CC BY
165
УДК 621.313.322 ББК 31.261 С 56
Кашин Я.М.
Кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой электротехники и электрических машин Кубанского государственного технологического университета, Краснодар, e-mail: [email protected]
Князев А.С.
Инженер группы обслуживания авиационной эскадрильи, Липецк, e-mail: [email protected]
Кашин А.Я.
Помощник командира корабля (на самолетах АН-26), Знаменск, e-mail: [email protected] Бац В.А.
Курсант Краснодарского высшего военного авиационного училища летчиков, Краснодар, e-mail: [email protected]
Современное состояние аварийных авиационных турбин
и их классификация
(Рецензирована)
Аннотация. Рассматривается вопрос использования аварийных авиационных турбин на воздушных судах разных стран. Анализируются конструкции и назначение существующих турбин, приводится их классификация.
Ключевые слова: аварийная авиационная турбина, воздушная турбина, ветрянка, ветродвигатель, вет-рогенератор, ram air turbine, RAT, ELRAT, HYRAT.
Kashin Ya.M.
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Electrical Engineering and Electrical Machines, Kuban State University of Technology, Krasnodar, e-mail: [email protected]
Knyazev A.S.
Engineer of Group of Aviation Squadron Service, Lipetsk, e-mail: [email protected]
Kashin A.Ya.
Copilot (in the Antonov An-26 airplanes), Znamensk, e-mail: [email protected] Bats V.A.
Cadet Krasnodar Higher Military Aviation Pilot School, Krasnodar, e-mail: [email protected]
Current state of emergency aviation turbines and their classification
Abstract. The paper deals with the use of emergency aviation turbines in aircrafts of the different countries. Designs and purpose of the existing turbines are analyzed, and their classification is given.
Keywords: emergency aviation turbine, air turbine, wind motor, wind turbine, wind generator, ram air turbine, RAT, ELRAT, HYRAT.
Аварийная авиационная турбина (ААТ) (англ. «ram air turbine» - RAT) представляет собой небольшой пропеллер с электрическим генератором и/или гидравлическим насосом, предназначенный для аварийного электропитания самолетов и/или поддержания давления в гидравлической системе бустерного управления [1]. Аварийные авиационные турбины - достаточно простые и эффективные устройства для получения энергии при полете (планировании) ВС. Аварийных авиационных турбин нет на турбовинтовых самолетах и вертолетах. Чтобы понять, как устроены эти турбины и насколько они распространены, рассмотрим несколько примеров.
Термин «аварийная авиационная турбина» сформировался не сразу. В СССР и в России подобные устройства называли «ветрянками» и «ветродвигателями». В отечественной авиации ветродвигатель впервые был установлен в 1912 году на самолете «Илья Муромец» (рис. 1). Генераторы переменного тока (1000 Гц, 2 кВА) с приводом от «ветрянки» питали лампы накаливания для освещения приборов внутри кабины, сигнальные огни на концах плоскостей для опознавания самолета, фары для освещения взлетно-посадочной полосы, а также электрические бомбодержатели и радиостанцию [2].
Генераторы с приводом от ветрянки в качестве основных источников электроэнергии
применялись на разных самолетах вплоть до 1926 г., после чего от ветрянок стали переходить на привод от авиадвигателя [3].
Рис. 1. Бомбардировщик «Илья Муромец»
Другим примером является дальний сверхзвуковой бомбардировщик Ту-22 (СССР, 1958 г.) (рис. 2). На данном самолете установлены два ветродвигателя с гидротурбонасосом АТН-15, который создает давление в гидросистеме для аварийного выпуска шасси и работы руля высоты (цельноповоротного стабилизатора), электрогенераторов на этих турбинах нет. Каждая воздушная турбина имеет корпус, выполняющий функции концентратора воздушного потока, и рамы для крепления аварийного турбонасоса [1].
Рис. 2. Аварийная воздушная турбина на ТУ-22
На учебно-тренировочном самолете Л-39 (СССР, 1968 г.) (рис. 3) установлена ААТ, которая содержит ветродвигатель, электрогенератор и корпус, выполняющий одновременно функции концентратора воздушного потока, и рамы для крепления электрогенератора с ветродвигателем. Электрогенератор представляет собой щеточный генератор постоянного тока типа ЛУН 2117.02 мощностью 3 кВт [4].
