CC BY
73
2005 НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУГА №90(8)
серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники.
Безопасность полетов
УДК 629.62.192:518.5.017
РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ КОМПОНОВКИ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ В СОСТАВЕ ВОЗДУШНОГО СУДНА
НА ВИХРЕВОЕ ТЕЧЕНИЕ
А. А. КОМОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Зубковым Б.В.
Представлены результаты расчетных исследований влияния компоновки двигателя в составе самолета на вихревое течение.
Вихревое течение, возникающее между воздухозаборником и поверхностью аэродрома, является одной из причин заброса посторонних предметов с поверхности ВПП.
Необходимым условием возникновения вихревого жгута является наличие точки торможения в воздушном приземном потоке, стекающемся к воздухозаборнику (рис.1).
Рис. 1. Расположение точки торможения под воздухозаборником
Отрыв точки торможения от поверхности земли приводит к разрушению вихря. Это может происходить, например, при воздействии встречного ветра на вихревое течение. Точка торможения под воздействием ветра начинает смещаться, и при определенной силе ветра она может оторваться от поверхности земли (рис.2).
Рис. 2. Отрыв точки торможения при сильном встречном ветре
Однако наличие вихревого течения под воздухозаборником не всегда приводит к забросу в двигатель посторонних предметов, находящихся на поверхности аэродрома. Для возможности заброса посторонних предметов вихрь должен обладать определенной интенсивностью. Оценкой интенсивности вихревого течения может являться величина горизонтальной составляющей скорости воздушного потока в приземном слое под воздухозаборником - Уг max. По предложенной ЛИИ им. М. М. Громова методике определения интенсивности вихревого течения, все самолеты, с точки зрения вероятности заброса посторонних предметов в двигатель, можно разделить на "вихревые" и "невихревые" [1] (рис. 3).
Vr max,
7 6 5 4 3 2
1
0
0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
H0Th=H/D
Рис. 3. Изменение величины параметра Уг max в зависимости от высоты расположения воздухозаборника
Из рис. 3 следует, что защищенность двигателя обеспечивается, когда величина горизонтальной составляющей скорости воздушного потока в приземном слое под воздухозаборником не превышает значения Угтах=1,5м/с. При этом относительная высота
расположения воздухозаборника должна быть не ниже Н =2. Уменьшение относительной высоты расположения воздухозаборника (Н < 2) приводит к увеличению интенсивности вихревого течения (значения Уг max при этом увеличиваются в квадратичной зависимости), что, в свою очередь, увеличивает и вероятность заброса посторонних предметов с поверхности аэродрома вихревым течением. Таким образом, вывод из анализа рис. 3 вытекает как бы сам собой:
- Для защищенности двигателя необходимо обеспечивать такую компоновку силовой установки на самолете, при которой высота расположения воздухозаборника должна быть заведомо большей, чем Н =2.
м/с
Если обеспечить такую высоту расположения воздухозаборника не удается, то необходимо рассматривать применение специальных средств защиты, таких, например, как струйные системы защиты.
Компоновочная схема размещения силовой установки на самолете, широко применяемая в настоящее время (ИЛ-86, ИЛ-96, ТУ-204), не позволяет избежать возможности появления вихревого течения при работе двигателей в наземных условиях (рис. 3).
Поэтому представляет определенный интерес исследование влияния на структуру втекающего в двигатель воздушного потока изменения высоты расположения воздухозаборника двигателя при значении относительной высоты расположения воздухозаборника меньшей, чем Н =2.
В настоящее время существует несколько программ расчета параметров воздушного потока, втекающего в двигатель. В данной работе использовалась программа расчета параметров воздушного потока и траекторий посторонних предметов, предназначенной для проведения исследований процесса засасывания посторонних предметов в проточную часть двухконтурного двигателя в зависимости от различных конструктивно-компоновочных факторов и внешних условий [2]. Задача расчета течения воздушного потока решается методом дискретных вихрей. Движение воздушной массы, обусловленное работой двигателя, имитируется системой пространственных стоков с суммарной производительностью Ов (кг/с), зависящей от режима работы двигателя.
Расчетные исследования проводились для двигателя ПС-90А. В качестве исходной компоновки была принята компоновка силовой установки на самолете ТУ-204. При штатной высоте размещения двигателя (Н=2 м, Н = 1) можно отметить приземный воздушный поток, направленный с двух сторон к точке торможения, а также воздушный поток, направленный вверх из точки торможения к воздухозаборнику (рис. 4).
