Исследование особенностей проектирования турбовинтового двигателя, связанных с торможением свободной турбины при включении тормоза воздушного винта тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.07, кандидат технических наук Костогрыз, Валентин Григорьевич

• Костогрыз, Валентин Григорьевич
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Костогрыз, Валентин Григорьевич

Основные обозначения.

Введение.

1. Анализ состояния проблемы и постановки задач исследования.

1.1. Общая характеристика состояния авиационной техники.

1.2. Обоснование выбора типа двигателя для самолета.

1.3. Анализ методов газодинамических расчетов.

1.4. Общая характеристика теории испытание и отработки конструкций и систем летательных аппаратов.

1.5. Обзор работ по методам исследования колебаний.

1.6. Обзор работ по методам анализа и оценки характеристик летательного аппарата по экспериментальным исследованиям.

1.7. Выводы по обзору и постановка задач исследования.

2. Описание и анализ конструктивных особенностей исследуемого двигателя.

2.1. Особенности газогенератора и тормоза.

2.2. Выхлопное устройство для турбовального двигателя

3. Газодинамический расчет турбовинтового двигателя в случае заторможенной свободной турбины.

3.1. Математическая модель работы двигателя на режимах глубокого дросселирования.

3.2. Физическая схема процесса течения газа с закруткой части потока в цилиндрическом'канале.

3.3. Процесс формирования течения газа в сопловом сечении.

3.4. Математическая модель расчета параметров газа на выходе из вихревого устройства для увеличения расхода и расчета его геометрических размеров.

4. Экспериментальное исследование влияния изменения частоты вращения ротора свободной турбины в пределах 0. птс тах на основные данные двигателя.

4.1. Программа экспериментальных исследований.

4.2. Экспериментальное оборудование и приборное оснащение гидротормозного стенда.

4.3. Экспериментальное оборудование и приборное оснащение винтового стенда.

5. Экспериментальные исследования расхода газа на выходе вихревого устройства.

5.1. Методика и результаты расчета основных параметров двигателя на режимах глубокого дросселирования

5.2. Результаты экспериментальных исследований геометрических размеров и параметров на выходе вихревого устройства для увеличения расхода газа.

5.3. Результаты экспериментальных исследований.

5.4. Выводы по экспериментальному исследованию расхода газа на выходе вихревого устройства.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование особенностей проектирования турбовинтового двигателя, связанных с торможением свободной турбины при включении тормоза воздушного винта»

Изменения, происходящие в России, направлены на формирование рыночных отношений, которые приведут к появлению отсутствовавших ранее типов спроса на авиационное обслуживание и, в наибольшей степени, самолетами авиации общего назначения (АОН). При этом складываются благоприятные обстоятельства для интенсивного создания отечественных самолетов АОН и региональных самолетов в условиях конверсии военного производства известными организациями авиационно-космического комплекса России, а также новыми конструкторскими коллективами, поддерживаемыми коммерческими структурами.

Программа развития гражданской авиационной техники России до 2000 года из-за офаниченности выделенных финансовых средств не предусматривает государственной поддержки создания самолетов АОН и новых средних региональных самолетов, за исключением Ан-38 и Ан-3. Предполагается, что эти самолеты будут строиться на коммерческой основе.

В настоящее время в России разрабатывается более 100 проектов самолетов АОН и региональных самолетов. Они находятся в разной степени проработки. В недавно созданных предприятиях, занимающихся проектированием самолетов, финансирование осуществляется коммерческими структурами. В проектных организациях авиационно-космического комплекса ряд самолетов создаются на средства предприятий и средства, выделенные по линии конверсии Разработка практически всех проектов сталкивается с недостаточным финансированием.

В классе легких многоцелевых самолетов на 8. 12 мест проработано относительно небольшое количество проектов. Крупные авиастроительные организации России ,не проявляют должного внимания к этому классу самолетов в основном из-за отсутствия новых поршневых (ПД) и турбовинтовых (ТВД) двигателей отечественного производства с мощностью от 500 л.с. до 1500 л.с.

Отсутствие в России опыта работы по созданию малоразмерного турбовинтового двигателя для установки на самолеты, производящие авиахимические работы сельскохозяйственных угодий, потребовало проведения большого объема научно-исследовательских работ.

Сложившиеся в бывшем СССР отношения к легким самолетам не стимулировали создание двигателей этого класса мощностей, что привело к тому, что на данный момент в России имеется только два типоразмера маломощных турбовинтовых двигателей (ТВД-1 ОБ мощностью 960 л.с. и ТВД-20 мощностью 1375 л.с., созданные в Омском моторостроительном конструкторском бюро, а так же двигатель ТВД-1500 мощностью 1500 л.с. г. Рыбинск, который находится в стадии доводки).