Рис. 3. Воздушная турбина с аварийным электрогенератором на Л-39 На самолете Ил-96 (СССР, 1988 г.) установлена аварийная авиационная турбина, в которой ветродвигатель является приводом гидронасоса, создающим давление в гидросистеме самолета [5]. В качестве аварийного источника электроснабжения ААТ на Ил-96 (рис. 4) не используется [6].
Рис. 4. Ветродвигатель с гидронасосом на Ил-96
На самолете Ту-204 (СССР, 1989 г.) установлена аварийная авиационная турбина, в которой ветродвигатель является приводом турбонасосной установки, являющейся аварийным источником гидравлической мощности [7]. В качестве аварийного источника электроснабжения ААТ на на Ту-204 (рис. 5) также не используется [8].
Еще одним отечественным ВС с ААТ является ближнемагистральный пассажирский самолет Sukhoi SuperJet-100 (Россия, 2007 г.) (рис. 6).
Рис. 6. Воздушная турбина с аварийным электрогенератором на самолете Sukhoi SuperJet-100
Аварийная авиационная турбина (рис. 6) состоит из двухлопастной турбины диаметром 24 дюйма (61 см) и генератора на общем валу. Турбина имеет механизм изменения угла установки лопастей для получения постоянной скорости вращения. В выпущенном состоянии во всем диапазоне режимов полета самолета генератор выдает трехфазное электропитание напряжением 115/200 В и частотой 400 Гц. Номинальная мощность аварийного генератора равна 15 кВА при скорости полета в диапазоне от 215 км/ч до 230 км/ч. ААТ оснащена бесщеточным шестиполюсным генератором с воздушным охлаждением [9]. Несмотря на то, что самолет выпускается в России, на нем используется зарубежная ААТ (продукция компании Hamilton Sundstrand, США), поэтому ее нельзя считать отечественной разработкой.
Некоторые зарубежные ВС также оснащены ААТ. Известно, что генератор с приводом от воздушной турбины устанавливался на одном из первых реактивных самолетов Мессершмит «Комета» Me-163 (Германия, 1941 г.) (рис. 7).
Рис. 5. Ветродвигатель с гидронасосом на Ту-204
Рис. 7. Реактивный самолет Мессершмит Me-163
В носовой части обтекателя устанавливлен двухлопастной винт, который размещен на валу генератора. Ветрогенератор на Me-163, как и на самолете «Илья Муромец», используется как основной, а не как аварийный источник электропитания, и не убирается под фюзеляж [10].
Другим зарубежным примером ВС, оснащенным ААТ, является палубный истребитель DH-110 Sea Vixen (Англия, 1951 г.). ААТ на нем размещается в центральной части планера между двигателями (рис. 8).
Рис. 8. Воздушная турбина на самолете DH.110 Sea Vixen (Англия)
Ветротурбина приводит во вращение гидронасос, который при отказе обоих двигателей поддерживает работу элеронов и руля высоты. Отличительной особенностью данной конструкции является то, что турбина выдвигается не вниз и не вбок, как на большинстве ВС, оснащенных подобными устройствами, а вверх (при помощи пружины), что объясняется палубным базированием этого самолета [11].
Еще одним самолетом с аварийной авиационной турбиной является дальнемагистральный авиалайнер Vickers VC10 (Англия, 1962 г.) (рис. 9). Этот самолет оснащался сразу двумя ААТ - одна с электрогенератором, вторая - с гидронасосом. В этом отношении данный самолет является уникальным, так как обычно ВС оснащаются не больше, чем одной аварийной авиационной турбиной.
Рис. 9. Дальнемагистральный авиалайнер Vickers VC10 (Англия)
Необходимо заметить, что в Англии для турбин разного назначения используют соответствующие названия - турбины с электрогенератором называют ELRAT (ELectric Ram
Air Turbine - электрическая аварийная авиационная турбина), а турбины с гидронасосом -HYRAT (HYdraulic Ram Air Turbine - гидравлическая аварийная авиационная турбина) [12]. Подобная терминология в авиации других стран не упоминаеся, хотя фактически разделение аварийных воздушных турбин по назначению также существует.
