CC BY
80
!55Ы_1992-6502(Рпп^_
2015. Т. 19, № 2 (68).С. 56-62
_155Ы_2225-2789(Оп!те) http://journal.ugatu.ac.ru
УДК 621.45.015
Прогноз основных характеристик ТРДДФсм для перспективных авиационных комплексов
12 3
В. С.Жернаков , И. А.Кривошеев , Д. А. Ахмедзянов ,
4 5 6
А. Е. Кишалов , К. В. Маркина , В. Д. Липатов
1 [email protected],[email protected],[email protected], 4 [email protected],5 [email protected],[email protected]
ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ)
Поступила в редакцию 24 марта 2015 г.
Аннотация. Приведены результаты обзора характеристик ТРДДФ, изготавливаемых в нашей стране и за рубежом с 1960 года и по настоящее время. Выявлены закономерности изменения параметров ТРДДФ в зависимости от года разработки, подобраны аппроксимирующие зависимости, описывающие изменение основных параметров и характеристик ТРДДФ. Приводятся результаты анализа и даются прогнозные значения параметров и характеристик перспективного авиационного двигателя.
Ключевые слова: авиационные двигатели; газотурбинные двигатели; параметры ГТД; прогнозирование значений параметров ГТД; турбореактивный двухконтурный двигатель с форсажной камерой.
ВВЕДЕНИЕ
Современный авиационный двигатель представляет собой весьма сложную техническую систему, оснащенную большим количеством вспомогательных агрегатов, механизмов, приборов и обслуживающих систем. Характерной особенностью авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) является сочетание громадной мощности с весьма низким весом и малыми габаритами.
Основные этапы развития авиационных ГТД характеризуются сменой поколения двигателей, каждое из которых отличается основными параметрами цикла, конструктивными особенностями его узлов, материалами и технологиями из изготовления.
Со сменой поколения двигателя значительно меняются его технические характеристики, влияющие на эффективность работы. На сегодняшний день двигатели, используемые на военных высокоманевренных самолетах как в отечественной авиации (третье и четвертое поколения), так и в зарубежной (четвертое и пятое поколения), в основном являются турбореактивными двухконтурными с общими для обоих контуров форсажными камерами (ТРДДФ).
Отслеживая изменение параметров двигателей в зависимости от года их разработки и поколения, от схемы, типа принципа действия,
конструктивных особенностей, можно обнаружить некие тенденции и закономерности, на основании которых можно спрогнозировать основные параметры перспективных авиационных двигателей.
В данной статье выполнен обзор литературы [1-5], открытых источников и информации, которую предоставляет производитель, с последующим анализом полученных данных.
АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ ДВИГАТЕЛЕЙ РАЗНЫХ ПОКОЛЕНИЙ
Для анализа были выбраны отечественные и зарубежные двигатели, выполненные по схеме ТРДДФ и выпускаемые с 60-х годов. Список проанализированных двигателей приведен в табл.1.
В качестве основных характерных параметров двигателей для анализа выбраны следующие параметры: удельный расход топлива на максимальном и форсированном взлетном режимах, удельный вес, удельная тяга на двух режимах, температура газов перед турбиной, суммарная степень повышения давления в компрессорах [5]. Анализ проводился для этих параметров в обезразмеренной форме.
