних і галузевих програм, що виконуються за постановою уряду, а також безпосередньо пов'язана з реалізацією стратегії розвитку авіаційної промисловості України до 2020 року.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення захищеності повітрозабірників силових установок літаків від ПСП шляхом розробки та застосування нових методів проектування систем захисту повітрозабірників від ПСП.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:

- виконати аналіз особливостей і методів проектування систем захисту повітрозабірників авіаційних силових установок від ПСП;

- розробити розрахунково-експериментальний метод проектування системи захисту повітрозабірника від ПСП на основі відбійно-інерційного уловлювання СП гофрованою сіткою;

- удосконалити метод проектування системи інерційного захисту повітрозабірника розробкою пристрою аеродинамічної утилізації СП;

- виявити область ефективного застосування струминної системи захисту та розробити залежності, що визначають захищеність повітрозабірника від ПСП з поверхні аеродрому.

Об'єкт дослідження - проектування силових установок літака.

Предмет дослідження - методи проектування систем захисту повітрозабірників силових установок літаків від попадання сторонніх предметів.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених завдань використовувалися методи: розрахунково-експериментальні; математичного та фізичного моделювання; комп'ютерного моделювання за допомогою систем CAD\CAM\CAE; прикладної газової динаміки; експертної оцінки; теорії планування експерименту та математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше розроблено метод проектування системи захисту повітрозабірника силової установки літака від ПСП на основі інерційно-відбійного уловлювання СП гофрованою сіткою, забезпеченою жолобоподібними збірниками СП в основі її граней;

- вдосконалено метод проектування системи інерційного захисту повітрозабірника від ПСП розробкою пристрою для аеродинамічної утилізації СП;

- набув подальшого розвитку метод проектування системи струминного захисту повітрозабірника врахуванням зміни швидкості пристінної течії від параметрів основної ділянки захисних струменів.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблений метод проектування системи захисту на основі інерційно-відбійного уловлювання СП дозволяє виконати аналітичне дослідження варіантів захисту за сукупними критеріями, розставленими за пріоритетами, і обґрунтувати вибір за допомогою переліку критеріїв, що визначають характеристики захисту, а також спрогнозувати і розробити захист повітрозабірника ефективністю 91% від СП розміром 0,63-0,8 мм; метод дозволяє визначити ступінь захищеності повітрозабірника і розробити теоретичну модель повітрозабірника з оптимальною конфігурацією;

- вдосконалений метод проектування інерційної системи захисту дозволяє систематизувати процеси взаємодії СП при формуванні захисту повітрозабірника, забезпечити досягнення потрібних результатів щодо газодинамічних параметрів і характеристик захищеності та підвищити захищеність повітрозабірника в 1,7 разу від СП розміром більше 0,43 мм без відбору потужності двигуна на видалення СП;

- застосування розробленого методу проектування системи струминного захисту дозволяє оптимізувати відбори повітря від двигуна на захист, визначити газодинамічну та вагову доцільність застосування струминного захисту, спрогнозувати і розробити захист, що повністю виключає виникнення вихорів при гонці двигунів на землі врахуванням швидкості пристінної течії за параметрами основної ділянки захисних струменів.

Результати, отримані в дисертаційній роботі, впроваджено на ДП "АНТОНОВ" при проектуванні систем захисту повітрозабірників силових установок літаків Ан-3, Ан-3-300, Ан-124-100 та при розробці способів захисту повітрозабірників силових установок літаків Ан-124-100, Ан-148-100 та його модифікацій.

Особистий внесок здобувача. Автор запропонував і розробив метод проектування системи захисту повітрозабірника силової установки літака від ПСП на основі інерційно-відбійного уловлювання СП, обґрунтував критерії уловлювання СП при пружному ударі під гострим кутом СП об грані гофрованої сітки та дію на післяударний проліт СП зрізувального потоку, що індукується повітрозабірником, з урахуванням короткочасності прольоту [2, 3, 5, 6, 7].

Удосконалив метод проектування системи інерційного захисту. Запропонував і розробив пристрій, що забезпечує аеродинамічну утилізацію СП. Розробив концепцію формування характеристик захищеності повітрозабірника системою інерційного захисту і аеродинамічною утилізацією СП [1, 2, 13, 14].

