Разработка модели и исследование теплового режима охлаждаемых конструкций силовой установки самолета тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Су Мен Ел

• Су Мен Ел
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Су Мен Ел

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРОБЛЕМАТИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Физические основы образования льда.

1.2. Влияние обледенения проточной части на эксплуатационные характеристики ГТД.

1.3. Метеорологические условия обледенения.

1.4. Критерии обледенения ГТД.

1.5. Интегральные модели обледенения конструкций самолета.

1.6. Постановка задачи исследования.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ УГЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ.

2.1. Температурное поле двухгранного угла конструкции.

2.2. Тепловой поток на поверхности двухгранного угла конструкции с острой вершиной.

2.3. Анализ полученных решений.

2.4. Теплоаккумулирующие свойства конструкции со срезанной вершиной.

2.5. Теплоаккумулирующие свойства конструкции с закругленной вершиной.

2.6. Распространение "полученных результатов на пространственную задачу.

2.6.1. Температурное поле трехгранного угла конструкции.

2.6.2. Тепловой поток на поверхности трехгранного угла конструкции с острой вершиной.

2.6.3. Тепловой поток на поверхности закругленного трехгранного угла конструкции.

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЛЕДЕНЕНИЯ УГЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ.

3.1. Факторы обледенения конструкций самолета.

3.1.1. Поведение улавливаемой воды на поверхности.

3.1.2. Процесс кристаллизации пленки воды.

3.1.3. Исследования поверхностных явлений.

3.2. Математическое описание и анализ процесса охлаждения и образования льда в узлах сопряжений поверхностей конструкций

3.2.1. Распределение льда на двухгранных углах конструкции.

3.2.2. Распределение льда на трёхгранных углах конструкции.

3.3. Влияние переохлаждения углов конструкции на обледенение

4. МЕТОДИКИ И ОБОРУДОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1. Методики и оборудование лабораторных имитационных испытаний.

4.2. Требования и схемотехнические решения испытаний на климатических стендах.

4.3. Требования, предъявляемые к стендам для проведения испытаний в условиях искусственного обледенения.

4.4. Измерительная система испытаний на обледенение.

4.5. Определение параметров окружающей среды.

4.6. Приборы для определения водности.

4.7. Приборы для определения размеров капель.

4.8. Маршрутная технология проведения испытаний.

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ АНАЛИЗ.

5.1. Исследование обледенения элементов конструкции в лабораторных условиях.

5.2. Исследование параметров физических процессов обледенения в воздушном потоке на стенде.

5.2.1. Оценка распределения частиц по размерам.

5.2.2. Оценка равномерности обводнения.

5.2.3. Методика обработки результатов измерений льда на размерной сетке.

5.2.4. Методика определения степени переохлаждения жидкости.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка модели и исследование теплового режима охлаждаемых конструкций силовой установки самолета»

- Актуальность

Среди различных внешних воздействий на самолет и двигатель наибольшую опасность представляет обледенение. Обледенению подвержены в первую очередь следующие детали силовой установки: обтекатель губы воздухозаборника; датчики установленные в воздухозаборнике; носовой обтекатель; лопатки и полки вентилятора; полость между лопатками вентилятора и обечайкой второго контура двигателя; детали статора первого каскада двигателя; направляющие лопатки второго контура; детали второго контура; оболочка контура двигателя.

Кроме того, обледенению подвергаются и другие детали, такие как стойки, неподвижные обтекатели, входной направляющий аппарат (ВНА). Входные устройства двигателей могут обледенеть даже при положительной температуре до +5°С вследствие расширения потока воздуха.

Определенную опасность представляет собой и «топливное обледенение», происходящее на стартовой позиции при использовании как криогенных, так и высококипящих топлив, обладающих высокой теплоемкостью, охлажденных в полете или на аэродроме при пониженных температурах воздуха при повышенной влажности.

Обледенение двигателя приводит к ухудшению газодинамических характеристик проточной части, повышению веса двигателя, увеличению вибраций ротора.

Высокая теплоемкость воды и льда определяют большие энергетические затраты антиобледенительной системы, которые обеспечиваются отбором мощности двигателя.

В настоящее время интенсивность обледенения определяется в основном экспериментально на основании многочисленных и энергозатратных климатических испытаний или с использованием не менее трудоемких длительных численных методов.

Интегральные оценки факторов обледенения производятся по чрезмерно упрощенной схеме, не учитывающей сложной конфигурации поверхностей деталей и в частности узлов сочленения поверхностей, что в целом затрудняет выбор оптимального схемотехнического решения антиобледенительной системы особенно на ранних стадиях проектирования силовой установки и самолета.

