Содержание к диссертации
Введение 8
Раздел 1. Состояние проблемы защиты газотурбинных 21 двигателей от попадания твердых посторонних предметов с
поверхности аэродрома
Глава 1.1. Анализ статистических данных по досрочному 24
съему двигателей из-за повреждения элементов газовоздуш
ного тракта в эксплуатации
Глава 1.2. Основные существующие пути решения проблемы 37 защиты газотурбинных двигателей от повреждений
твердыми посторонними предметами
Глава 1.3. Устройства защиты авиационных двигателей 46
от повреждений посторонними предметами
Глава 1.4. Цель и задачи исследования 55
Раздел 2. Методика теоретических и экснериментальных 58 исследований процесса заброса твердых посторонних предметов с поверхности ВІШ в воздухозаборники ГТД колесами шасси на режимах руления, взлета и посадки
самолета
Глава 2.1. Теоретические исследования процесса 58 взаимодействия твердых посторонних предметов с колесом
шасси при движении самолета
Глава 2.2. Методшса теоретических исследований процесса за- 75 броса твердых посторонних предметов с поверхности ВПП в
воздухозаборники ГТД колесами шасси
2.2.1. Взаимодействие частицы с пневматиком колеса 75
после выхода из контакта с поверхностью ВПП
Движение частицы после отделения от поверхности 87 пневматика колеса
Влияние взаимной компоновки силовой установки и 96 колес шасси на попадание в двигатель посторонних предметов
Глава 2.3. Экспериментальные исследования процесса 106
разлета твердых посторонних предметов из-под колес
шасси
2.3.1. Методика проведения испытаний 106
2.3.2. Результаты экспериментального исследования 116
процесса разлета твердых посторонних предметов из-под
колес шасси
2.3.3. Результаты исследований процесса разлета твердых 123
посторонних предметов из-под колес шасси с
установленными на них защитными устройствами
Раздел 3. Методика расчетно-жсмерв ментальных 131
исследований нрощссса заброса твердых згосторошшх предметов с поверхности ВПП в воздухозаборники ГТД вихревым течением на режимах руления, взлета к поездки
самолета
Глава 3.1. Экспериментальные исследования процесса 13 8
заброс?;, твердых посторонних предметов с поверхности ВПП
в воздухозаборники ГТД вихревым течением
3.1.1. Методика проведения экспериментальных 139
исследований
3.1.2. Результаты экспериментальных исследований 144
заброса твердых посторонних предметов с поверхности
ВПП в воздухозаборники ГТД вихревым течением
Глава 3.2. Расчетные исследования процесса заброса твердых 162
посторонних предметов с поверхности ВГШ в
воздухозаборники ГТД вихревым течением
3.2.1. Пространственное течение воздушного потока, 163
втекающего в воздухододводящие каналы двигателя
3.2.2. Влияние компоновки силовой установки на 168
защищенность двигателей от посторонних предметов,
забрасываемых вихревым течением ,
Раздел 4, Расчетно-экспериментальные исследования про- 178 цесса заброса твердых посторонних предметов с поверхности ВИЛ в воздухозаборники ГТД реверсивными струями на
пробеге самолета
Глава 4.1. Экспериментальные исследования процесса 182
заброса твердых посторонних предметов реверсивной струей
в воздухозаборные каналы ГТД на пробеге самолета
4.1.1. Методика проведения экспериментальных і 82
исследований
4.1.2. Результаты экспериментальных исследований 186
4.1.3. Анализ результатов экспериментальных 196
исследований ........