В связи с возобновлением работ по созданию самолета Ан-3 (модификация самолета Ан-2, заключающаяся в установке на него вместо поршневого двигателя турбовинтового двигателя), завершаются работы по доводке отечественного двигателя ТВД-20 (г. Омск). Производство самолета Ан-3 предполагается на ПО "Полет" (г. Омск). Кроме того, планируется установка двигателя ТВД-20 на вновь создаваемые самолеты (Т-101, "ГРАЧ", Ан-38 и др.). Модификация самолета Ан-2 в Ан-3 на первом этапе предполагается в основном для транспортного и сельскохозяйственного вариантов самолета, так как другого самолета для перевозки грузов и производства авиахимических работ сельскохозяйственных угодий в России и странах СНГ нет. Создание нового самолета на ближайшее время проблематично из-за отсутствия бюджетного финансирования и долгосрочной окупаемости коммерческих кредитов. 1

От самолета Ан-2 в сельскохозяйственйом варианте самолет Ан-3 отличается легким и более мощным турбовинтовым двигателем (вместо поршневого), новым навесным сельскохозяйственным оборудованием, увеличенной емкостью для химикатов, переоборудованной на одного пилота кабиной экипажа с системой кондиционирования воздуха и отдельной входной дверью. Эти и другие конструктивные усовершенствования значительно улучшили летно-технические характеристики самолета, повысили в 1.6 раза производительность на авиахимических работах, а также создали более благоприятные условия для работы пилота. Самолет Ан-3 сохранил все достоинства Ан-2: высокую надежность планера и безопасность полетов, простоту техники пилотирования и технического обслуживания, возможность эксплуатации на грунтовых коротких площадках.

Таким образом, работы по исследованию возможности замены поршневого двигателя на газотурбинный или турбовинтовой и определение оптимальных режимов ТВД актуальны и имеют большое народно-хозяйственное значение.

Целью настоящей работы является: во-первых, разработка математических моделей исследования влияния изменения частоты вращения ротора свободной турбины в пределах 0 . птстах на основные характеристики двигателя; во-вторых, разработка эффективной методики численных исследований измеиения основных данных турбовинтового двигателя при работе с заторможенной свободной турбиной и включенных отборах воздуха из-за компрессора газогенератора на режимах глубокого дросселирования; в-третьих, разработка методики отработки и анализа результатов испытаний турбовинтового двигателя на переменных режимах торможения свободной турбины; в-четвертых, применение разработанных методик к решению задач

V £ увеличения ресурса турбовинтового двигателя с целью обеспечения большего количества взлетов и посадок самолета. Так как ресурс ТВД зависит от двух факторов (времени работы и количества запусков), найдено, что при посадке самолета на дозаправку химикатами двигатель должен работать на режиме холостого хода с заторможенной свободной турбиной; в-пятых, разработка рекомендаций по проектированию конструкции тормоза винта и проведению исследований по подбору фрикционных пар тормоза.

Научная новизна полученных в работе результатов заключается в том, что на основании теоретических и экспериментальных исследований:

- разработана математическая модель ТВД с заторможенной свободной турбиной;

- предложена методика расчета параметров ТВД с заторможенной свободной турбиной;

- определены оптимальные режимы работы ТВД в системе самолета для минимизации затрат на авиахимические работы;

- предложена методика увеличения ресурса наиболее нагруженных деталей ТВД за счет оптимизации полетного цикла самолета;

- определено, что при любых режимах работы турбовинтовой двигатель при производстве авиахимических работ экономичней поршневого.

Основными положениями, выносимыми автором на защиту, являются:

1. Методика расчета влияния изменения частоты вращения ротора свободной турбины в пределах 0 . птстах на основные данные турбовинтового двигателя;

2. Методика расчета изменения основных данных турбовинтового двигателя при работе с заторможенной свободной турбиной и включенных отборах воздуха из-за компрессора газогенератора на режимах глубокого $ дросселирования;

3. Инженерная методика по увеличению ресурса двигателя с целью обеспечения большего количества полетных циклов самолета;

4. Инженерная методика по разработке конструкции тормоза винта и подборку материалов фрикционных пар трения;

5. Практические рекомендации по применению методик расчета основных данных турбовинтового двигателя при работе с заторможенной турбиной, по разработке конструкции тормоза винта и увеличению ресурса ТВД.

Выносимые автором на защиту положения подтверждены экспериментом и практическим использованием в производстве. В частности, использованы при создании двигателя ТВД-20 для самолета Ан-3.

Результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались автором на Первой корейско-русской совместной конференции по авиационной технологии (Корея, 1995 г.), Международной научной конференции "Экспериментальное оборудование и сертификация авиационной техники" (г. Жуковский Московской области, 1995 г.), 1, 2 и 3 Международной научно-технической конференции "Динамика систем, механизмов и машин" (г. Омск, 1995, 1997, 1999 г.г.),

Настоящая работа выполнена на кафедре двигателей летательных аппаратов Омского государственного технического университета. Экспериментальная часть работы и внедрение выполнены на Омском моторостроительном конструкторском бюро.