Введение к работе
Актуальность. Одним из способов торможения самолета на пробеге после приземления является реверсирование тяги авиационного двигателя. Однако при включении реверса возникает ряд проблем, связанных с попаданием на вход в двигатели выхлопных газов и твердых посторонних предметов с поверхности взлетно-посадочной полосы (ВПП), ухудшением аэродинамических характеристик самолета. Указанные проблемы в различной мере присущи для большей части многодвигательных самолетов и имеют характерные особенности в зависимости от размещения двигателей. Так, при посадке самолета с расположением двигателей в хвостовой части по бокам фюзеляжа (самолеты Ту-154, Ту-334 и другие) реверсивные струи, истекающие вниз в направлении ВПП, взаимодействуя с ее поверхностью и воздушными массами, образуют рециркуляционную зону, границы которой при определенных условиях достигают воздухозаборников двигателей. При этом искажается поле скоростей и температур на входе в двигатели, что является предпосылкой к помпажу компрессоров и выключению двигателей. Кроме того, данное рециркуляционное течение может транспортировать с поверхности ВПП на вход в двигатели посторонние твердые предметы, повреждающие лопатки компрессора, что снижает безопасность полетов, приводит к досрочному съему двигателей с эксплуатации. Отрицательным фактором является аэродинамическая интерференция реверсивных струй и планера. Так, реверсивные струи, истекающие из верхних окон реверса, снижают эффективность руля направления, что при раннем включении реверса (в воздухе или до опускания на ВПП передней стойки шасси) может привести к ухудшению устойчивости и управляемости самолета. Выпуск интерцепторов и закрылков в посадочное положение приводит к возмущению воздушного потока на входе расположенных за крылом двигателей, способствует увеличению зоны рециркуляции газов реверсивных струй и их попаданию в воздухозаборники двигателей. Необходимость учета данных факторов накладывает ограничения на использование реверса тяги и снижает интенсивность торможения самолета.
В связи с этим, вопросы предотвращения попадания газов реверсивных струй и посторонних предметов с поверхности ВПП на вход в двигатели и улучшения посадочных характеристик самолета с расположением двигателей за крылом в хвостовой части по бокам фюзеляжа имеют актуальное значение. Важной составляющей данного направления работ является обобщение опыта оптимизации реверсивного устройства в системе самолет – силовая установка.
Цель работы. Расчетное и экспериментальное исследования процесса заброса реверсивными струями посторонних предметов с поверхности ВПП на вход в двигатели и эффективности применения средств торможения для сокращения длины пробега самолета. Разработка на базе экспериментальных и расчетных исследований рекомендаций и технических решений, направленных на обеспечение защищенности двигателей от попадания в воздухозаборники газов реверсивных струй и посторонних предметов с поверхности ВПП и повышение эффективности применения реверса тяги для торможения самолета с расположением двигателей в хвостовой части по бокам фюзеляжа.
Задачи исследования.
1. Разработка физической и математической модели взаимодействия реверсивной струи с твердой частицей. Проведение расчетного исследования параметров движения частицы и условий ее попадания на вход в двигатель с учетом влияния параметров реверсивной струи, скорости движения самолета, положения механизации крыла, продольного ветра.
2. Проведение расчетного исследования изменения длины пробега и сравнительной эффективности средств торможения самолета в зависимости от программы применения реверса, управления положением механизации крыла, торможения колес шасси. Расчетная проработка методик оптимального применения средств торможения самолета для сокращения пробега при повышении защищенности двигателей и уменьшении аэродинамической интерференции реверсивных струй и планера.
3. Проведение исследований на моделях в аэродинамической трубе границ распространения реверсивных струй в сносящем потоке воздуха и условий их попадания в воздухозаборник двигателя применительно к компоновке самолета с расположением двигателей за крылом в зависимости от конфигурации крыла и конструкции отклоняющей решетки реверса.
4. Проведение на самолете Ту-154 исследований:
- попадания газов реверсивных струй и посторонних предметов с поверхности ВПП на вход в двигатели в зависимости от скорости пробега самолета, режима работы двигателей и конструкции нижней решетки реверса;
- влияния положения интерцепторов и закрылков на развитие реверсивных струй и работу двигателей с включенным реверсом тяги;
- управляемости самолета при включении реверса до опускания на ВПП передних колес шасси;
-изменения длины пробега самолета в зависимости от методики применения средств торможения.
5. Разработка рекомендаций и технических решений по обеспечению защищенности двигателей от попадания на вход газов реверсивных струй и посторонних предметов с поверхности ВПП при посадке самолета с расположением двигателей в хвостовой части по бокам фюзеляжа и рекомендаций по сокращению длины пробега самолета за счет расширения диапазона применения реверса.
Научная новизна. Предложена модель взаимодействия реверсивной струи с твердой частицей и процесса заброса частицы на вход в двигатель. Разработан метод расчета скорости пробега самолета, при которой происходит заброс частиц на вход в двигатель, с учетом влияния параметров реверсивной струи, положения механизации крыла, продольного ветра. Получены зависимости скорости пробега, соответствующей забросу частиц, от комплексного параметра, характеризующего их массу и аэродинамическое сопротивление.