Поэтому совершенствование методик расчета теплового состояния конструкций летательных аппаратов является актуальной задачей современной авиационной техники.

Научная новизна и основные положения работы, выносимые на защиту.

1. Разработаны интегральные расчетные модели определения параметров теплового состояния деталей с учетом конфигурации поверхностей

2. Получены определяющие критерии тепловой модели образования льда и разработана методика их определения, обеспечивающие удовлетворительную точность расчета параметров теплового состояния.

3. Разработана методика проектного расчета параметров теплового состояния деталей сложной конфигурации с учетом образования отложений и несимметричности граничных условий теплообмена.

Достоверность результатов. Достоверность полученных в диссертационной работе результатов обеспечивалась использованием апробированных математического аппарата, методик экспериментальных исследований и обработки опытных данных, хорошей сходимостью результатов численного моделирования и результатов экспериментов.

Практическая ценность работы. Результаты проведенных исследований являются научной базой для повышения эффективности 6 проектирования антиобледенительных систем силовых установок самолетов. Разработанные расчетные и экспериментальные методики, интегральные модели теплообмена обеспечивают повышение эффективности оценки вариантов схемотехнических решений системы обогрева охлажденных элементов конструкции летательного аппарата на этапах его проектирования за счет снижения сложности имитационных испытаний и замены трудоемких численных вычислений интегральными зависимостями. Результаты работы , могут быть использованы при проектировании самолетов, двигателей и энергетических установок, а также в учебном процессе авиационных ВУЗов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на Международном Аэрокосмическом конгрессе 1АС*2009, Международной молодежной научно-технической конференции «Гагаринские чтения» в 2007-2009 ■ годах, Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ» в 2007-2008 годах.

Личный вклад автора. Автор непосредственно выполнял все представленные в работе расчеты, участвовал: в разработке моделей расчета параметров теплового состояния деталей сложной конфигурации, составлении критериев тепловой модели образования льда и разработке методики их определения; разработке технологии и проведении испытаний; параметров теплового состояния деталей сложной конфигурации с учетом образования отложений и несимметричности граничных условий теплообмена.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Су Мен Ел

6. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Требования энергосбережения при создании самолетов новых поколений определяют необходимость развития аналитических методов расчета и исследования тепловых режимов их конструкций позволяющих учитывать конфигурацию поверхностей подверженных обледенению, так как использование только численного моделирования или натурных испытаний неоправданно завышает трудоемкость и снижает эффективность выбора базового схемотехнического решения на начальном этапе проектирования летательного аппарата "и его силовой установки.

2. В результате анализа опубликованных результатов исследования теплообмена в одномерных конструкциях летательных аппаратов разработаны теоретические предпосылки методик двух— и трехмерного приближенного теплового расчета конструкций летательного аппарата.

3. Разработаны интегральные расчетные модели определения параметров теплового состояния конструкций с учетом конфигурации поперечного сечения проточной части, угловых изломов поверхностей и неоднородности граничных условий теплообмена.

4. Сопоставление экспериментальных и расчетных тепловых режимов и скорости образования льда на стенках конструкций сложной конфигурации показало их хорошее совпадение. При этом в неподвижной воде практически для всех испытанных конструкций отличие по профилю тепловых потоков не превышает 8-10 %. Удовлетворительный результат (отличие до ~ 20%) получается и для случая натекания слоя воды на поверхность охлажденной конструкции, что является подтверждением правильного построения расчетных тепловых моделей и пригодности их для первоначального прогнозирования параметров теплового состояния каналов.

5. Разработана методика повышения точности расчета процесса образования льда на угловых зонах конструкции путем введения в расчетные зависимости эффективных показателей теплоаккумулирующих свойств материала конструкции и кристаллизации воды, полученных из эксперимента на климатическом стенде на цилиндрических моделях с учетом температуры и водности потока воздуха.

6. Разработанные расчетные и экспериментальные методики, интегральные модели теплообмена в конструкциях силовой установки самолета обеспечивают повышение эффективности оценки вариантов схемотехнических решений . антиобледенительной системы летательного аппарата на этапах его проектирования за счет снижения сложности имитационных испытаний и замены трудоемких численных вычислений приближенными аналитическими зависимостями.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Су Мен Ел, 2011 год

1. Абрамович Г.Н., Прикладная газовая динамика, ГТТИ, 1953.