Глава 4.2. Расчетные исследования процесса взаимодействия 199
реверсивных струй с твердыми посторонними предметами,
находящимися на поверхности ВГШ
Модельные исследования процесса взаимодействия 199 реверсивных струй с твердыми посторонними предметами
Расчетные исследования процесса взаимодействия 222 реверсивной струи с твердыми посторонними предметами
4.2.3. Результаты расчетных исследования процесса 237 заброса твердых посторонних предметов с поверхности:
ВПП в воздухозаборники ГТД реверсивной струей
Раздел 5. Разработка методики расчета защищенности 241 двигателей от шяадаиия твердых посторонних предметов с
поверхности ШИІ
Глава 5.1. Обеспечение защищенности двигателей от твердых 241
посторонних предметов, забрасываемых колесами шасси
5.1.1. Методика расчета защищенности двигателей от 241
твердых посторонних предметов, забрасываемых
колесами шасси
5.1.2. Разработка рекомендаций по выбору компоновочной 259
схемы воздушных судов, обеспечивающих защищенность
двигателей : ,
5.1.3. Разработка рекомендаций по уточнению 266
конструктивных схем защитных устройств,
устанавливаемых на колесах шасси и зависящих от
компоновочной схемы воздушного судна
Глава 5.2. Обеспечение защищешюсти двигателей от твердых 286 посторонних .предметов, забрасываемых вихревым
течением
5.2.1 Методика расчета защищенности двигателей от 286 твердых посторонних предметов, забрасываемых
вихревым течением
5.2.2. Разработка рекомендаций по защите двигателей от 302
твердых посторонних предметов, забрасываемых
вихревым течением в условиях эксплуатации
Глава 5.3. Обеспечение защищенности двигателей от твердых 310
посторонних предметов, забрасываемых реверсивными
струями
5.3.1. Особенности взаимодействия реверсивных струй 311
с двигателем и воздушным судном
5.3.1.1. Направление истечения газовых струй из 311
реверсивного устройства
5.3.1.2. Газодинамическая устойчивость работы 324
двигателей
Управляемость самолета 328
Ступенчатое управление реверсом тяги 330
Конфигурация крыла самолета 334
Методика применения реверса тяги 336
Реверсовооруженность самолета 343
5.3.2. Методика расчета защищенности двигателей от 352
твердых посторонних предметов, забрасываемых
реверсивными струями
Глава 5.4. Повышение защищенности двигателей от твердых 359
посторонних предметов, забрасываемых колесами шасси,
реверсивными струями и вихревым течением при
эксплуатации аэродромных покрытий
Заключение 365
Список использованиых источник 370
Введение к работе
Проблема повреждения рабочих лопаток компрессоров твердыми посторонними предметами (ПП), попадающими в воздушный тракт, возникла одновременно с появлением в гражданской авиации самолетов с газотурбинными двигателями. Решение проблемы повреждения двигателей твердыми посторонними предметами позволит повысить безопасность и регулярность полетов гражданских самолетов. В общем случае под твердыми посторонними предметами будем понимать твердые неорганические частицы в виде частиц битума, бетона, гранитного гравия, которые, вследствие разрушения слабых мест аэродромного покрытия, появляются на поверхности взлетно-посадочных полос (ВІШ) и рулежных дорожек (РД). Попадание твердых посторонних предметов в двигатель приводит к повреждениям элементов проточного тракта.
Повреждения рабочих лопаток компрессора авиационных двигателей приводят к вынужденным простоям самолетов из-за дефицита двигателей и требуют больших дополнительных материальных затрат на ремонт двигателей, не выработавших установленный ресурс. Так, восстановление Hf? авиаремонтном заводе двигателя, поврежденного посторонними предметами, обходится авиакомпании в сумму порядка 150-200 тысяч долларов. К примеру, ежегодные затраты в ОАО "Аэрофлот", связанные с повреждением двигателей Д-ЗОКУ-154 посторонними предметами, составляют четверть миллиона долларов США. В Авиакомпании "Красноярские авиалинии" затраты по этой же причине на парке самолетов ТУ-154М составляют 350 тысяч долларов США ежегодно [149].
Попадание в авиационные двигатели посторонних предметов влияет не только на нарушение регулярности полетов и простои ВС, не только на большие материальные затраты, направленные на восстановление двигателей, но и на безопасность полетов самих ВС.
Известны случаи, когда попадание в двигатель посторонних предметов является причиной летных происшествий. Так, на штурмовике "А-10" из-за попадания посторонних предметов в 1981 году отмечено 6 летных происшествий класса "В" (ущерб при таком летном происшествии составляет 50...200 тысяч долларов США). Всего с начала эксплуатации данных самолетов, парк которых составлял порядка 600 штук, отмечено 48 летных происшествий из-за попадания посторонних предметов [240].
