CC BY
211
2005 НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУГА №90(8)
серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники.
Безопасность полетов
УДК 629.62.192:681.51
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ РЕВЕРСИВНЫХ УСТРОЙСТВ
А.А. КОМОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Барзиловичем Е.Ю.
Рассмотрены вопросы выбора оптимальной величины обратной тяги двигателей при проектировании самолета.
Применение реверса тяги в эксплуатации связано с рядом проблем, таких как: влияние реверсивной струи на аэродинамические характеристики самолета, то есть нарушение устойчивости и управляемости самолета при включенном реверсивном устройстве;
инжекция (засасывание) горячего газа и посторонних частиц при работе реверсивного устройства.
Эти проблемы связаны, прежде всего, с тем, что реверсивное устройство является таким элементом самолета, который в равной мере должен быть согласован как с силовой установкой, так и с планером.
Не менее важной проблемой следует признать выбор оптимальной величины обратной тяги Робр при проектировании самолета. Отсутствие до последнего времени четкой концепции по выбору реверсовооруженности усложняет задачу определения оптимальной величины реверса тяги и числа реверсивных устройств на самолете.
По аналогии с тяговооруженностью Рвзл/Опос, определяющей взлетные характеристики самолета, критерий Робр/Опос, влияющий на его посадочные характеристики, называется реверсо-вооруженностью самолета 0рев [1].
В работе [1] показано, что при торможении самолетов на сухой ВПП доля рассеиваемой энергии, приходящейся на долю реверса тяги, составляет всего 14%. Тормоза колес рассеивают 60% энергии, на долю аэродинамического сопротивления приходится 26% энергии. Следовательно, на сухих ВПП реверсирование тяги не может существенно влиять на процесс торможения самолета.
Обеспечение эффективного торможения самолета при прерванном взлете считается одним из основных назначений реверсивного устройства, однако, и в этом случае на долю реверса тяги приходится всего 18% рассеиваемой энергии, несмотря на то, что реверс тяги используется до полной остановки самолета. Как и в первом случае, основное торможение самолета осуществляется колесными тормозами - 56%. На долю аэродинамического сопротивления приходится 26% энергии.
Совсем иная картина получается при торможении на скользкой (полоса покрыта слякотью) или обледенелой ВПП. При этом значение коэффициента трения снижается до ?= 0,05.. .0,07, а в аварийных ситуациях, когда применение колесных тормозов невозможно, что может иметь место при отказе тормозов или при посадке на мокрый лед, значение коэффициента трения снижается до ?= 0.0,015. В этом случае роль одного из факторов торможения - тормозов колес -сведена к минимуму, и главными факторами торможения становятся аэродинамическое торможение и реверсирование тяги. На долю реверса тяги в этом случае приходится порядка 70% рассеиваемой энергии, а на аэродинамическое сопротивление - 30%. Следует учитывать, что с уменьшением скорости пробега аэродинамическое сопротивление также уменьшается и стремится к нулю, а доля рассеиваемой энергии, приходящаяся на реверс тяги, увеличивается.
К счастью, подобные случаи посадок встречаются довольно редко. Основные случаи посадок самолетов происходят в условиях, когда колесные тормоза функционируют нормально.
Следует отметить, что для случаев торможения самолетов на сухой ВПП и даже при прерванном взлете, когда реверс тяги применяется до конца торможения самолета, реверсирование тяги является только вспомогательным средством торможения.
Для определения величины реверсовооруженности самолета примем два расчетных случая: посадку самолета на скользкую или обледенелую ВПП; посадку самолета в штатных условиях;
Для первого расчетного случая принимается случай торможения самолета именно на скользкой и обледенелой ВПП, когда от применения реверса тяги напрямую зависит безопасность пассажиров и самого самолета. Эти условия посадки должны определять величину ревер-совооружения самолета и количество применяемых реверсивных устройств. Однако в силу малой величины случаев таких посадок, это должен быть особый, чрезвычайный режим работы реверса, при котором двигатель может работать на повышенных режимах, вплоть до взлетного, до полной остановки самолета.
Для штатных случаев посадок самолета, составляющих основную, подавляющую часть посадок, очевидно, следует применять иные, значительно меньшие, режимы работы реверсированного двигателя. Для штатных посадок самолета пониженный режим работы реверсированного двигателя, очевидно, должен быть также штатным, то есть основным. Возможность снижения величины обратной тяги в подавляющем большинстве количестве посадок самолетов позволяет снизить теплонапряженность двигателя, снизить его вес, увеличить его ресурс, уменьшить расход топлива и, наконец, снизить шум от работающего двигателя.