2. А. Н. Антонов и др. Основы расчета, конструирования и испытаний противообледенительных систем авиационных газотурбинных двигателей. — М.: ЦИАМ, 2001.-268 с.

3. Руководство по прогнозированию метеорологических условий для авиации (ред. Абрамович К.Г., Васильев A.A.), 1985, Л., Гидрометеоиздат, 301 с.

4. Авиационные Правила, Часть 25, Нормы лётной годности, самолётов транспортной категории: ОАО "Авиаиздат", 2004. 236с.: ил.

5. Авиационные Правила, Часть 29, Нормы, лётной годности винтовых аппаратов транс -портной категории: Изд -во ЛИИ, 1995. 192с.: ил.

6. Авиационные Правила, Часть 33, Нормы лётной годности двигателей воздушных судов: ОАО "Авиаиздат", 2004. -44с.: ил.

7. Адхикари И.К., Малиновский К. А. Исследование влияния атмосферного воздуха на основные показатели ТРДД при нестандартных атмосферных условиях. Тезисы докладов XXVII Гагаринских чтений, М. «МАТИ» -РГТУ, 2001.

8. Анфимов Н. А. Теплопередача при низких температурах М.:Издательство иностранной литературы. 1977.

9. Баранов A.M., Мазурин Н.И., Солонин C.B., Янковский И.А., 1966: Авиационная метеорология. Л., Гидрометеоиздат, 281 с.

10. Беркович А.Л. Исследование движения жидкой фазы в проточной части осевого компрессора // ИВУЗ, Сер. Энергетика —1987 —№9(стр.23 -32).

11. Бирюк В. В., Шепелев А. И. Процесс образования льда на поверхности криогенных баков. Вестник СГАУ. Авиационная и ракетно-космическая техника. №3, 2008. С. 15 -20.

12. Боровик Б.О., Дженеев Е. А., Дмитриев С. В., Сутырина Т.М. "Экспериментальное определение влияния влагосодержания атмосферного воздуха на характеристики ТРД": сб. статьей. Труды ЦИАМ

13. Боровик Б.О., Дженеев Е. А., Дмитриев С. В., Сутырина Т.М. "Экспериментальное определение влияния влагосодержания атмосферного воздуха на характеристики ТРД": сб. статьей. Труды ЦИАМ

14. Боровик В.О., Клинский Б.М. Движение и испарение капель конденсата по газовоздушному тракту турбореактивного двигателя — ЦИАМ, Труды №839-1979 (стр. 39 -50).

15. Боровик Б.О., Клинский Б.М. "К вопросу влияния влажности атмосферного воздуха на характеристики ГТД": сб. статьей. Труды ЦИАМ

16. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам воды и жидкостей. М.: Наука, 1972.

17. Вейнберг Б.П. Лед (свойства, возникновение и исчезновение льда), Москва-Ленинград, 1940.

18. Голубев В.А. Двухконтурные авиационные двигатели: теория, расчет и характеристики: Учеб. пособие. М.: Изд-во МАИ, 1993. -168с.

19. Гуревич Д. В. Кратковременное форсирование мощности вертолетного ГТД со свободной турбиной путем впрыска воды перед компрессором. Труды ЦИАМ. 1974. -№611.- С.32 -39.

20. Дитякин Ю.Ф. и другие. Распыливание жидкостей М., Машиностроение, 1977 г.

21. Г. П. Долгоненко. Летные испытания газотурбинных двигателей самолетов и вертолетов. —М.: «Машиностроение». 1983. -320с.

22. Зверев Ф.С., 1977: Синоптическая метеорология. Л., Гидрометеоиздат, 711 с.

23. Иванова А. Р., 2009: Опыт верификации численных прогнозов влажности и оценка их пригодности для прогноза зон обледенения воздушных судов. Метеорология и гидрология, 2009, № 6, с. 33 — 46.

24. Термодинамический расчет воздушно-реактивных двигателей. Я. Т. Ильичев. ЦИАМ, Труды № 677, 1975.

25. Кузнецов В.Д. Кристаллы и кристаллизация. Москва, 1953.

26. Крюков А. И. Некоторые вопросы проектирования ГТД: Учебное пособие. М.: Изд -во МАИ, 1993. -336с.

27. Левченко B.C., Софин В.А. Анализ основных причин отличий требований АП —25 и FAR -25 в части защиты от обледенения и предложения по их гармонизации. Доклад на совместной встрече специалистов РФ и США, Филадельфия, США, 1994. 12 с.