Еще одним примером является реактивный истребитель-бомбардировщик F-105 Thunderchief (рис. 10) (США, 1955 г.).
Рис. 10. Воздушная турбина с электрогенератором на истребителе-бомбардировщике F-105 Thunderchief (США)
Эта ветротурбина вращает вал гидронасоса, который обеспечивает работоспособность элеронов и руля высоты при отказе двигателей. Электроэнергия с помощью этой ААТ не вырабатывается [13].
Еще одним примером является шведский сверхзвуковой истребитель Saab J35 Draken (Швеция, 1960 г.) (рис. 11).
Рис. 11. Воздушная турбина с аварийным электрогенератором на самолете Saab 35FS Draken (Швеция)
Ветротурбина этого самолета вращает вал гидронасоса, резервируя гидросистему. Электроэнергия с помощью этой ААТ не вырабатывается [14].
К современным образцам зарубежных ВС, оборудованных ААТ, относятся пассажирские самолеты Boeing 767 (США, 1981 г.) (рис. 12), Airbus A320 (США, 1987 г.) (рис. 13) и некоторые другие [15, 16].
Рис. 12. Аварийная воздушная турбина на Boeing 767
Рис. 13. Аварийная воздушная турбина на Airbus A320
Аварийные воздушные турбины, представленные на рисунках 12 и 13, являются источником механической энергии для гидравлического насоса (рис. 14) [17].
Рис. 14. Конструкция воздушной турбины с гидронасосом
Аварийный электрогенератор при этом приводится во вращение под давлением в жидкости, нагнетаемой гидронасосом. Таким образом, одним устройством решаются сразу две задачи - резервирование системы электроснабжения и гидравлической системы. На Airbus A320 мощность аварийного генератора составляет 5 кВА при диаметре винта аварийной авиационной турбины 1 м, на Boeing 767 - 10 кВА при диаметре винта аварийной авиационной турбины 1,2 м [18].
К недостаткам такой конструкции относятся большие масса и габариты, поэтому такие воздушные турбины пригодны для установки только на ВС, обладающих соответствующими габаритами и грузоподъемностью.
Необходимо отдельно отметить самолет Boeing 777, так как в нем на аварийную авиационную турбину одновременно возложены две функции - резервирования системы электроснабжения и гидросистемы, как и в британском VC-10, но в отличие от него на Boeing 777 эти функции выполняют не две, а всего одна ААТ. Электрогенератор и гидронасос установлены на одном валу с ветродвигателем (рис. 15) [19].
Рис. 15. Аварийная авиационная турбина на Boeing 777
В США аварийные авиационные турбины установлены на ВС гражданского и военного назначения, а также на частных ВС (бизнес-авиация), их многообразие представлено на рисунке 16 [20].
Рис. 16. Аварийные авиационные турбины зарубежного производства Разработкой ААТ для ВС в США после второй мировой войны занимались непрерывно
(рис. 17).
Commercial Military « Business Ram Air Turbine4
► 1945 50 55 60 es 70 75 80 85 90 95 2000 ZOOS. .
Рис. 17. Многообразие ВС с аварийной авиационной турбиной (США)
Можно утверждать, что опыт США по проектированию и созданию ААТ является самым богатым на сегодняшний день, хотя это вовсе не уменьшает отечественных достижений в этой области.
Если говорить о проектировании ААТ, то на советских и российских ВС эти турбины разрабатывались под конкретные ВС, при этом учитывался опыт предыдущих разработок. В США проектирование ААТ носит системный характер, поэтому на сегодняшний день существуют образцы с диаметром винта от 13 до 40 и более дюймов (рис. 18) [20].
от 13 дюймов до 40 дюймов
(33 см) (100 см)
Рис. 18. Многобразие ААТ для ВС (США)
ААТ могут использоваться для выработки энергии не только для ВС, но и для подвесных контейнеров на ВС, авиационных комплексов вооружения (рис. 19) [20].
Рис. 19. Авиационная ракета с ААТ
В настоящее время активно развивается беспилотная авиация. Для небольших ВС в силу их малой грузоподъемности ААТ не могут применяться. Однако ААТ могут быть установлены на средних и тяжелых (например, ударных) беспилотных летательных аппартах.