Розробив залежність швидкості пристінної течії від параметрів перетину основної ділянки вісесиметричних турбулентних захисних струменів і виявив область формування ефективного захисту повітрозабірника від ПСП з поверхні аеродрому, на основі яких отримав подальший розвиток метод проектування системи струминного захисту [4, 11].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи докладалися і обговорювалися на II, III, IV, V науково-технічних конференціях з проблем захисту авіаційних двигунів від пошкодження їх сторонніми предметами, птахами, водою, піском і пилом (ЛДІ ім. М.М. Громова, 1981-1992 рр.), на конференціях і технічних нарадах міжвідомчої комісії із захисту ГТД від пошкоджень їх СП (1989-1995 рр.), а також на науково-технічних семінарах і конференціях ДП "АНТОНОВ", ДП "Івченко-Прогрес", ВАТ "Мотор-Січ" (1986-2010 рр.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладено у чотирьох статтях, опублікованих у профільних виданнях, указаних у переліку ВАК України, восьми авторських свідоцтвах на винаходи за темою дисертації, двох тезах до доповідей на міжнародних конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків і списку використаних джерел. Загальний обсяг становить 154 сторінки, в т.ч. 92 рисунки, 5 таблиць, список використаних джерел із 120 найменувань.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і завдання досліджень, визначено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, особистий внесок автора, подано інформацію щодо апробації, публікацій, структури та обсягу роботи.

У першому розділі проведено аналіз стану проблеми розробки методів проектування систем захисту повітрозабірників авіаційних силових установок від ПСП. Відмічено значний внесок учених і фахівців ЦАГІ, Національної академії наук України, ЛДІ ім. М.М. Громова, ЦІАМ, Державного науково-дослідного інститут цивільної авіації, ДП "АНТОНОВ", АНТК ім. С.В. Ільюшина, Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", Академії наук Казахстану, Уфимського державного авіаційного технічного університету в дослідженні систем захисту від СП силових установок літаків і розробці методів вдосконалення захисту повітрозабірників. Відмічено особливості роботи двигунів за відсутності захищеності його повітрозабірника. Наведено залежність зменшення маси лопаток ротора двигуна від маси прохідних частинок СП при різних відносних швидкостях. Показано негативний вплив ерозійного зносу лопаток ротора двигуна на характеристики двигуна.

Розглянуто основні причини ПСП у повітрозабірники двигунів. Наведено літературні дані про виникнення вихру та засмоктуванні СП. Раніше проведені дослідження з вивчення впливу вихрової течії на ПСП переважно мали експериментальний характер. Причинами попадання СП у повітрозабірник можуть бути: закидання СП з-під коліс шасі, при використанні реверсу тяги, схід льоду з поверхонь розташованих попереду. Виявлення чинника ПСП у повітрозабірник є складним завданням, котре залежить від великої кількості параметрів. Критерій оцінювання ПСП від вихру і коліс шасі виражається як функція сукупності компонувальних, геометричних характеристик і параметрів зовнішньої дії. Подано класифікацію методів захисту повітрозабірників від ПСП за принципом роботи й аналіз їх реалізації. Найбільший інтерес становлять системи захисту, що реалізовуються за допомогою конструктивних пристроїв, таких, як інерційні, загороджувальні, струменеві системи. Широке застосування загороджувальних систем захисту не дали однозначних рецептів вирішення проблеми. Результати наведених раніше випробувань виявилися незадовільними, оскільки застосовані системи захисту були малоефективними, а з погляду створюваних на вході в двигун втрат швидкісного напору - недопустимими. Так, наприклад, при швидкості установлення жалюзійної сітки на вході в повітрозабірник, що забезпечує до 48% захист від ПСП розміром 0,63-0,8 мм, створює втрати потужності двигуна = 10%, а в надзвукових повітрозабірниках аналогічний захист створює втрати тяги до 24-27%. Відома також система струминного захисту, виконана у вигляді трьох насадків, орієнтованих назад і вниз від носка повітрозабірника під кутами 38-43 до вертикалі, яка забезпечила позитивний ефект, що оцінюється коефіцієнтом захисту, що дорівнює 88%.