28. Лигум Т.И. Аэродинамика самолета Ту -134А М.: Транспорт, 1987 — 216с.

29. Литвинов Ю.А., Боровик В.О. Характеристики и эксплуатационные свойства авиационных турбореактивных двигателей —М.: Машиностроение, 1979.-288с.

30. Теплотехника: Учеб. Для вузов / В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Камфер и др.; под ред. В.Н. Луканина. -М.: Высш. шк., 1999. -671с: ил.

31. Луканин С. А. Теплотехника. М.: Высшая школа.2006.

32. ЛыковА. В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. — 600 с.

33. И. П. Мазин. Физические основы обледенения самолетов. —М.: Гидрометеоиздат. 1957. — 112 с.

34. Влияние конденсации паров воды на характеристики сверхзвуковых воздухозаборников. Ю. М. Марквит. Труды ЦИАМ № 1206., 1987.

35. Маслов В.Г. Теория выбора оптимальных параметров при проектировании авиационных ГТД. -М.: Машиностроение, 1981 —123с.

36. Нечаев Ю.Н., Федоров P.M. Теория авиационных газотурбинных двигателей. Ч. И, М., Машиностроение, 1978, 336с.

37. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред (часть I) М., Наука — 1987-463 с.

38. Никитский А. А., Теоретическое и экспериментальное исследование процесса форсирования тяги ТРД впрыском охлаждающей жидкости. Труды ЦИАМ. -1952. -№ 221. 18с.

39. Норенков И.П. Разработка систем автоматизированного проектирования. Учебник для вузов. М.: Изд —во МГТУ им. Баумана. — 1994, - 207с.

40. Опасные для полетов метеорологические явления и безопасность полетов воздушных судов. Межвузовский тематический сборник научных трудов. Министерство гражданской авиации Ордена Ленина Академия гражданской авиации. Ленинград. 1984.

41. Ривкин. С. Л., Александров A.A. Термодинамические1 свойства воды и водяного пара. Справочник.М.: Энергия.1984. .

42. Иностранные авиационные двигатели: Под ред. Скворцова Г.В., М:: ЦИАМ, 1975-698с.

43. Иностранные авиационные двигатели. Под ред. Скворцова F.B., М.:ЦИАМ, 1971 -281с.

44. Техническая эксплуатация летательных аппаратов: Учебник для вузов / Смирнов Н;Н., Владимиров Н.И., Черненко Ж.С. и др./ Под редакцией Смирнова H.H. -М.: Транспорт, 1990.-423с.

45. Статистические данные зарубежных пассажирских самолетов. ЦАГИ; 1981.

46. Су М.Е., Попов B.F. Моделирование тепловых процессов в конструкциях ВРД. Научные труды МАТИ 2007.Т5.С.58.

47. Тенишев P.X., Гладун В.Л. Выбор характерных размеров капель для расчетов критериев подобия при масштабном моделировании, обледенения. Труды/ЛИИ им. Громова: Летные испытания; летательных, аппаратов, 1991. Выи. 232. с. 10 -25. '

48. Тенишев Р. X. Противообледенительные системы; летательных аппаратов. -М.: Машино-строение, 1967. 320 с.

49. Технический Регламент. Том 2. ВМО -№49, 2004. Метеорологическое обслуживание международной аэронавигации56: Торенбик Э. Проектирование дозвуковых самолетов: Пер. с англ./ :Е. П. Голуков. М'.: Машиностроение, 1983 - 648с.

50. О. К. Трунов. Обледенение самолетов и средства борьбы с ним. —М.: «Машиностроение». 1965. 120 с.

51. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения -М., Мир -1972 -228с.

52. Физический энциклопедический словарь, т.2, статья «Кристаллизация», Москва, 1962.

53. Фишбейн. Б.Д., Сватенко С.А. "Влияние программы регулирования двигателя и особенностей характеристики компрессора на параметр ТРДД в атмосфере влажного воздуха", сб. статьей. Труды ЦИАМ.

54. Холщевников К.В. Оптимизация термодинамических параметров турбореактивных двухконтурных двигателей (ТРДД) //Труды ЦИАМ. 1968. №454.

55. Черкез А.Я. Инженерные расчеты газотурбинных двигателей методом малых отклонений. М., Машиностроение, 1965г.

56. Шакина Н. П., Скриптунова Е. Н., Иванова А. Р., Горлач И. А., 2009: Оценка механизмов генерации вертикальных движений в глобальных моделях и их начальных полях в связи с численным прогнозом осадков. Метеорология и гидрология, 2009, № 7, с. 14 — 32.