Выбор величины реверса именно для случаев штатных посадок самолета вызывает определенную трудность.
На выбор величины обратной тяги накладывается ограничение по скорости пробега самолета, на которой необходимо выключать реверс тяги, чтобы избежать попадания реверсивных струй на вход в двигатель. На большинстве отечественных самолетов скорость пробега самолета, на которой реверс тяги выключается, чтобы избежать попадания реверсивных струй и посторонних предметов в двигатель, по необъяснимым причинам, принята единой и равна Ус=120...110 км/ч.
Однако, экспериментальные исследования показали, что реверсивные струи на самолете Ту-154Б попадают на вход в двигатели уже на скорости пробега Ус=165 км/ч, а на самолете Ту-154М - на скорости пробега Ус=190 км/ч.
Заброс реверсивных струй приводит к повышению температуры воздуха, втекающего в двигатель. Так, на самолете Ту-154М "подогрев" воздуха на входе в воздухозаборник может достигать до At=60°C [2], на самолете Ил-96 - до At=25°C.
Повышение температуры воздушного потока, втекающего в двигатель, приводит к снижению величины реализуемой обратной тяги. При проведении натурных исследований на самолете Ту-154М была получена зависимость значений скоростей пробега самолета, на которых отмечается начало попадания в двигатель горячих газов, от величины настройки максимальной обратной тяги (Яобр max). На рис.1 показано, что при попадании горячих газов в двигатель происходит падение величины обратной тяги (R обр), причем, чем больше настройка величины обратной тяги R обр, тем больше отмечается ее падение при попадании в зону заброса горячих газов [3].
Графически качественно эффективность реверса тяги можно оценить по площади, находящейся под кривой R обр. Площадь ограничивается моментом включения реверса тяги и моментом его выключения на скорости пробега, равной Ус=120 км/ч. Из рис. 1 видно, что настройка величины R обр max = 38000н совсем неоднозначно должна приводить к большей эффективности работы реверса, чем при настройке обратной тяги на величину, например, R обр max = 30000н.
R обр
Vc
Рис. 1. Выбор оптимальной величины R обр на самолете Ту-154
Экспериментально это было проверено в натурных исследованиях на самолете Ту-154М [4]. Эффективность работы реверса оценивалась по изменению длины пробега при различных первоначальных настройках величины обратной тяги (Яобр max). Результаты исследований показали, что при уменьшении настройки величины обратной тяги R обр max со значения R обр max = 38 000 Н до величины R обр max = 27 000 Н длина пробега не только не увеличивается, но даже и уменьшается (рис. 2). Причем, наименьшая длина пробега самолета была получена при величине обратной тяги, равной R обр max = 32000 Н.
При R обр max=27 000 Н длина пробега соответствовала длине пробега при настройке реверса на величину R обр max = 38 000 Н.
Эффективность работы реверса при величине обратной тяги, равной как R обр max = 38 000
Н, так и R обр max = 27 000 Н, как видно из рис. 2, равны.
Таким образом, натурные исследования показали, что для случаев посадок самолета Ту-154М в штатных ситуациях величина реверса тяги двигателей Д-30КУ-154 была выбрана завышенной. По результатам исследований величина обратной тяги на самолете Ту-154М была скорректирована и уменьшена до R обр max =34 000 Н.
Рассмотрим теперь возможность оптимизации величины обратной тяги двигателя ПС-90А на самолете Ту-204.
Следует отметить, что на самолете Ту-154М исследования по возможности оптимизации величины обратной тяги проводились при условии штатного применения реверса тяги, при которой реверс тяги применялся до скорости пробега Ус = 120 км/ч, когда отмечалось попадание горячих реверсивных струй в двигатель, и, вследствие этого, снижение величины реализуемой обратной тяги. На двигателе ПС-90А в условиях компоновки самолета Ту- 204 выключение реверса тяги происходит на скорости пробега Ус = 120 км/ч, несколько раньше, чем происходит заброс реверсивных струй в двигатель, что обеспечивает защищенность двигателей от попадания посторонних предметов.
L, м
Рис. 2. Влияние величины обратной тяги на длину пробега самолета Ту-154
Под оптимальным режимом обратной тяги двигателей будем понимать такую величину тяги реверса, при которой наблюдается минимизация каких-либо параметров, характеризующих работу двигателя или самолета. Таким параметром может быть, к примеру, режим работы двигателя и длина пробега самолета.