Разработана методика оценки суммарного относительного заброса твердых частиц на дистанции пробега самолета.
Предложена методика расчетных исследований и оценки сравнительной эффективности средств торможения самолета. По результатам расчетов определены направления оптимизации совместного применения реверса тяги и устройств аэродинамического торможения самолета с расположением двигателей за крылом по бокам фюзеляжа.
Выполнен комплекс расчетных и экспериментальных исследований на моделях и натурных объектах, по результатам которого разработаны рекомендации и технические решения, направленные на повышение эффективности реверса тяги и устранение заброса посторонних предметов и газов реверсивных струй на вход в двигатели при пробеге самолета с расположением двигателей в хвостовой части по бокам фюзеляжа. Рекомендации и технические решения заключаются в рациональном управлении режимом работы двигателей, пространственной ориентации газовых струй на выходе из реверса и изменении положения взлетно-посадочной механизации крыла на пробеге самолета.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Модель взаимодействия реверсивной струи с твердой частицей. Результаты расчетного исследования процесса заброса частиц с поверхности ВПП на вход в двигатели при посадке самолета.
2. Результаты расчетно-теоретических исследований сравнительной эффективности средств торможения самолета и оптимизации методики их совместного применения с целью сокращения пробега.
3. Результаты экспериментальных исследований на моделях и в натурных условиях на самолете Ту-154 условий попадания газов реверсивных струй и посторонних предметов с поверхности ВПП на вход в двигатели.
4. Рекомендации и технические решения по устранению попадания посторонних предметов и газов реверсивных струй на вход в двигатели и повышению эффективности реверса тяги для торможения самолета.
Практическая значимость. Результаты теоретических и экспериментальных исследований расширяют представление о процессе заброса реверсивной струей посторонних предметов на вход в двигатель. Использование разработанных рекомендаций, апробированных методик для моделирования процессов заброса посторонних предметов и оценки эффективности средств торможения позволяет обоснованно осуществлять разработку конструктивных и эксплуатационных мероприятий по защите двигателей и сокращению пробега самолета с расположением двигателей за крылом по бокам фюзеляжа на этапах проектирования, доводки и эксплуатации.
Использование результатов. С участием автора разработаны, прошли испытания и внедрены на двигателе НК-8-2У и самолете Ту-154 следующие технические решения, повышающие защищенность двигателей и сокращающие пробег:
- конструкция решетки реверса с диагональной секцией (карта изменения - решение №Т-226 МАП-МГА, бюллетени № 773-БД-Г и № 773-БД-В);
- система ступенчатого управления реверсом тяги (бюллетень №154-3824 БУ-Г);
- автоматизированная система управления механизацией крыла на пробеге (бюллетень № 154-4580-БУ);
-методика посадки самолета со ступенчатым управлением режимом работы двигателей и изменением положения механизации крыла на пробеге (РЛЭ самолета Ту-154).
Степень достоверности полученных результатов. Достоверность результатов модельных, расчетных и натурных исследований, разработанных методик и рекомендаций подтверждается эффективностью применения разработанных технических решений на эксплуатирующихся самолетах Ту-154, удовлетворительным согласованием расчетных данных с результатами натурных экспериментов и эксплуатации.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на:
- IV и V научно-технических конференциях по проблемам защиты ГТД от повреждений посторонними предметами, Москва, ЛИИ, 1990, 1992;
- V научно-техническом симпозиуме «Авиационные технологии 21 века», Жуковский, ЦАГИ, 1999;
- Международной научно-технической конференции, посвященной памяти Н.Д. Кузнецова, Самара, СГАУ, 2001;
- VI Международном конгрессе двигателестроителей, Украина, ХАИ, 2001;
- научно-технических конференциях, проводимых в КГТУ им. А.Н. Туполева и Казанском артиллерийском университете, научном семинаре в ЦИАМ.
Личный вклад автора. Автором разработана методика и проведено расчетное исследование способов повышения эффективности средств торможения самолета для сокращения пробега. Предложена математическая модель взаимодействия реверсивной струи с твердой частицей и проведено расчетное исследование процесса ее заброса с поверхности ВПП на вход в двигатель. Разработана экспериментальная установка и проведены исследования на моделях границ распространения реверсивных струй и условий их попадания на вход в двигатели. Автор непосредственно участвовал в разработке и проверке в натурных условиях мероприятий по уменьшению попадания газов реверсивных струй и посторонних предметов на вход в двигатели НК-8-2У и повышению эффективности реверса тяги при посадке самолета Ту-154. Им проведен сбор и анализ данных из эксплуатирующих организаций, выполнена оценка эффективности разработанных мероприятий по результатам эксплуатации.
Публикации. По теме диссертации опубликовано тринадцать печатных работ (две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, пять материалов конференций, два авторских свидетельства, четыре тезиса докладов).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников. Диссертация изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 77 рисунков, 7 таблиц и список использованных источников из 173 наименований.
Похожие диссертации на Исследование условий устранения попадания газов реверсивных струй и посторонних предметов с поверхности аэродрома в двигатели, расположенные в хвостовой части самолета