При аналізі теоретичних досліджень проектування систем захисту з проблеми з'ясувалося, що недостатньо вивчено процес уловлювання СП при їх взаємодії з обмежувальними поверхнями та знаходження граничних параметрів, що впливають на траєкторію руху СП до уловлювача, особливо при короткочасності процесу у часі та малих дистанціях прольоту СП після співудару. Не розроблено комплексні методи проектування систем захисту, котрі включають аналіз і вибір варіантів систем захисту, наукового обґрунтування способу захисту, етапу експериментального відпрацювання та завершувального етапу - створення натурного зразка. У відомих методах розглядається якийсь один із етапів проблеми, що обмежує їх застосування та знижує практичну цінність досліджень.

При всій очевидності проблеми вжиті заходи для її вирішення не дали результатів, які б могли істотно поліпшити статистику експлуатації силових установок літака. Проведені теоретичні розробки щодо дослідження впливу компонування силової установки на літаку, процесів ПСП у повітрозабірник з поверхні аеродрому, виконаний обсяг експериментальних досліджень систем захисту повітрозабірників від ПСП можуть вирішити в існуючій постановці одне конкретне завдання, але не забезпечують проектування системи захисту в цілому, включаючи аналіз, обґрунтування, експериментальні дослідження газодинамічних характеристик і формування характеристик захисту повітрозабірників силових установок літаків.

Виходячи з вищевикладеного, на основі аналізу існуючих робіт і методів проектування систем захисту повітрозабірників сформовано мету та завдання дисертаційної роботи.

Дані, наведені в розділі 1, опубліковано в роботах [2, 4, 5].

Другий розділ присвячено розробці методу проектування системи захисту повітрозабірника силової установки літака від ПСП на основі інерційно-відбійного уловлювання СП гофрованою сіткою. Розроблений метод складається з аналітичного, розрахунково-теоретичного формування характеристик захисту й експериментального етапу. Перший етап - аналітичний вибір варіанта повітрозабірника з використанням експертної оцінки, за якою визначають критерії вибору. Сукупність критеріїв дозволяє зробити вибір найкращого варіанта повітрозабірника із захистом для подальших теоретичних і експериментальних досліджень. Досліджуються газодинамічні характеристики повітрозабірника і вплив цих характеристик на потужність двигуна. В розрахунково-теоретичній частині розділу досліджується процес інерційно-відбійного уловлювання СП гофрованою сіткою, обладнаною жолобоподібними збірниками СП.

Процес захисту поділяється на три етапи: підліт СП до сітки, пружний співудар СП з сіткою, проліт СП у зрізувальному потоці повітря до уловлювача. Для першого етапу важливо визначити параметри СП на підльоті до сітки, які залежать від зовнішніх чинників, таких, як швидкість потоку за повітряним гвинтом, швидкість, що індукується гвинтом на поверхні аеродрому, і діаметр СП, що мають потенційну можливість потрапити у повітрозабірник.

Пружний під гострим кутом співудар СП з сіткою розглядається з позиції гіпотези Рауса, що враховує вплив коефіцієнта тертя і коефіцієнт відновлення швидкості .

На рис. 1 подано кутові обмеження удару. СП можуть ударятися в будь-яку точку поверхні сітки: точка 1 - удар поблизу носка сітки, 2 - середина, 3 - удар поблизу жолоба.

З геометричних розмірів сітки визначаються кутові обмеження відскоку, при яких СП потрапляє в уловлювач за нижченаведеною залежністю:

,

повітрозабірник авіаційний аеродинамічний утилізація

де

f - динамічний коефіцієнт тертя;

e - коефіцієнт відновлення швидкості.

Графічну залежність кута відскоку СП при співударі в області точок 1, 2, 3 подано на рис. 2, за нею можна визначити область попадання СП в улювлювач.

Рис. 1. Місця вірогідного співудару СП з сіткою

Рис. 2. Залежність кута відбиття від кута підльоту СП

На проліт СП після співудару робить вплив зрізувальний потік, що забирається повітрозабірником. Зниження співударної швидкості СП за часом знаходимо, розв'язуючи диференціальне рівняння руху СП під впливом сил аеродинамічного опору в зрізувальному потоці, сил інерції і тяжіння для сферичної одиничної частинки граніту (рис. 3).

З рис. 3 видно, що на певних режимах роботи двигуна спостерігається падіння швидкості СП від моменту співудару до нуля за деякий проміжок часу. Падіння швидкості СП не до нуля свідчить про те, що швидкість, що індукується повітрозабірником, не надає гальмівного ефекту на СП при певному поєднанні сил, що діють на нього.