27 августа 2004 года на самолете АН-124-100 (бортовой номер № 82010) на посадке произошло нелокализованное разрушение рабочих лопаток вентилятора двигателя силовой установки № 3. Причиной разрушения рабочих лопаток вентилятора послужило попадание твердого постороннего предмета в канал двигателя.
Попадание посторонних предметов в тракт двигателей НК-8-2У на самолете ТУ-154Б стало причиной так называемых "титановых" пожаров. Серия "титановых" пожаров на самолете ТУ-154Б была вызвана, в основном, одной причиной — в 90% случаев причиной пожаров служило попадание посторонних предметов в воздушный тракт твердых посторонних предметов. Титановые пожары двигателей НК-8-2У на самолете ТУ-154Б подтвердили, что попадание твердых посторонних предметов в воздушный тракт двигателя может приводить не только к отказному состоянию двигателя, но и к возникновению сложной ситуации.
Безопасность полетов ВС, определяемая свойством авиационно-транспортной системы осуществлять воздушные перевозки без угрозы для жизни и здоровья людей, зависит от многих факторов и, в первую
очередь, от уровня летной годности ВС, требования к которой изложены в авиационных правилах (АП-23, АП-25), определяемых как Нормы летной годности (НЛГ) для различных типов ВС.
Для безопасности полетов нормами летной годности в нормативно-технической докуметации предусматриваются специальные требования к защите двигателей от попадания посторонних предметов:
Авиационные правила (АП-25) [188] п. 25.1091. d (2): "Каналы воздухозаборников следует размещать или защищать таким образом, чтобы свести к минимуму засасывание посторонних предметов при взлете, посадке и рулении".
Авиационные правила (АП-23) [187] п. 23.1091. с (2): "Самолет должен быть спроектирован так, чтобы предотвратить прямое попадание воды, слякоти и других посторонних предметов с взлетно-посадочной полосы, рулежных дорожек или других эксплуатационных поверхностей аэродрома в каналы воздухозаборников основных или вспомогательных двигателей в опасных количества в течение взлета, посадки и руления ".
ЕНЛГС [185]: п.7.6.1.3. "Воздухозаборник должен быть скомпонован на самолете или защищен специальными устройствами (сетки в канале, струйная защита, щитки на колесах шасси и др.) таким образом, чтобы при рулении, взлете и посадке самолета попадание внутрь воздухо-заборного устройства посторонних предметов с поверхности аэродрома не вызывало механических повреждений деталей двигателя. При использовании реверсе тяги растекание реактивных струй по поверхности аэродрома должно быть организовано таким образом, чтобы исключать попадание внутрь воздухозаборника посторонних предметов с поверхности аэродрома, вызывающее механические повреждения деталей двигателя".
Проверка соответствия типа самолета требованиям Нормам летной годности должна проводиться при испытаниях, в которых проверяется
обеспеченность зашиты от попадания посторонних предметов в двигатель с ВГШ при рулении, взлете и посадке [185, 194, 196].
Однако при проведении испытаний самолета на этапе сертификационных заводских и контрольных испытаний получают лишь качественную оценку зашиты двигателей от попадания посторонних предметов. Следует отметить, что натурные испытания сопряжены со значительными материальными вложениями, требуют создания целого комплекса дополнительной аппаратуры и проводятся, как правило, на уже построенных опытных образцах самолетов, что затрудняет внесение существенных изменений в конструкцию самолета.
Количественную оценку вероятности повреждения рабочих лопаток двигателя посторонними предметами на этапе проведения натурных испыташгй получить невозможно.
Как правило, количественную оценку защищенности двигателей получают лишь после обобщения опыта нескольких лет эксплуатации воздушных судов. При несоответствий уровня наработки на досрочный съем двигателей по причине повреждения лопаток компрессора в эксплуатации предприятиями-разработчиками самолета и двигателя производятся вынужденные доработіси систем зашиты двигателя на самолете и расширение норм на величину допустимых повреждений лопаток компрессоров [221], что приводит к дополнительным материальным затратам.