Не все ВС, использующие энергию набегающего потока воздуха, имеют ААТ в виде отдельного агрегата. Например, на Ту-154 ААТ нет, а в случае отказа двигателей вращение генераторов и насосов гидросистемы осуществляется за счет авторотации (под действием набегающего потока воздуха) ротора компрессора низкого давления в двигателях [1]. Поэтому отсутсвие ААТ на борту еще не говорит о том, что ее функции не могут быть возложены на другие агрегаты. В каждом конкретном случае необходимо грамотно подходить к оценке поставленной задачи, выбирая наиболее эффективные и наименее затратные пути и способы ее решения.
Обобщая вышеперечисленные примеры, все аварийные авиационные турбины можно классифицировать:
1. По виду преобразования энергии (рис. 20):
- электромеханические;
- гидромеханические;
- электро-гидромеханические;
2. По назначению (рис. 20):
- для резервирования системы электроснабжения;
- для резервирования гидравлическои системы;
3. По типу подключения источника энергии к системам ВС:
- основнои;
- аварииныи.
Аварийные авиационные турбины
электромеханические электро-гидромеханичеекие гидромеханические
Рис. 20. Классификация аварийных авиационных турбин
Электромеханические ААТ преобразуют энергию вращения воздушного винта в электрическую энергию переменного или постоянного тока. Такие ААТ резервируют систему электроснабжения напрямую и через электронасос могут резервировать гидравлическую систему. В качестве примера электромеханических ААТ можно привести турбины на самолетах Л-39, Sukhoi SuperJet-100, Embraer ERJ-100, Bombardier CRJ-100, Vickers VC10 (электрическая турбина «ELRAT»).
Гидромеханические ААТ преобразуют энергию вращения воздушного винта в гидравлическую энергию. Такие ААТ резервируют гидравлическую систему напрямую, а также могут резервировать систему электроснабжения путем вращения вала аварийного генератора через гидропривод. На практике известны примеры и тех, и других ААТ. В качестве примера можно привести ААТ на Ту-22, Ил-96, Airbus A320, Boeing 767, Vickers VC 10 (гидравлическая турбина «HYRAT»).
Электро-гидромеханические ААТ преобразуют энергию вращения воздушного винта одновременно в гидравлическую и в электрическую энергию переменного или постоянного тока. Такие ААТ наиболее сложны по конструкции и имеют наибольший диаметр воздушного винта, однако позволяют напрямую, без дополнительных преобразователей, резервировать электрическую и гидравлическую системы ВС. В качестве примера можно привести ААТ на Boeing 777.
Для получения электрической энергии можно использовать:
- электромеханические и электро-гидромеханические ААТ (напрямую от электрогенератора), в качестве примера можно привести турбины на самолетах Л-39, Sukhoi SuperJet-100, Vickers VC10 (электрическая турбина «ELRAT»), Boeing 777 (электрогенератор «RAT Generator»);
- гидромеханические (через гидропривод), в качестве примера можно привести Airbus A320, Boeing 767.
Для получения гидравлической энергии можно использовать:
- гидромеханические и электро-гидромеханические (напрямую от гидронасоса), в качестве примера можно привести Ту-22, Airbus A320, Vickers VC10 (гидравлическая турбина «HYRAT»), Boeing 767, Boeing 777 (гидронасос «RAT Pump»);
- электромеханические (через электронасос) (на практике такое техническое решение не применяется).
В качестве основных источников электроснабжения аварийные авиационные турбины в настоящее время не используются. В России, согласно ГОСТ Р 54073-2010 «Системы электроснабжения самолетов и вертолетов. Общие требования и нормы качества электроэнергии», генераторы с приводом от турбины, выпускаемой в поток встречного воздуха, могут использоваться для выработки аварийной энергии. Однако в качестве основных источников электроэнергии подобные устройства могут применяться на небольших моделях ВС, беспилотных летательных аппаратах и в других случаях, где необходима электроэнергия без необходимости подключения к основным системам и агрегатам ВС.