Залежність траєкторії руху СП можна виразити як

,

де , - швидкості потоку та СП відповідно, - перемінний коефіцієнт.

Траєкторію руху частинки СП за вищенаведеною залежністю показано на рис. 4.

Рис. 3. Зниження швидкості гранітного СП діаметром 1 мм після удару

Рис. 4. Траєкторія руху гранітного СП діаметром 0,5 мм при = 37,5 м/с

Перевага системи захисту гофрованою сіткою полягає в тому, що проліт СП за часом і дистанцією до уловлювача незначні. Це дозволяє розглядати траєкторію руху СП у межах 50 мм як пряму залежність, при цьому похибка становить ~ 0,32%. Спираючись на це припущення, було визначено граничні умови попадання СП в уловлювач залежно від швидкості та кутів співудару СП з гофрованою сіткою.

Експериментальні дослідження характеристик зразків сіток для захисту від СП показали, що коефіцієнт сепарації монотонно збільшується зі зменшенням швидкості та різко збільшується при зменшенні кута установлення сітки до потоку. Гофрована сітка з уловлювачем СП має коефіцієнт захисту вищий, ніж у плоскої.

Важливим етапом експериментальних досліджень є перевірка газодинамічних характеристик повітрозабірника з системою захисту на натурному зразку. Оптимально спроектована гофрована сітка створює незначні втрати.

Проведені розрахунково-теоретичні роботи щодо створення характеристик захищеності повітрозабірника, що включають визначення початкових параметрів руху СП до співудару з гофрованою сіткою, пружний співудар СП на основі кінетичних співвідношень і розрахунок траєкторії руху частинок в зрізувальному потоці з визначенням граничних умов уловлювання СП збірником, становлять базову частину методу проектування захисту повітрозабірника силової установки літака від ПСП на основі відбійно-інерційного уловлювання.

Дані, наведені в розділі 2, опубліковано в роботах [1, 3, 6, 8].

У третьому розділі досліджується інерційна система захисту повітрозабірника з пристроєм для аеродинамічної утилізації СП.

Розроблено вдосконалений метод, який включає дослідження характеристик повітрозабірника, оптимізацію системи інерційного уловлювання й утилізації СП на основі процесів взаємодії СП зі слабкими потоками повітря в обмеженому просторі уловлювача.



Рис. 5. Загальний вигляд повітрозабірника: 1 - повітропідвідний канал; 2 - двигун; 3 - уловлювач СП

Аналіз попередніх досліджень показав, що значна частина потужності двигуна витрачається в системах захисту на примусову ежекцію СП ? 4%. Експериментально було показано та науково обґрунтовано, що уловлювання й утилізація СП можливі без відбору повітря від компресора двигуна на ежекцію. Розробка вдосконаленого методу проектування системи інерційного уловлювання з аеродинамічною утилізацією СП виконувалася стосовно повітрозабірника силової установки, поданої на рис. 5.

Розглядається рух СП у криволінійному каналі повітрозабірника під дією сил інерції аеродинамічного опору в поступальному потоці. Виведено залежність уловлювання СП від кривизни каналу та параметрів СП при Rе < 2000, графічно подану на рис. 6.

У попередніх дослідженнях процес взаємодії СП з уловлювачем не розглядався. За наявності системи примусової утилізації на характеристики захисту впливають параметри ежектувального повітря. При пасивній утилізації знаходження залежностей взаємодії СП з обмежувальною поверхнею уловлювача становить інтерес для визначення характеристик захищеності.

Частинка СП, що потрапила в циліндричну порожнину уловлювача, втрачає швидкість від тертя, а потім - при першому і подальших ударах.

Падіння швидкості й кута відхилення після n-ударів визначаємо як

,

.

де - величина падіння горизонтальної швидкості.

Рис. 6. Залежність діаметра уловлюваних частинок при різних щільностях матеріалу від осьової швидкості потоку в каналі повітрозабірника

Приклад зниження кута співудару СП в порожнині уловлювача показано на рис. 7.

Повне гальмування частинки СП відбувається за три етапи: тертя об стінку уловлювача, удар в перегородку уловлювача і подальше багатоударне гальмування (рис. 8).