Вместе с тем, в технических требованиях на нормирование допустимых эксплуатационных повреждений лопаток компрессоров газотурбинных двигателей гражданской авиации [225] рассматривается не только качественная оценка зашиты двигателя от попадания посторонних предметов, но и количественная, а именно: "...средства защиты должны препятствовать попаданию посторонних предметов в двигатель с ВПП, РД и
МС и обеспечивать не менее 30000 часов наработки на один случай повреждения, требующий замены лопаток или ремонта в эксплуатации, и не менее 10000 часов наработки на один случай повреждения забоинами, при которых двигатель может быть допущен к дальнейшей эксплуатации без ремонта в эксплуатации".
Таким образом, вероятность повреждения рабочих лопаток компрессора посторонними предметами можно оценить как величину 10"4 на один час полета воздушного судна, что сравнимо по величине с вероятностью возникновения сложной ситуации в полете, приводящей к снижению безопасности полета [188].
Становится очевидным необходимость получения, до поступления конкретного типа воздушного судна в массовую эксплуатацию, не только качественной, но и количественной оценки защищенности двигателей от посторонних предметов, которые могут быть заброшены в воздухозаборники с поверхности ВПП. Более перспективным можно считать, согласно требованиям части 21 Авиационных правил, получение оценки защищенности двигателей расчетным путем еще на стадии проектирования воздушного судна [186].
Расчеты по оценке защищенности двигателей базируются на результатах модельных и натурных исследований причин попадания посторонних предметов на вход в двигатели.
Причины попадания посторонних предметов на вход в двигатели различны, это и вихревое течение под воздухозаборником, и вылет частиц из-под колес шасси, и заброс частиц реверсивной струей. Недостаточная изученность причин и условий попаданий посторонних предметов в ГТД препятствует созданию эффективных конструктивных и эксплуатационных мероприятий по предотвращению досрочного съема двигателей (ЦСД) из эксгнгуатации из-за попадания посторонних предметов.
Настоящая работа посвящена обоснованию и разработке методик обеспечения защищенности двигателей от попадания в них твердых посторонних предметов с поверхности ВПП, которые могут быть заброшены: вихревым течением, колесами шасси, реверсивными струями.
Актуальность проблемы была признана на правительственном уровне и для ее решения в 1976 году была организована Межведомственная комиссия МАП-ЗВС-МГА (министерство авиационной промышленности, военно-воздушных силы и министерства гражданской авиации) по проблеме защиты ГТД от повреждений их посторонними предметами, песком, пылью, птицами. Все работы в направлении обеспечения защиты ГТД от повреждений их посторонними предметами проводились в соответствии с планами Межведомственной комиссии.
В процессе работы Межведомственной комиссии были проведены пять научно-технических конференций по проблемам защиты ГТД от повреждения их посторонними предметами.
Об актуальности проблемы могут свидетельствовать и работы фирмы Стюарт Хьюджес Лимитед (SHL) по созданию системы обнаружения посторонних предметов, включающую систему контроля частиц на входе в воздухозаборники (TOMS) и систему контроля повреждения двигателя (EDMS)[230, 231].
Большой вклад в практическое решение проблемы защиты авиационных двигателей от посторонних предметов внесли Беседов Н.П., Бубеков М.Г., Ващеако Н.В., Великанов П.Н., Голубев С.А., Горохова Т.Г., Граф В.А., Гриценко Е.А., ДедешВ.Т., Евдокимов А.И., Зданович В.А., Калачев Е.Н., Кизим В.Я., Ларионова Н.С., Леонов В.А., Ловяшн А.Ф., Маргулис С.Г., Минаев В.И.3 Мингалєев Ф.М., Назаров АЛ., Назаренко В Л., Орехов В. Д., Плужников В.И., Розен-
фельд И.А., Семон Б.И., Сиротин Н.Н., Скоров Ю.Н., Смолин А.А., Столяров Ю.Е., Финкель С. Г., Шаповалова В.Н., Шинов В.И. и другие.
Проблема снижения досрочного съема авиационных двигателей (ДСД) из-за повреждения элементов газовоздушного тракта, прежде всего лопаток компрессора, посторонними предметами в эксплуатации остается актуальной до настоящего времени.