Учитывая, что со времени выпуска некоторых из вышеописанных аварийных авиационных турбин появились новые материалы, с использоавнием которых возможно создать ААТ с более высокими массогабаритными и энергетическими показателями, использование вышеупомянутых конструкций на современных ВС в неизменном виде нецелесообразно.
Из существующих ААТ наибольший интерес представляют собой новейшие образцы, так как они воплощают в себе передовые разработки и построены с использованием современных материалов. Самые современные воздушные турбины представлены только зарубежными образцами, так как в России подобные устройства в настоящее время не выпускаются.
Современные ААТ, в частности, устанавливаемые на некоторых моделях Boeing и Airbus, а также на Ил-96, Ту-204, имеют, по сути, одинаковую конструкцию, которая содержит двухлопастную турбину пропеллерного типа, бесщеточный синхронный генератор переменного тока цилиндрического (радиального) исполнения и/или гидронасос. Такие ААТ обладают высокой надежностью, автономностью, более высокими массогабаритными показателями (например, увеличение числа лопастей воздушного винта приведет к значительному увеличению габаритных размеров ААТ в убранном положении). Именно такая конструкция ААТ может быть взята за основу для дальнейшего развития подобных устройств и расширения области их применения на всем разнообразии ВС, так как применение ААТ существенно повышает безопасность полета и гарантирует продолжительную работу жизненно важных систем ВС вплоть до момента приземления.
Примечания:
1. Аварийная авиационная турбина. URL: Шр8://ги.-тк1реШа.о^М1к1/Аварийная_авиационна я_турбина (Дата обращения: 13.02.2017 г.)
2. Барвинский А.П., Козлова Ф.Г. Электрооборудование самолетов: учеб. для сред. спец. учеб. заведений. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1990. 320 с.
3. Общие сведения об электрооборудовании самолетов. URL: http://www.studfiles.rU/preview/2584158/ (Дата обращения: 13.02.2017 г.)
4. Самолет Л-39. Ч. 2. Авиационное и радиоэлектронное оборудование самолета. М.: Военное изд-во, 1990. С. 6-7.
5. Руководство по летной эксплуатации самолета Ил-96-300. Кн. 2, ч. 1. Изд-во Авиационный комплекс Ильюшина, 1992. 617 с.
6. Руководство по технической эксплуатации самолета Ил-96-300. Кн. II. Изд-во Авиационный комплекс Ильюшина, 1992. 394 с.
7. Лачинов О.Л. Конструкция и летная эксплуатация ВС Ту-204: конспект лекций. Ульяновск: Изд-во УВАУ ГА, 1999. 101 с.
8. Коптев А.Н. Авиационное и радиоэлектронное оборудование воздушных судов гражданской авиации: учеб. пособ.: в 3 кн. Кн. 1. Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2011. 244 с.
References:
1. Emergency aviation turbine. URL:: https://ru.wikipedia.org/wiki/Аварнннаa_авнацнонна a_Typ6HHa (Reference date: 13/02/2017)
2. Barvinsky A.P., Kozlova F.G. Aircraft Electric: a textbook for secondary special schools. 2nd ed., revised and enlarged. M.: Transport, 1990. 320 pp.
3. General information about electrical aircraft. URL: http://www.studfiles.ru/preview/2584158/ (Reference date: 13/02/2017).
4. L-39 aircraft. Pt. 2. Aircraft and aircraft avionics. M.: Military Publishing House. 1990. P. 6-7.
5. Manual flight operations of aircraft IL-96-300. Bk. 2, Pt. 1 // Publishing Ilyushin Aviation Complex, 1992. 617 pp.
6. Guidelines for the technical operation of the aircraft IL-96-300. Bk. II. Publishing Ilyushin Aviation Complex, 1992. 394 pp.
7. Lachinov O.L. The design and flight operation of the aircraft Tu-204: lecture notes. Ulyanovsk: UVAU GA Publishing House, 1999. 101 pp.
8. Koptev A.N. Aircraft avionics and civil aircraft. a manual: in 3 books. Bk. 2. Samara: Publishing House of Samara State Aerospace University, 2011. 244 pp.
9. Суперджет (SSJ-100): Ветрогенератор. URL: http://superjet100.info/wiki:rat (Дата обращения: 13.02.2017 г.)