Поглинання кінетичної енергії багатоударним гальмуванням важливе для аеродинамічної утилізації СП, оскільки далі СП взаємодіє із слабким потоком, який формується від перепаду тиску за повітряним гвинтом і у повітрозабірнику.

Визначаємо залежність , з якої видно, що на максимальному режимі роботи двигуна, коли швидкість в уловлювачі максимальна, мінімальна частинка СП висить у зустрічному потоці, а великі частинки падають назовні.

На рис. 9 показано залежність , з якої видно, що на максимальному режимі роботи двигуна, коли у кільцевій порожнині уловлювача максимальна, частинки, що становлять небезпеку для двигуна, подолавши аеродинамічний опір, падають в трубку скидання СП.

Рис. 7. Зміна кута співудару частинки СП з поверхнею уловлювача

Рис. 8. Зміна швидкості СП у збірнику

Рис. 9. Залежність аеродинамічної утилізації СП від швидкості потоку

Формується система залежностей інерційного уловлювання, гальмування в уловлювачі й аеродинамічної утилізації СП, яка є основою методу проектування системи захисту повітрозабірника.

Дані, наведені в розділі 3, опубліковано в роботах [1, 2, 13, 14].

Розділ четвертий присвячено проектуванню системи струминного захисту повітрозабірника силової установки літака від ПСП. Розглянуто вірогідність ПСП у повітрозабірники двигунів вітчизняних і зарубіжних літаків, показано перевагу компонування двигунів в схемі високоплана. Визначено зону з інтенсивним вихороутворенням і обґрунтовано необхідність застосування засобів захисту від ПСП.

Отримав подальший розвиток метод проектування системи струминного захисту повітрозабірника газотурбінного двигуна від ПСП з поверхні аеродрому. Відповідно до методу виконано аналіз і теоретичне обґрунтування взаємодії струминної течії із зоною вихороутворення, досліджено на натурі струминну течію і її ефективність.

За результатами розрахунково-теоретичних і експериментальних досліджень розроблено характеристику захисту повітрозабірника системою струминного захисту.

Відповідно до теорії течії типу вихоростік характерним параметром, що визначає його інтенсивність, є значення максимальної горизонтальної швидкості пристінної течії. Розроблено розрахункову залежність швидкості для двигуна при роботі на експлуатаційних режимах, за якою визначено зону з інтенсивним вихороутворенням, і концепцію системи захисту повітрозабірника від ПСП.

Проведено аналіз універсальних пристроїв захисту та системи струминного захисту. Додаткові втрати тяги при встановленні універсальних сітчастих захисних пристроїв можуть досягати 18%, що неприйнятно. Показано вагову доцільність застосування струминного захисту для великорозмірного газотурбінного двигуна.

Для дослідження системи струминного захисту прийнято схему у вигляді двох форсунок, установлених під повітрозабірником. Струмені повітря з форсунок спрямовані в зону вихороутворення. Проблемою багатоструминної системи захисту є рециркуляція потоку, який може підняти СП у зону всмоктуваного потоку. Для вирішення проблеми необхідно виключити рециркуляцію на межі сполучення струменів. Відстань між форсунками вибирається з умов виключення рециркуляції:

,

де - радіус перетину струменя, - швидкість зрізувального потоку, - константа; - імпульс джерела, - відстань до форсунки.

Площа перетину двох вісесиметричних струменів у зоні можливого вихороутворення з урахуванням формування меж основної ділянки струменів становить

.

З умови збереження імпульсу джерела на основній ділянці в перетині струменя (назвемо її "базовою") швидкість струменя

,

де - радіус форсунки.

Тоді швидкість струменя уздовж поверхні можна визначити як

.

Захищеність повітрозабірника забезпечиться за умови

або ,

де - об'ємна витрата повітря; - висота установлення повітрозабірника.

Побудувавши залежність від відстані до центру струменя, можна висновувати про межу перевищення швидкості струменя над швидкістю, що індукується повітрозабірником.

Рис. 10. Швидкість пристінної течії захисних струменів

На рис. 10 показано зміну швидкості пристінної течії турбулентного струменя на відстані від осі.