Результатом анализа характеристик двигателей, приведенных в табл. 1, является выявление основных закономерностей изменения параметров в зависимости от года разработки, по-
зволяющие предсказать характеристики пер- лей, отнесенные к максимуму для каждого по-спективного ТРДДФ [6, 7]. На рис.1-8 пред- казателя, в зависимости от года разработки. ставлены обезразмеренные параметры двигате-
Таблица 1
Список анализируемых двигателей
Название Разработчик Год разработки Назначение
НК-144 НТК им. Кузнецова 1961 Ту-144
НК-22 / НК-23 НТК им. Кузнецова 1969 Ту-22М, Ту-144
НК-144 А НТК им. Кузнецова 1971 Ту-144, Ту-22М
РД-33 (изд.88) ОАО «Климов» 1981 МиГ-29
АЛ-31Ф (изд. 99) НПО «Сатурн» 1986 Су-27, Су-30, Су-37, Су-33
АЛ-41Ф (изд.20) НПО «Сатурн» 1989 МФИ (Е-8)
Р79ФМ-300 (изд. 79ФМ) МКБ «Союз» 1989 Як-41М
Р119-300 (изд. 179) МКБ «Союз» 1990 Т-60С (Су)
Р145-300 (изд. 34) МКБ «Союз» 2001 ПАК ФА (Т-50)
АЛ-41Ф1 НПО «Сатурн» 2008 ПАК ФА (Т-50), Су-35
АЛ-41Ф2 НПО «Сатурн» 2012 ПАК ФА (Т-50)
Spay "Спей" 201 (RB.168-25R) «Rolls-Royce» 1963 «Фантом» 2F-4K и F-4M
TF30-P-1 (JTF10A-20) «Pratt&Whitney» 1964 F-111A
Spay "Спей" R,Sp 25R «Rolls-Royce» 1965 F-4K, F-4M
RB.153-61 «Rolls-Royce»/MAN 1966 Истребитель-бомбардировщик VJ101D
F100-PW-100 «Pratt&Whitney» 1967 F-15, F-16
M.53-02 «Snecma» 1967 «Мираж» 2000
M.53-5 «Snecma» 1967 «Мираж» 2000, «Мираж» 4000
RB.199-34R (Mk.101) «Turbo-Union» 1968 «Торнадо»
КМ.8А VolvoAero 1968 SAAB «Вигген», J-35F, J-35E, J-35XT
F101-GE-100 «GeneralElectric» 1970 B-1A
F101-GE-102 «GeneralElectric» 1970 B-1B
RM.8B VolvoAero 1970 SAAB JA,37 «Вигген»
TF30-P-7 (JTF10A-27D) «Pratt&Whitney» 1970 FВ-111A
TF30-P-9 (JTF10A-36) «Pratt&Whitney» 1973 F-111D
F100-PW-220 «Pratt&Whitney» 1976 F-15, F-16
TF30-P-12 (JTF10A-27A) «Pratt&Whitney» 1976 F-111B
M.53-P2 «Snecma» 1978 «Мираж» 2000, 2000N, 4000
TF30-P-412 (JTF10A-27F) «Pratt&Whitney» 1978 F-14A
PW1120 «Pratt&Whitney» 1980 «Лави», «Нови Авион», «Фантом», IAI, F-4
J79-GE-119 «GeneralElectric» 1981 F-16/79
RB.199-67R «Turbo-Union» 1982 P.110
M.85 VolvoAero 1982 типа F-18
XG-40 «Rolls-Royce» 1982 Eurofighter
RB.199-34R (Mk.103) «Turbo-Union» 1982 «Торнадо»
TF30-P-100 (JTF10A-32C) «Pratt&Whitney» 1982 F-111F, «Лансер»
YF120-GE-100(GE37) «GeneralElectric» 1983 ATF
TF.306 «Snecma» 1984 Истребитель-бомбардировщик
F110-GE-129 «GeneralElectric» 1985 F-15E, F-16C/D
F100-PW-229 «Pratt&Whitney» 1985 F-15, F-16
F404,RM.12 (F404J) «GeneralElectric» 1987 JAS-39 «Грипен»
EJ200 «EurojetTurbo» 1987 Eurofighter
J101/SF( F127-GE-100) «GeneralElectric» 1990 IDF «ЧингКуо»
IPE-92 «Pratt&Whitney» 1991 F-15, F-16