10. Me-163 Komet. URL: http://www.airwar.ru/enc/iWw2/me 163.html (Дата обращения: 13.02.2017 г.)
11. DH.110 Sea Vixen. URL: https://www.flightglobal.com/FlightPDFArchive/195 8/1958-1-%20-%200307.PDF (Дата обращения: 13.02.2017 г.)
12. VC10: Incidents and Accidents. URL: http://www.vc 10.net/History/incidents_and_accident s.html (Дата обращения: 13.02.2017 г.)
13. Informationen zur Technik der deutschen F-104 Versionen. URL:
http://www.rolfferch.de/F104G/html/technik.html (Дата обращения: 13.02.2017 г.)
14. Saab J35 Draken // Aerofax. Arlington, 1987. 51 pp.
15. Airbus A318, A319, A320 & A321 Overview. URL: http://www.eaton.com/ecm/groups/public/%40pub/% 40eaton/%40aero/documents/content/ct_194196.pdf (Дата обращения: 13.02.2017 г.)
16. Boeing 767 Systems Summary. Hydraulics. URL: http ://www.smartcockpit.com/docs/Boeing_767-300-Hydraulics (Дата обращения: 13.02.2017 г.)
17. RATs add safety to aircraft. URL: http://hydraulicspneumatics.com/200/TechZone/Hyd raulicPumpsM/Article/False/88284/TechZone-HydraulicPumpsM (Дата обращения: 13.02.2017 г.)
18. Hydraulic Electrical Generating Systems. URL: http://www.eaton.com/ecm/groups/public/%40pub/% 40eaton/%40aero/documents/content/ct_237987.pdf (Дата обращения: 13.02.2017 г.)
19. Boeing 777 System Overview. URL: http://www.eaton.com/ecm/groups/public/%40pub/% 40eaton/%40aero/documents/content/ct_194202.pdf (Дата обращения: 13.02.2017 г.)
20. Emergency Airplane RATs. URL: http://www.ieee.rackoneup.net/rrvs/06/Emergency% 20RATs%20Presentation.pdf (Дата обращения: 13.02.2017 г.)
9. Superjet (SSJ-100): Wind Generator. URL: http://superjet100.info/wiki:rat (Reference date: 13/02/2017)
10. Me-163 Komet. URL: http://www.airwar.ru/enc/fww2/me163.html (Reference date: 13/02/2017)
11. DH.110 Sea Vixen. URL: https://www.flightglobal.com/FlightPDFArchive/195 8/1958-1-%20-%200307.PDF (Reference date: 13/02/2017)
12. VC10: Incidents and Accidents. URL: http://www.vc10.net/History/incidents_and_accident s.html (Reference date: 13/02/2017)
13. Informationen zur Technik der deutschen F-104 Versionen. URL:
http://www.rolfferch.de/F104G/html/technik.html (Reference date: 13/02/2017)
14. Saab J35 Draken // Aerofax. Arlington. 1987. 51 pp.
15. Airbus A318, A319, A320 & A321 Overview. URL: http://www.eaton.com/ecm/groups/public/%40pub/% 40eaton/%40aero/documents/content/ct_194196.pdf (Reference date: 13/02/2017)
16. Boeing 767 Systems Summary. Hydraulics. URL: http://www.smartcockpit.com/docs/Boeing_767-300-Hydraulics (Reference date: 13/02/2017)
17. RATs add safety to aircraft. URL: http://hydraulicspneumatics.com/200/TechZone/Hyd raulicPumpsM/Article/False/88284/TechZone-HydraulicPumpsM (Reference date: 13/02/2017)
18. Hydraulic Electrical Generating Systems. URL: http://www.eaton.com/ecm/groups/public/%40pub/% 40eaton/%40aero/documents/content/ct_237987.pdf (Reference date: 13/02/2017)
19. Boeing 777 System Overview. URL: http://www.eaton.com/ecm/groups/public/%40pub/% 40eaton/%40aero/documents/content/ct_194202.pdf (Reference date: 13/02/2017)
20. Emergency Airplane RATs. URL: http://www.ieee.rackoneup.net/rrvs/06/Emergency% 20RATs%20Presentation.pdf (Reference date: 13/02/2017)