Наведено результати експериментальних досліджень інтенсивності вихороутворення під повітрозабірником двигуна Д-18Т і виконано оцінювання ефективності системи струминного захисту. Оптимізувався напрям струменів. При цьому вимірювалися швидкості пристінної течії на різному віддаленні від епіцентру по двох взаємно перпендикулярних осях. Виявлено, що спектри швидкостей пристінної течії від двох рознесених на відстань форсунок близькі до кола з еквівалентним діаметром

,

де - площа периметра охвата форсунок.

Порівняння полів швидкостей пристінної течії струменів, розрахунково-теоретичних і експериментальних, показало їх збіжність (рис. 11).

Теоретична частина розробки характеристик захисту є базовою складовою подальшого розвитку методу проектування системи струминного захисту повітрозабірника.

Рис. 11. Розрахункові й експериментальні швидкості пристінної течії захисних струменів

Дані, наведені в розділі 4, опубліковано в роботах [4, 11].

Висновки

Відповідно до поставленої мети та завдань у дисертації отримано такі наукові та практичні результати:

1. На основі аналізу способів і методів проектування систем захисту, їх впливу на характеристики силових установок вперше розроблено метод проектування системи захисту повітрозабірника силової установки літака від ПСП на основі інерційно-відбійного уловлювання СП гофрованою сіткою, забезпеченою жолобоподібними збірниками СП в основі її граней. Виконано об'єктивний вибір і розроблено захист з характеристиками, що забезпечують підвищену захищеність повітрозабірників силових установок літаків до 91% від ПСП розміром 0,63-0,8 мм, що на 43% ефект. за захист жалюзійної сітки.

2. За допомогою розробленого методу отримано:

- характеристику уловлювання СП у процесі відбійно-інерційної взаємодії СП з гофрованою сіткою урахуванням граничних умов, що визначають траєкторію руху СП;

- залежність падіння початкової швидкості СП за часом після пружного співудару з гранню гофрованої сітки від швидкості зрізувального потоку.

3. Вдосконалено метод проектування системи інерційного захисту повітрозабірника від ПСП розробкою пристрою для аеродинамічної утилізації СП. Його впровадження дозволило без відбору потужності силової установки на видалення СП підвищити захищеність повітрозабірника силової установки літака в 1,7 разу для СП у широкому діапазоні розмірів від 0,43 до 12 мм. На основі розробленого методу забезпечено потрібні газодинамічні параметри повітрозабірника при підвищеній його захищеності. В результаті розрахунково-теоретичних досліджень:

- розроблено математичну модель багатоударного гальмування СП в обмеженому просторі уловлювача;

- отримано залежність аеродинамічної утилізації СП від параметрів газоповітряного тракту уловлювача;

- установлено, що падіння кінетичної енергії частинок в уловлювачі відбувається інтенсивніше при багатократному співударі зі стінками уловлювача, ніж при терті об стінки;

- при багатократному косому співударі СП в уловлювачі коефіцієнт відновлення швидкості СП є домінуючим у зниженні швидкості СП.

4. Отримав подальший розвиток метод проектування системи струминного захисту повітрозабірника урахуванням зміни швидкості пристінної течії від параметрів основної ділянки захисних струменів. Розроблений метод забезпечив проектування оптимізованої системи струминного захисту, який повністю виключає формування вихорів, що закидають сторонні предмети з поверхні аеродрому в повітрозабірник при гонках двигуна на землі, що підвищує захищеність повітрозабірника силової установки літаків на 12% при бічному вітрі 1-9 м/с:

- сформовано граничні умови течії паралельних турбулентних струменів, що натікають на екран без рециркуляції на межі їх сполучення;

- установлено залежність швидкостей пристінної течії обмеженого струменя від параметрів основної ділянки вісесиметричного турбулентного струменя в зрізувальному потоці;

- обґрунтовано та показано область ефективної протидії виникнення вихору під повітрозабірником силової установки системою багатоструминної течії;

- розроблено характеристику захисту повітрозабірника від ПСП з поверхні аеродрому системою струминної течії у вигляді системи параметричних залежностей.

5. Результати досліджень упроваджено на ДП "АНТОНОВ" при проектуванні систем захисту повітрозабірників силових установок літаків Ан-3, Ан-3-300, Ан-124-100 і використано при розробці методів захисту повітрозабірників силових установок літаків Ан-124-100, Ан-148-100 та його модифікацій.