ЧЧЧЧЧ\ЧЧЧ\\ ч\ \ \ \ \ \ \ і , \\\\і/^ \ ^ і у -,ччччччч\\\\\\\\ \ ^ ^ ^ ■ / / ^ ^—— ^ у ^ ^
Рис. 4. Поле скоростей воздушного потока у воздухозаборника двигателя ПС-90А
На наличие точки торможения на поверхности земли указывает характер эпюры горизонтальной составляющей приземного слоя воздуха, при котором изменение направления вектора движения горизонтальной составляющей происходит через его нулевое значение (рис. 5).
9.637 Уг
а. 61В
7.583
б.555 5.528 4.501 3.474 2.447 1.419
.392 -I--------------------------------Л—I----------------------- X
-4.536 -3.024 -1.512 .000 1.512 3.024
Зпнра скоростей на плоскости аэродрома
Рис. 5. Эпюра скоростей воздушного потока в приземном слое при работе двигателя ПС-90А
на максимальном режиме работы
При уменьшении высоты расположения воздухозаборника и приближении воздухозаборника поверхности земли интенсивность вихря (Уг max) значительно возрастает (рис. 6), однако, при достижении высоты расположения воздухозаборника, равной Н = 1,55 м, создаются условия, при которых вихреобразование отсутствует [3].
Уг тах, м/с
Н отн
Рис. 6. Влияние относительной высоты расположения воздухозаборника и режима работы двигателя ПС-90А на горизонтальную скорость воздушного приземного слоя
При высоте расположения воздухозаборника двигателя ПС-90А, равной Н=1,55м, происходит, очевидно, непосредственное воздействие двигателя на точку торможения линий тока с ее отрывом от поверхности земли. Назовем высоту расположения воздухозаборника, на которой проявляется воздействие двигателя на положение и отрыв точки торможения, "критической" высотой расположения воздухозаборника.
Представляет также интерес характер влияния режима работы двигателя на значение критической высоты расположения воздухозаборника. Как показывают расчеты, значение "критической" высоты не зависит от режима работы двигателя, а зависит только от диаметра воздухозаборника двигателя (рис. 6).
Поскольку значение "критической" высоты воздухозаборника не зависит от режима работы двигателя, а зависит только от диаметра воздухозаборника двигателя, для предварительной оценки степени защищенности двигателя от заброса посторонних предметов вихревым течением можно предложить следующую методику (рис.7).
Диаметр воздухозаборника Д, (м)
Рис. 7. Области существования вихревого течения
По значениям диаметра воздухозаборника и высоты его расположения над поверхностью земли определяем положение двигателя в компоновке самолета относительно трех возможных областей:
Область слабого вихреобразования;
Область интенсивного вихреобразования;
Область, в которой отсутствует вихреобразование.
По рис. 7 можно наглядно оценить в первом приближении степень защищенности двигателя, а также необходимость и возможность изменения компоновки двигателя на самолете для обеспечения его защищенности от посторонних предметов, забрасываемых вихревым течением. При невозможности размещения воздухозаборника в зоне слабого вихреобразования
(Н > 2) (рис. 3), наиболее безопасной высотой размещения воздухозаборника для обеспечения защищенности двигателя от вихревого течения, следует считать "критическую" высоту расположения воздухозаборника. Размещение воздухозаборника выше "критической" высоты может привести к интенсивному вихреобразованию, размещение воздухозаборника ниже
"критической" высоты приводит к возможности непосредственного засасывания двигателем посторонних предметов с поверхности земли.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кизим В.Я., Комов А.А. Методы экспериментального исследования вихревых течений между воздухозаборниками и поверхностью аэродрома на натурных самолетах // Тр. научнотехнической конференции по защите двигателей от повреждений посторонними предметами, ЛИИ,1978.
2. Плужников В.И, Иванов В.В., Семон Б.И., Горохова Т.Г. Математическое моделирование течения воздушного потока, индуцируемого воздухозаборником при наличии срыва с его острых кромок / Сборник научных трудов ГосНИИ ГА, вып. 298. М., 1991.
3. Комов А.А. Расчетные исследования влияния компоновки силовой установки на самолете на вихревое течение. Научные чтения памяти Н.Е. Жуковского. М., ВАТУ, 2002.
ACCOUNTING STUDIES OF THE INFLUENCE OF THE ARRANGEMENT OF THE POWER INSTALLATION IN COMPOSITIJN AIR SHIP ON SWIRL CURRENT
Komov A.A.
The results of numerical investigations of influence of airplane engine’s assembling onto the rotating flow were introduced.
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 Г осНИИ Г А, автор более 60 научных работ, область научных интересов - защита авиационных двигателей от посторонних предметов.