F119-PW-100 (PW5000) «Pratt&Whitney» 1991 F-22
IPE-94 «Pratt&Whitney» 1992 F-15E, F-16C/D
F135 «Pratt&Whitney» 1995 F-35 JSF
M.88-3 «Snecma» 1996 «Рафаль», «Мираж», "Грипен"
JSF119 «Pratt&Whitney» 1997 Самолет КВВП фирм Боинг и Локхид-Мартин
M.88-4 «Snecma» 1997 «Мираж» 2000
F414-GE-400 «GeneralElectric» 1998 F/A-18E/F
Суд.ф. - £
"ТДФ-
уд.ф. тах (1.90
0,80
0,70
0.60
0.50
0.40
д. ♦ ♦ ♦ ♦
♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ г
ж. ♦ ♦
♦ < 1 ► ♦ ♦ •у3 ♦ ♦ ♦ 4 ♦
♦ ♦ Г ♦ ► * ♦
-*■
1955
1965
1975
19В5
1995
Год разработки
Рис. 1. Изменение удельного расхода топлива на форсированном режиме в зависимости от года
разработки
г - —
уд' С,
"УД-
УД- тах 0,90 0.85 0.80 0,75 0.70 0.65 0,60 0.55 0.50
к ж ▼
♦ ♦
♦ ♦ ♦ ♦ ♦ Н
♦ ♦ _♦_
г^к. г:
♦ ♦♦ ♦ ♦ ♦
« ♦ ♦
♦
-
1955
1965
1975
1985
1995
Год разработки
Рис. 2. Изменение удельного расхода топлива на максимальном режиме в зависимости от года
разработки
1Г*
Ж« —
л
К тах 0,80 0.70 0,60 0,50 0,40 0,30 0.20
А и ♦
♦
♦ ♦ V* *
♦ < ► ♦ * ♦ V ж ♦ ♦
♦ ♦ ♦
♦
* ♦ ->
1955 1965 1975 1985 1995 Год разработки
Рис. 3. Изменение суммарной степени повышения давления компрессоров в зависимости от года
разработки
Ti
Рис. 4
Рун Ф- =
1955 1965 1975 1985 1995 Год разработки
Рис. 5. Изменение удельной тяги на форсированном режиме в зависимости от года разработки
* уд- р
уд. тах
0.80 0,70 0.60 0.50 0,40
1955 1965 1975 1985 1995 Год разработки
Рис. 6. Изменение удельной тяги на максимальном режиме в зависимости от года разработки
£ _
Т*
г тах
0,90
D.N5
0.80
0.75
0.70
0.65
к ♦ ♦ ♦♦ ♦♦♦ Т^
## ♦ 4 • • ♦
♦ ♦ * ♦
♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦♦
♦ ♦ ♦
♦ ♦ ♦
♦ -ь»
1955 1965 1975 1985 1995 Год разработки
Изменение температуры газов перед турбиной в зависимости от года разработки
УД-Ф-
уд, ф. тах
0.80
0.70
0.60
0.50
0.40
А. ♦ ♦
♦ i К ,
♦ i .и ♦ АН ♦ * г
♦ ♦ ♦ Ф
♦ ♦ ♦♦ ♦ ♦
->
Уул- Ф —
1 УД. ф. ' уд. ф. тах
0,80
0,70
0,60
0.50
0.40
0.30
♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦♦ ф N. ♦ ГЧ ♦ ♦
♦ ♦ ♦ ♦
♦ X ♦ \
♦ ♦
♦ * ♦ ♦♦♦ ♦ >\ ♦
♦ Лч ♦ ♦ -—^ >
1955
1965
1975
1985
1995
Год разработки
Рис. 7. Изменение удельного веса на форсированном режиме в зависимости от года разработки
Ууд-
Ууд. =
уд. тах
0.80
0.70
0.60
0.50
0.10
0:30
А ♦
♦ < ♦ ♦ *
♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ *
♦ж X
♦ ♦ ♦ ♦
♦ < ♦ ► ♦ ^ Ж ч ♦ А ^^^
♦ ▼ \ ♦ ^ ч ♦ —^->
1955
1965
1975
1985
1995
Год разработки
Рис. 8. Изменение удельного веса на максимальном режиме в зависимости от года разработки
На каждом из графиков построена аппроксимирующая зависимость соответствующих параметров двигателя.