Целью работы является теоретическое обоснование й разработка методик расчета защищенности двигателей от попадания в них твердых посторонних предметов и уровня досрочного съема двигателей по причине повреждения лопаток компрессора, а также технических решений и рекомендаций по обеспечению защищенности двигателей для воздушных судов, находящихся как в эксплуатации, так и на стадии проектирования.
На защиту выносятся:
физические и математические модели процесса заброса твердых посторонних предметов с поверхности ВПП колесами шасси, реверсивными струями и вихревым течением на режимах руления, взлета и посадки самолета;
методики расчета защищенности двигателей от посторонних предметов, забрасываемых колесами шасси, вихревым течением и реверсивными струями и уровня досрочного съема двигателей для воздушных судов, находящихся в эксплуатации и на стадии проектирования;
методики по экспериментальному и расчетному определению оптимальной величины обратной тяги двигателей для воздушных судов;
методические и конструктивные рекомендации по обеспечению защищенности двигателей воздушных судов, находящихся в эксплуатации и на стадии проектирования;
рекомендации по повышению эффективности очистки ВПП;
- результаты проведенных экспериментальных и расчетных исследований по изучению процесса заброса твердых посторонних предметов с поверхности ВПП колесами шасси, реверсивными струями и вихревым течением на режимах руления, взлета и посадки самолета.
Научная новизна диссертации состоит в том, что в ней впервые разработаны теоретические основы проектирования ВС с учетом обеспечения защиты двигателей от твердых посторонних предметов, забрасываемых с поверхности ВПП колесами шасси, вихревым течением и реверсивными струями.
Определены основные параметры, формирующие уровень защищенности двигателей на протяжении всего жизненного цикла типа воздушного судна и на основе их анализа формализованы и решены задачи обеспечения защищенности двигателей воздушных судов, находящихся как в эксплуатации, так и на стадии проектирования.
Практическая ценность работы и достоверность результатов
модельных, расчетных и натурных исследований, предложенных и обоснованных методик и практических рекомендаций подтверждены эффективностью их применения на самолетах, находящихся в эксплуатации, и возможностью использования апробированных методик расчета защищенности двигателей при разработке новых типов самолетов.
Разработанные методики и рекомендации по оценке защищенности двигателей от твердых пострронних предметов, забрасываемых колесами шасси, вихревым течением и реверсивными струями, доведены до уровня инженерных расчетов.
Практическая значимость работы заключается в следующем: по результатам исследований созданы методики расчетной оценки защищенности двигателей от посторонних предметов, забрасываемых на вход двигателей колесами шасси, вихревым течением, реверсивными струями, и расчета уровня досрочного съема двигателей на любом этапе создания самолета, начиная с этапа эскизного проектирования; разработан с участием автора комплекс мероприятий, вютючающий:
реверсивное устройство двигателя НК-8-2У с диагональными решетками (внедрено на всем парке самолетов ТУ-154Б);
реверсивное устройство двигателя Д-ЗОКУ-154 с направляющими на внутренней поверхности створок (решение № 700/12-59/93 от 28.07.93);
в автоматизированную систему управления механизацией крыла на посадке самолетов ТУ-154Б и ТУ-154М при использовании реверса тяги (система АСУМК - бюллетень № 154-4580-БУ и бюллетень № І54-4581-БУ);
отражательное устройство пластинчатого типа для колес шас
си самолета [160, 161, 162];
разработаны с участием автора методики:
о ступенчатого управления реверсом тяги на пробеге самолета
(система ступенчатого управления реверса тяги - бюллетень №
154 - 3824-БУ и бюллетень № 154-4507-БУ); о определения оптимальной величины обратной тяги реверса
для воздушного судна (регулировка максимальной обратной
тяги двигателей Д-ЗОКУ-154 2 серии на величину 3400 кгс -
бюллетень №1573-БУ-Г);
о посадки самолета с изменением конфигурации крыла на пробеге при применении реверса тяги (руководство по летной эксплуатации (РЛЭ) самолета ТУ-І54Б и РЛЭ самолета ТУ-154М);
о модельного исследования взаимодействия реверсивной струи двигателя с посторонним предметом, находящимся на поверхности ВШЇ [163];
о посадки самолета с применением реверса тяги [164, 165};
о руления самолета с применением реверса тяги (РЛЭ самолета ТУ-154М).