Оптимизация величины обратной тяги проводится при обязательном условии, что реверс тяги применяют до скорости пробега, на которой отмечается начало попадания реверсивных струй. При достижении расчетной скорости пробега реверс тяги не выключают, а переводят на режим минимальной обратной тяги так называемый малый реверс, на котором реверс тяги находится в положении "реверс", а режим работы двигателя соответствует режиму "малого газа".
Выбор оптимальной величины обратной тяги двигателя ПС-90А проводился расчетным методом, при этом для каждой выбранной величины обратной тяги реверса определялась скорость пробега, на которой происходил заброс реверсивных струй. Таким образом, исследовался широкий спектр величин обратной тяги, от R обр max = 38 000 Н до R обр max = R обр мг.
Снижение величины максимальной обратной тяги позволяет применять реверс тяги в большем диапазоне скоростей пробега, так как граница попадания реверсивных струй также смещается в сторону меньших значений скоростей пробега. Результаты расчетов показали, что значительное снижение величины обратной тяги двигателя ПС-90А на самолете Ту-204 (с Rобр max=36000H до значения Rобр max =24000 Н) не приводит к увеличению длины пробега самолета даже в самом критическом случае посадки на скользкую ВПП без применения колесных тормозов (рис. 3).
Ц (м)
Р кгс
Рис. 3. Длина пробега самолета Ту-204 при различных методиках применения реверса тяги (без применения колесных тормозов)
Вышеизложенное позволяет сделать следующие выводы:
до настоящего времени отсутствует четкая концепция выбора реверсовооруженности самолета;
расчетными условиями для определения реверсовооруженности самолета должны приниматься два случая:
посадка на скользкую и обледенелую ВПП, когда реверс тяги становится единственным средством торможения; посадка самолета в штатных условиях для случаев посадок на скользкую и обледенелую ВПП должен применяться особый, чрезвычайный режим работы реверса, при котором двигатель может работать на повышенных режимах, вплоть до взлетного, до полной остановки самолета;
для штатных случаев посадок самолета должен применяться штатный, пониженный режим работы реверсированного двигателя. Снижение величины обратной тяги позволит снизить теп-лонапряженность двигателя, его вес, увеличить его ресурс и уменьшить расход топлива и снизить шум от работающего двигателя;
для штатных случаев посадок должна применяться методика применения реверса, при которой расчетную оптимальную величину реверса тяги применяют до скорости пробега, на которой отмечается начало попадания реверсивных струй. При достижении расчетной скорости пробега реверс тяги не выключают, а переводят на режим минимальной обратной тяги так называемый малый реверс, на котором реверс тяги находится в положении "реверс", а режим работы двигателя соответствует режиму "малого газа". Режим работы "малый реверс", используют до полной остановки самолета;
оптимизация реверса тяги в составе самолета, в первом приближении, может проводиться численными методами с обязательным уточнением полученных результатов в натурных исследованиях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гилерсон А.Г. Эффективность реверсивных устройств при торможении самолетов. -М. : Машиностроение, 1995.
2. Комов А.А., Голубев С.А. Результаты летных испытаний самолета Ту-154М №85317 по оценке ступенчатого управления реверсом тяги двигателей Д30-КУ-154 в условиях низких температур наружного воздуха / Научно-технический отчет № 736-86-111, ЛИИ, 1986.
3. Комов А.А., Евдокимов А.Б. По результатам летных испытаний самолета Ту-154 №85055 по оценке влияния на посадочные характеристики изменения методики управления реверсом тяги двигателей НК-8-2У / Научно-технический отчет № 1136-82-111, ЛИИ, 1982.
4. Комов А.А., Столяров Ю.Е., Космачев В.Н., Наумова Э.И., Жалыбина Т.В. По результатам летных испытаний самолета ТУ-154М по выбору оптимального режима обратной тяги двигателей Д30-КУ-154 / Научно-технический отчет № 87-58, ЖЛИИ и ДБ, 1987.
EFFICIENCY OF APPLICATION OF RECESSIVE DEVICES
Komov A.A.
The problems of optimal choice of the value of reverse engine’s trust in an airplane development were considered.
Сведения об авторе
Комов Алексей Алексеевич, 1950 г.р., окончил МАИ (1976), кандидат технических наук, главный специалист Научного Центра исследований авиадвигателей и силовых установок ВС ГосНИИ ГА, автор более 60 научных работ, область научных интересов - защита авиационных двигателей от посторонних предметов.