Согласно проведенному исследованию, явно прослеживается корреляция между рассмотренными характеристиками двигателя и годом его разработки. Для каждой из аппроксимирующих зависимостей был вычислен коэффициент корреляции [8]
ЕМХг - У)
(7-7) '
(1)
Чем ближе значение величины коэффициента корреляции к единице, тем более достоверной считается аппроксимация зависимости переменных линейной функцией. От знака коэффициента корреляции зависит угол наклона аппроксимирующей прямой к оси абсцисс (год разработки).
Для каждой из аппроксимирующих зависимостей была оценена максимальная (етах) и средняя (е) относительные погрешности (табл. 2) между действительными и теоретическими значениями
1 П 1 п
где т = — ^ т{ и У = — ^ У{ - средние значения
п г=1 п г=1
выборок года разработки г и параметра двигателя У.
У - Ут
е =
гтеор
У
100%
(2)
гдеУ и Утеор - действительное и теоретическое (полученное с помощью аппроксимирующей зависимости) значения соответствующего параметра двигателя.
ГтУ =
Таблица 2
Аппроксимирующие зависимости и прогнозируемые значения основных параметров ТРДДФ
Аппроксимирующая зависимость Коэффициент корреляции^ Прогнозируемое значение Максимальная относительная погрешность £max, % Средняя погрешность 8 , %
С уд.ф. =-0,0052т +11,004 -0,495 0,163 кг/(Н-ч) 47,75 12,98
С уд. = 0,0031т - 5,4234 0,384 0,0785 кг/(Н-ч) 27,49 10,58
_* як = 0,0093т-17,796 0,622 34 120,2 18,37
Т Г = 0,0052т- 9,3846 0,730 1845К 32,84 8,29
Р уд.ф. = 0,0072т-13,534 0,712 1,377 кН-с/кг 30,32 9,58
Р уд. = 0,0087т-16,461 0,709 0,983 кН-с/кг 58,37 14,90
Гуд. ф. = -0,0111т + 22,672 -0,705 6,760 кг/кН 66,84 16,63
Гуд. =-0,0114т + 23,125 -0,714 5,821 кг/кН 46,74 16,63
Можно считать, что полученные погрешности аппроксимирующих зависимостей етах и е справедливы и для прогнозных значений основных параметров перспективного ТРДДФ.
Значения рассчитанных коэффициентов корреляции, аппроксимирующие зависимости, прогнозные значения параметров (для т = = 2014 г.), средняя и максимальная относительные погрешности приведены в табл. 2.
ВЫВОДЫ
В результате исследования был выполнен обзор параметров отечественных и зарубежных ТРДДФ с их последующим анализом, целью которого являлось установление взаимосвязи между параметрами двигателя и годом его разработки. Выявлены аппроксимирующие зависимости, описывающие изменение основных параметров двигателей в зависимости от года их разработки, представляющие собой линейные зависимости. Для установления достоверности аппроксимации зависимостей при помощи линейной функцией были определены коэффициенты корреляции. Установлено, что зависимость удельного расхода топлива на максимальном и форсированном режимах линейной зависимостью описывается плохо (гтУ = 0,384 и -0,495соответственно), для всех остальных параметров коэффициент корреляции лежит в пределах от 0,622 до 0,730, что позволяет считать полученные зависимости в достаточной степени достоверными.
Погрешность прогнозных значений основных параметров перспективного ТРДДФ косвенно оценивалась величинами максимальной и
средней относительной погрешностей. Средняя относительная погрешность основных параметров перспективного ТРДДФ находится в диапазоне от 8 до 17%, максимальная - от 27 до 120 % (для степени повышения давления компрессоров).