Апробация работал. Основные материалы выполненных исследований и отдельные результаты диссертации докладывались на 1,2,3,4 и 5 научно-технических конференциях по проблемам защиты ГТД от повреждения посторонними предметами в г. Жуковском (1978г., 1981г., 1984г., 1988г. и 1992г.), международной научно-технической конференция в рамках выставки "Авиадвигатель - 92" (1992г.), международных аэрокосмических салонах в г. Жуковском (1998г. и 2001 г.), международном сибирском аэрокосмическом салоне в г. Красноярске (2001г.), научных чтениях по авиации в ВВИА имени профессора Н.Е. Жуковского (2002г.).
По теме диссертации опубликовано 51 печатная работа. Из них 14 печатных работ вошли в перечень, рекомендованный высшей аттестационной комиссией для публикаций материалов докторских диссертаций.
Структура и объем днссертацноняой работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и основных выводов, списка использованных источников. Общий объем диссертации
составляет 398 страниц, всего работа содержит 159 рисунков, 2 таблицы и список использованных источников из 240 наименований.
В иерЕйм разделе рассмотрено состояние и существующие пути решения проблемы защиты ГТД от повреждения твердыми посторонними предметами. Приведен анализ статистических данных по досрочному съему двигателей из-за повреждения элементов газовоздушного тракта в эксплуатации. Показаны существующие пути решения проблемы досрочного съема двигателей в эксплуатации и их недостатки. Сформулированы решаемая в диссертации научная проблема, методы ее решения, декомпозиция проблемы на ряд решаемых научных задач.
Второй. раздел посвящен результатам теоретических и экспериментальных исследований процесса заброса твердых посторонних предметов с поверхности ВПП в воздухозаборники ГТД колесами шасси на режимах руления, взлета к посадки самолета. Приведены результаты теоретических исследований процесса взаимодействия твердых посторонних предметов с колесом шасси при движении самолета, процесса заброса твердых посторонних предметов с поверхности ВПП в воздухозаборники ГТД колесами шасси. Рассмотрены результаты экспериментальных исследований процесса разлета твердых посторонних предметов из-под колес шасси с установленными на них защитными устройствами и без них.
В третьем разделе рассмотрены результаты расчетно-экспериментальных исследований процесса заброса твердых посторонних предметов с поверхности ВПП в воздухозаборники ГТД вихревым течением на режимах руления, взлета и посадки самолета.
В четвертом разделе предложены модель и выполнены расчетно» экспериментальные исследования процесса заброса реверсивными струями твердых посторонних предметов на вход в воздухозаборные каналы ГТД самолетов на пробеге. Рассмотрены результаты как экспериментальных исследований процесса заброса твердых посторонних предметов реверсивной струей в воздухозаборные каналы ГТД, так и расчетных и модельных исследований процесса взаимодействия реверсивной струи с твердыми посторонними предметами, находящимися на поверхности ВПП.
Штыт раздел посвящен разработке модели и обоснованию методик расчета защищенности двигателей от попадания твердых посторонних предметов с ВПП при эксплуатации воздушных судов. В разделе приводятся методики расчета оценки защищенности двигателей от твер-дых посторонних предметов, забрасываемых колесами шасси, вихревым течением и реверсивными струями. Приведены разработанные рекомендации;
по выбору компоновочной схемы воздушных судов, обеспечивающих защищенность двигателей от твердых посторонних предметов, забрасываемых колесами шасси, а также по уточнению конструктивных схем защитных устройств пластинчатого типа, устанавливаемых на колесах шасси;
по выбору компоновки силовой установки самолета для обеспечения защищенности двигателей от вихревого течения;
по выбору компоновки и методики применения реверсивного устройства в составе воздушного судна.
Расчетным путем определены место расположения и размеры уча-стка ВПП, где заброс твердых посторонних предметов в двигатели значи-
тельно выше по сравнению с другими участками ВПП. Определение места расположения и размеров зоны повышенного заброса ПП позэолит аэродромным службам повысить эффективность подготовки аэродромных покрытий к полетам воздушных судов и сішзить уровень повреждения двигателей за счет более тщательной очистки этих зон во временные "окна" между полетами самолетов.
