CC BY
41
УДК 621.43.018
ВЛИЯНИЕ НОМЕРА СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ВОЗДУШНОГО СУДНА НА ЗАЩИЩЕННОСТЬ ДВИГАТЕЛЕЙ
А.А. КОМОВ, С.П. ЮРИН
В статье рассматриваются причины различной степени защищенности авиационных двигателей от посторонних предметов, забрасываемых колесами шасси, от номера силовой установки воздушного судна.
Ключевые слова: посторонние предметы, защищенность АД.
При эксплуатации воздушных судов (ВС) наблюдаются случаи попадания твердых посторонних предметов (1111) в двигатели, и которые могут повредить детали газовоздушного тракта двигателя. Исследования показали*, что даже после подготовки аэродромов к полетам с помощью средств наземного обслуживания на ВПП и РД остаются ПП в количестве от 25 до 435 штук общей массой от 78 до 946 г. Концентрация "опасных" для газотурбинных двигателей твердых ПП составляет в среднем около 80 "опасных" посторонних предметов на взлетном участке ВПП длиной порядка 500 м.
Рассмотрим статистические данные о повреждениях твердыми посторонними предметами двигателей ПС-90А, установленных на самолетах Ту-204 и Ил-96 [2]. Сравним уровень повреждений рабочих лопаток двигателей, расположенных слева от фюзеляжа (силовая установка № 1) и справа от фюзеляжа (силовая установка № 2).
Очевидно, что твердые посторонние предметы, попавшие на вход в двигатель, более "опасны" для рабочих лопаток компрессора малых размеров, чем для рабочих лопаток больших размеров, к каким можно отнести рабочие лопатки вентилятора. Поэтому условно разделим рабочие лопатки компрессора на две группы. В первую группу - рабочие лопатки вентилятора, вторая - рабочие лопатки подпорных ступеней каскада низкого давления и рабочие лопатки каскада высокого давления, которые обозначим индексом "КВД".
Таблица 1
Повреждения двигателей ПС-90А в составе силовой установки на Ту-204 Повреждения двигателей ПС-90А в составе силовой установки на Ил-96
СУ №1 СУ №2 СУ №1+СУ №2 СУ №3+СУ №4
65% 35% 50% 50%
Вентилятор - 37% Вентилятор - 70%
КВД - 63% КВД- 30%
Из табл. 1 видно, что двигатели ПС-90А, расположенные на самолете Ил-96 как слева от фюзеляжа (СУ №1+СУ №2), так и справа от фюзеляжа (СУ №3+СУ №4), повреждаются посторонними предметами в равной степени.
На самолете Ту-204 уровень повреждений двигателей ПС-90А, расположенных слева от фюзеляжа (СУ №1), значительно выше (65%), чем уровень повреждений двигателей ПС-90А, расположенных справа от фюзеляжа (СУ №2) -35%.
Более того, на самолете Ту-204 лопатки КВД повреждаются значительно чаще (63%), чем лопатки вентилятора - 37%, в отличие от самолета Ил-96, на котором лопатки КВД повреждаются реже - 30%, чем лопатки вентилятора (70%).
* Заключение № 41292/ОАО «Авиадвигатель». - Пермь, 2004.
А ведь это загадка, если вспомнить, что на самолетах Ту-204 и Ил-96 применяется один и тот же тип двигателя - ПС-90А. Чем же можно объяснить столь различный уровень и характер повреждений одного и того же типа двигателя, размещенного на разных типах самолетов? Ведь величина обратной тяги двигателей ПС-90А на самолетах Ту-204 и Ил-96 одна и та же, интенсивность вихревых течений, в связи с установкой двигателей на самолетах на одном и том же расстоянии от поверхности аэродрома, также не отличаются друг от друга.
Разгадка может лежать в различном уровне защищенности двигателей от посторонних предметов, забрасываемых колесами шасси, для самолетов Ту-204 и Ил-96, оцениваемая по величине коэффициента заброса Кк. Величина коэффициента заброса Кк говорит о вероятности заброса посторонних предметов колесами шасси в двигатель, которая зависит от компоновки самолета. Если компоновка самолета Ил-96 позволяет заброс посторонних предметов на вход в двигатели колесами шасси сделать маловероятным (Кк = 0,1 • 10-3), то вероятность заброса посторонних предметов в двигатели, установленные на самолете Ту-204, значительно, на порядок, выше (Кк = 0,1 • 10-3).
Определим параметры соударения твердых посторонних предметов с рабочими лопатками вентилятора двигателей ПС-90А, установленных в СУ №1 и СУ №2 самолета Ту-204. Для этого нужно определить величину таких исходных данных, как скорость и направление движения твердых посторонних предметов в момент соударения с рабочими лопатками (РЛ) вентилятора, а также окружную скорость РЛ вентилятора на определенных режимах работы двигателя.
При осевом движении постороннего предмета вид треугольника скоростей будет иметь один и тот же вид для двигателя, размещенного в СУ №1 и в СУ №2. Но, поскольку посторонние предметы, выбрасываемые колесами передней стойки шасси и попадающие в двигатели, имеют направления движения, отличные от осевого, вид треугольника скоростей движения ПП и РЛ вентилятора двигателя, расположенного в СУ №1, будет отличаться от треугольника скоростей для двигателя, расположенного в СУ №2.
При сравнении треугольников скоростей, построенных для двигателей, расположенных в СУ №1 и СУ №2, видно, что параметры соударения посторонних предметов и РЛ вентилятора двигателя СУ №1 отличаются несколько большими углами соударения и меньшими скоростями соударения, чем для двигателя СУ №2 (рис. 1).