На основании выявленных закономерностей даны прогнозные значения основных параметров перспективного авиационного ТРДДФ: удельный расход топлива на максимальном и форсированном взлетном режимах (Суд. = = 0,0785 кг/(Н-ч) и Суд. ф = 0,163 кг/(Н-ч), соответственно), удельный вес (ууд. = 5,821 кг/кН и Ууд.ф = 6,760 кг/кН), удельная тяга (Руд = = 0,983 кН-с/кг и Руд. ф = 1,377 кН-с/кг), температура газов перед турбиной (Т*Г = 1845К), суммарная степень повышения давления в компрессорах (л* = 34).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Скибин В. А., Солонин В. И. Иностранные авиационные двигатели: справочник ЦИАМ. М.: Авиамир, 2005. 592 с.[[ V. A. Skibin, V. I. Solonin, Foreign aircraft engines: dictionary CIAM, (in Russian). Moscow: Aviamir publ., 2005. ]]
2. Сорокин Л. И. Иностранные авиационные двигатели: справочник ЦИАМ. М: ЦИАМ, 1987. 320 с. [[ L. I. So-rokin, Foreign aircraft engines: dictionary CIAM, (in Russian). Moscow: CIAM publ., 1987. ]]
3. F135 ENGINE [Электронный ресурс]. URL: http://www.pw.utc.com/F135_Engine (дата обращения 15.08.14) [[ (2014, Aug. 15). F135 ENGINE [Online]. Available: http://www.pw.utc.com/F135_Engine ]]
4. General Electric F101 [Электронный ресурс].URL: http://en.wikipedia.org/wiki/General_Electric_F101 (дата обращения 15.08.14) [[ (2014, Aug. 15). GeneralElectric F101 [Online]. Available: http://en.wikipedia.org/wiki/General_Electric_F101 ]]
5. Бакулев В. И., Голубев В. А., Крыло Б. А. и др.
Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. М.: МАИ-САТУРН, 2003. 688 с.[[ V. I. Bakulev, V. A. Golubev, B. A. Krylo, Theory, calculation and designing of aviation engine and energy installations, (in Russian). Moscow: MAI-Saturn publ., 2003. ]]
6. Самигуллин А. А., Кишалов А. Е. Анализ характеристик авиационных ГТД Vпоколения // Молодежный Вестник УГАТУ.2012. №2 (11). С. 47-54.[[ A. A. Samigullin, A. E. Kishalov, "Analysis of characteristics of aviation gas turbine engine of V generation," (in Russian), in Molodeznyj Vestnik UGATU, no. 2, pp. 47-54, 2012. ]]
7. Кишалов А. Е., Ахмедзянов Д. А., Шабель-ник Ю. А., Маркина К. В., Полежаев Н. И. Обзор и анализ параметров потока в основных узлах авиационных двигателей // Молодежный Вестник УГАТУ. 2012. №4 (5).C. 2536. [[ A. E. Kishalov, D. A. Akhemedzaynov, J. A. Shabelnik, K. V. Markina, N. I. Polezhaev, "Review and analysis of parameters of flow in main nodes of aviation engines," (in Russian), in Molodeznyj Vestnik UGATU, no. 4, pp. 25-36, 2012. ]]
8. Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика: учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк.,2003. 479 с. [[ V. E. Gmurman, Probability theory and mathematical statistics, fin Russian/ Moscow: High school publ, 2003.]]
ОБ АВТОРАХ
ЖЕРНАКОВ Владимир Сергеевич, проф., зав. каф. сопротивления материалов. Дипл. инж.-мех. по авиац. двиг. (УАИ, 1967). Д-р техн. наук по тепл. двиг. ЛА (УГАТУ, 1992). Иссл. в обл. мех. деформируемых тел и конструкций. КРИВОШЕЕВ Игорь Александрович, проф. каф. авиац. двиг. Дипл. инж.-мех. (УАИ, 1976). Д-р техн. наук по тепл. двиг. ЛА (СГАУ, 2000). Иссл. в обл. инф. технол. в двигателестроении. АХМЕДЗЯНОВ Дмитрий Альбертович, проф. каф. авиац. двигателей, декан. Дипл. инж. по авиац. двиг. и энерг. установкам (УГАТУ, 1997). Д-р техн. наук по тепл., э/ракетн. двиг. и энергоустановкам ЛА (УГАТУ, 2007). Иссл. в обл. раб. процессов в авиац. ГТД, САПР авиац. ГТД, мат. моделей сл. техн. объектов.