Список наукових праць здобувача за темою дисертації

1. Смирнов В.М. Воздухозаборное устройство турбовинтового двигателя самолета с защитой от попадания посторонних предметов / В.М. Смирнов, А.М. Федоренко // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского "ХАИ". - Вып. 42. - Х., 2009. - С. 280 - 288.

2. Смирнов В.М. Методика формирования характеристик защищенности воздухозаборника газотурбинного двигателя от попадания посторонних предметов / В.М. Смирнов // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского "ХАИ". - Вып. 45. - Х., 2010. - С. 43 - 50.

3. Беседов Н.П. Входное устройство с воздухоочистителем для ТВД самолета АН-3 / Н.П. Беседов, В.Д. Орехов, В.М. Смирнов // Труды ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского. - Вып. 2364. - М., 1987. - 20 с.

4. Смирнов В. М. Формирование области эффективного применения струйной защиты большеразмерного двигателя от вихреобразования / В.М. Смирнов // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского "ХАИ". - Вып. 43. - Х., 2009. - С. 47-53.

5. А. с. 766134 СССР, МКл2 В 64 D 33/02. Входное устройство двигателя летательного аппарата / О.К. Антонов, В.Г. Анисенко, В.М. Смирнов (СССР). - №2721055; заявл. 22.01.79; опубл. 28.05.80. - 7 с.

6. А. с. 974717 СССР, МКл2 В 64 D 33/02. Защитное устройство двигателя летательного аппарата / В.Г. Анисенко, В.М. Смирнов, Н. П. Беседов, В.Е. Задорожный (СССР). - №3267012; заявл. 1.04.81; опубл. 14.07.82. - 4 с.

7. А. с. 974719 СССР, МКл2 В 64 D 33/02. Воздухозаборное устройство газотурбинного двигателя / В.М. Смирнов, И.И. Турчаников, В.Е. Задорожный, В.Д. Орехов (СССР). - №3277989; заявл. 17.04.81; опубл. 14.07.82. - 7 с.

8. А. с. 1312912 СССР. МКИ2 В 64 D 33/02. Устройство для защиты газотурбинного двигателя от посторонних частиц / Н.П. Беседов, В.М. Смирнов, В.Д. Орехов (СССР). - №3902569; заявл. 29.05.85; опубл. 22.01.87. - 4 с.

9. А. с. 1129852 СССР, МКИ2 В 64 D 33/00. Силовая установка летательного аппарата / В.М. Смирнов, В.Е. Задорожный (СССР). - №3634303; заявл. 12.08.83; опубл. 18.08.84. - 4 с.

10. А. с. 1098183 СССР, МКл2 В 64 D 33/02. Пылезащитное устройство газотурбинного двигателя / В.М. Смирнов, В.Г. Анисенко, В.Д. Бычков, В.Е. Задорожный (СССР). - №3435108; заявл. 28.04.82; опубл. 15.02.84. - 7 с.

11. А. с. 1225187 СССР, МКл2 В 64 D 33/02. Устройство для защиты турбореактивного двигателя от попадания посторонних предметов / В.М. Смирнов, В.К. Исаев (СССР). - №36475090; заявл. 30.09.83; опубл. 15.12.85. - 2 с.

12. А. с. 1028133 СССР, МКл2 F 02 C 7/04. Воздухозаборное устройство газотурбинного двигателя / В.М. Смирнов, И.И. Турчаников, А.В. Нурищенко (СССР). - № 3288368; заявл. 08.05.81; опубл. 05.03.83. - 6 с.

13. Смирнов В.М. Методы защиты воздухозаборников силовой установки самолетов от попадания посторонних предметов / В.М. Смирнов, А.М. Федоренко // Проблеми створення та забезпечення життєвого циклу авіаційної техніки: тези доп. Міжнар. наук.-техн. конф. - Х.: "ХАІ", 21-22 квітня 2010 р. - С. 38.

14. Федоренко А.М. Методы защиты газотурбинных двигателей от попадания посторонних предметов / А.М. Федоренко, В.М. Смирнов // IV Междунар. науч.-техн. конф. молодых специалистов авиамоторостроительной отрасли. - Украина, Запорожье - Алушта, 17-21 мая 2010 г. - С. 71-72.

Размещено на Allbest.ru

...