Рис. 1. Вид треугольников скоростей 1111 и РЛ вентилятора СУ №1 и СУ №2
Дальнейшее определение параметров соударения 1111 и РЛ вентилятора будем проводить для двух режимов работы двигателей, соответствующих взлетному режиму (на разбеге самолета при взлете) и режиму "малый газ" (на пробеге самолета).
Параметры движения 1111, выброшенных колесами шасси, определим для скорости перемещения самолета Ту-204 Ус = 90 км/ч (рис. 2).
5— У,ь/
Воздухоз аборшж
—9Т5— V 1
О 1 у X, л-
1 01234567
Рис. 2. Траектории посторонних предметов, выброшенных колесами передней стойки шасси на скорости перемещения самолета Ус = 90 км/ч
Итак, расчет параметров соударения 1111 и РЛ вентилятора двигателей проводится для следующих исходных данных:
- двигатели СУ №1 и СУ №2;
- режимы взлета и посадки самолета;
- соударение с периферийной и корневой частью РЛ вентилятора.
На рис. 3 представлены результаты расчетов параметров соударения 11 и РЛ вентилятора двигателей СУ №1 и СУ №2 на разбеге самолета Ту-204.
На рис. 3 в левой части представлены результаты расчетов параметров соударения 11 и РЛ вентилятора двигателя 1С-90А, установленного в СУ №1. В правой части (рис. 3) показаны результаты расчетов параметров соударения 11 и РЛ вентилятора двигателя 1С-90А, установленного в СУ №2.
В верхней части (рис. 3) представлены параметры соударений 11 с периферийной частью РЛ вентилятора, в нижней части - углы и скорости соударений 11 с корневой частью РЛ вентилятора.
Из рис. 3 видно, что на разбеге самолета Ту-204 посторонние предметы, заброшенные в воздухозаборники двигателей СУ №1 и СУ №2 колесами передней стойки шасси, соударяются с передней кромкой РЛ вентилятора под малыми углами соударения (а = 40.. .90).
Значения скоростей соударения 11 с РЛ вентилятора двигателя СУ №2 значительно выше, чем значения скоростей соударения 11 с РЛ вентилятора двигателя СУ №1. Так, скорости соударения 11 с периферийной частью РЛ вентилятора СУ №2 составляют W = 490.500 м/с, тогда как на двигателе СУ №1 скорости соударения меньше на 100 м/с ^ = 370.400 м/с).
Скорости соударения 11 с корневой частью РЛ вентилятора значительно меньше, чем на периферийной части лопаток.
Рис. 3. Параметры соударения 1111 и РЛ вентилятора двигателей ПС-90А, установленных в СУ №1 и СУ №2, на разбеге самолета Ту-204
Особый интерес представляют параметры соударения 1111 с РЛ вентилятора на пробеге самолета Ту-204. Из рис. 4 видно, что на пробеге самолета происходит не только соударение 1111 с РЛ вентилятора, но возможно и проникновение 1111 через межлопаточное пространство
вентилятора.
Рис. 4. Параметры соударения 1111 и РЛ вентилятора двигателей ПС-90А, установленных в СУ №1 и СУ №2, на пробеге самолета Ту-204
Наибольшую опасность для дальнейшего тракта двигателя представляют твердые посторонние предметы, которые проникают через межлопаточное пространство в корневой части вентилятора и которые могут попасть на лопатки последующих ступеней компрессора двигателя. Следует обратить внимание на значение скоростей соударения 1111 с корневой частью РЛ вентилятора двигателя СУ №1, которые составляют W = 60 м/с. Лри скорости соударения более 100 м/с происходит дробление 11 на более мелкие фракции. На скорости соударения W = 60 м/с дробления 11 не происходит и твердый посторонний предмет, пройдя через ступень вентиля-
тора, может повредить последующие рабочие лопатки компрессора. Как видно на рис. 4, площадь свободного пролета 1111 в межлопаточном пространстве (f) составляет 76% площади всего межлопаточного пространства F (f = 0,76F).
На двигателе СУ №2 можно отметить более высокие значения скорости соударения (W > 100 м/с) 1111 с корневой частью РЛ вентилятора W = 120 м/с и значительно меньшую площадь свободного пролета через межлопаточное пространство (f = 0,1F).
Таким образом, вероятность проникновения 1111 через корневую часть РЛ вентилятора двигателя СУ №2 значительно меньше, чем через корневую часть РЛ вентилятора двигателя СУ №1.
Результаты расчетов показывают, что защищенность двигателей от попадания посторонних предметов с поверхности аэродрома существенным образом зависит от компоновки самолета и от номера силовой установки на самолете.
NUMBER OF THE POWER-PLANT ON SECURITY OF ENGINES
A.A. Komov, S.P. Yurin
The reasons of various security of engines from number of a power-plant of the plane.
Key words: various security of engines, power-plant.
Сведения об авторе
Комов Алексей Алексеевич, 1950 г.р., окончил МАИ (1976), доктор технических наук, главный научный сотрудник центра исследований авиадвигателей и силовых установок ВС, автор более 80 научных работ, область научных интересов - защита авиационных двигателей от посторонних предметов.
Юрин Сергей Петрович, 1985 г.р., окончил МГТУ ГА (2008), инженер центра исследований авиадвигателей и силовых установок ВС ГОСНИИ ГА, область научных интересов - защита авиационных двигателей от посторонних предметов.