КИШАЛОВ Александр Евгеньевич, доц. каф. авиац. теплотехники и теплоэнергетики. Дипл. инж.-мех. (УГАТУ, 2006). Канд. техн. наук по тепл., э/ракетн. двиг. и энергоустановкам ЛА (УГАТУ, 2010). Иссл. в обл. моделир. сл. техн. объектов.
МАРКИНА Ксения Васильевна, асп. каф. авиац. двиг., мл. науч. сотр. НИЛ САПР-Д. Дипл. инж. по авиац. и рак.-косм. теплотехники (УГАТУ, 2012). Готовит дис. в обл. процессов в проточной части авиац. ГТД с исп. 3D-CAD/CAE-моделир. ЛИПАТОВ Вадим Дмитриевич, студ. каф. авиац. теплотехники и теплоэнергетики.
METADATA
Title: prognosis of primary characteristics of two spool mixed
flow turbofan for perspective aviation complexes. Authors: V. S. Zhernakov, I. A. Krivosheev,
D. A. Akhmedzyanov, A. E. Kishalov, K. V. Markina, V. D. Lipatov.
Affiliation:
Ufa State Aviation Technical University (UGATU), Russia.
Email: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected].
Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU, vol. 19, no. 2 (68), pp. 56-62,2015. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print).
Abstract: The article shows the review results of parameters and characteristics of afterburning turbofans, which have been produced in our country and abroad since 1960. The regularities of changes in the parameters of afterburning turbofans, depending on years of development are disclosed, approximating dependences describing the variation of the basic parameters and characteristics of the afterburning turbofan are chosen. The analysis results and prognosis values of perspective aircraft engine parameters and characteristics are shown.
Keywords: aircraft engines; gas turbine engine;basic parameters of gas turbine engine; prognostication of gas turbine engine parameters; two spool mixed flow turbofan.
About authors:
JERNAKOV, Vladimir Sergeevich, professor, head of the department of strength of materials of USATU. Dipl. engineer-mechanic, specialty aviation engines (UAI, 1967). Dr. sci. tech., specialty heat engines of aircraft (USATU, 1992).Area of research: mechanics of deformable bodies and structures.
KRIVOSHEEV, Igor Aleksandrovich, professor of the department of aviation engines. Dipl. engineer-mechanic (UAI, 1967). Dr. sci. tech., specialty heat engines of aircraft (SSAU, 2000). Area of research: IT in engine building. AKHMEDZYANOV, Dmitriy Albertovich, professor of the department of aviation engines, dean of FAEET. Dipl. engineer, specialty aviation engines and energy installations (USATU, 1997). Dr. sci. tech., specialty heat, electro rocket engines and energy installations of aircraft (USATU, 2007). Area of research: work processes of aviation gas turbine engine, development of mathematical models of complex technical objects, CAD of aviation gas turbine engines.
KISHALOV, Aleksandr Evgenevich, associate professor of department of aviation thermal engineering and thermal power. Dipl. engineer-mechanic (USATU, 2006). Candidate of technical science, specialty heat, electrorocket engines and energy installations of aircraft (USATU, 2010). Area of research: modeling of complex technical objects. MARKINA, Kseniya Vasilevna, postgraduate student of department of aviation engines, junior research of research laboratory CAD-D. Dipl. engineer-mechanic, specialty aviation and rocket-space thermal engineering (USATU, 2012). Area of research: research processes occurring in flowing part of aviation gas turbine engines using 3D-CAD/CAE modeling.
LIPATOV, Vadim Dmitrievich, student of department of aviation thermal engineering and thermal power. Area of research: numerical three-dimensional thermal gas-dynamic modeling of complex technical objects.