57. Шульгин А.Ф.,Павлов Ю.И. Су М. Е., Попов В.Г.Разработка методики определения и исследование тяговых характеристик авиационного ГТД в нестандартных условиях. М.: VI Международный Аэрокосмический конгресс IAC 2009. Россия М.: СИП РИА. 253-257 с.

58. Шульгин А.Ф., Су М.Е., и др. Методика и оборудование для исследования параметров физических процессов обледенения в воздушном потоке. М.: Авиационная промышленность .№3. С.49 -54.2010.

59. Эзрохи Ю.А. Математическое моделирование авиационных ГТД с повенцовым описанием лопаточных машин в системе двигателя. /Вопросы авиационной науки и техники/: Серия «Авиационное двигателестроение», 1995 ,№1.

60. AGARD Advisory Report 344. Ice accretion simulation. 1997.68. Aviation Week, № , 1997

61. Baker O. Oil Gas Journal, July 1954 (pp. 185 -195).

62. Barlett C.S. Icing Test Capabilities in the Aeropropulsion System Test Facility at the Arnold Engineering Development Center. AIAA 94 -2471 18th Aerospace Ground Testing Conferece. — June 20 -23, 1994/Colorado Springs, CO 11-pp.

63. Bergrun N. A warming trend for icing research. Airspace America, August, 1995, pp. 22-27.

64. Bernstein B.C., McDonough F., Politovich M.K., Brown B.G., Ratvasky T.P., Miller D.R., Wolff C.A., Cunning G., 2005: Current icing potential: algorithm description and comparison with aircraft observations. J. Appl. Meteorol., v. 44, pp. 969 -986.

65. Le Bot C., 2004: SIGMA: System of icing geographic identification in meteorology for aviation. 11 th Conf. on Aviation, Range, and aerospace, Hyannis, Mass., 4 -8 Oct 2004, Amer. Meteorol. Soc. (Boston).

66. Capabilities and Prospects for Improvement in Aircraft Icing Simulation Methods: Contribu -tions to the 11C Working Group. — Final Report. May 2001. -89 pp.

67. Charpin F. and Fasso G. (1972), Icing Testing in the Large Modane Windt }

68. TunneL on Full Scale and Reduced Scale Models". I'Aeronautique et I'Astronautique, no: 38/ English translation pub -lished as NASA TM -75373.

69. FAA (1994a), Federal Aviation^ Regulation Part 25 (FAR 25), "Airworthiness 1 Standards: Transport Category Airplanes", Appendix C, (Code of Federal

70. Regulation, Title 14, Chapter 1, Part 25, Appendix C), Superintendent of Documents, Government Printing Office, Washington DC 20402.

71. Guffond D:, Hedde T. Prediction of Ice Accretion: Comparison Between the 2D and 3D Code, La Recherche Airospatiale, 1994, No.2, pp. 103 -115.

72. Khan S.K., Arora M.G. Airport Planning and Design. /Nem Chand & Brother; Roorkee (U.P.), India, 1985.

73. McDonald J.E. Homogeneous Nucleation of Supercooled Water Drops. -Journal of Meteorolo -gy. 1953.

74. Menzel W. P., Frei R. A., Zhang H., et al., 2008: MODIS global cloud -top pressure and amount estimation: algorithm description and results. Weather and Forecasting, iss. 2, pp. 1175 1198.

75. Olsen W., Takeuchi D., Adams K. Experimental Comparison of Icing Cloud Instruments. AIAA -83 -0026, January 1983. 27 pp.

76. Otkin J. A., Greenwald T. J., 2008: Comparisons of WRF model -simulated and MODIS -derived cloud data. Mon. Weather Rev., v. 136, No. 6, pp. 1957 -1970.

77. G.P. Pfeifer and G.P. Maier. Engineering summary of powerplant icing technical data. Final report. July 1977, Washington DC 20590.

78. Salazar V.M., Gonzales J.E., Rivera L.A. Measurement of Temperatures on in flight Water droplets by laser Induced Fluorescence Thermometry. Journal of Heat Transfer, April 2004,Vol.126, pp. 279 285.

79. Shultzt R.J. Modeling of Water Particle Freezing for Simulation of Adverse Weather Condi —tions —13 International Symposium on Air Breathing Engines, September 7 —12, 1997, Chatta -nooga, Tennessee, USA, Symposium Papers pp. 684-693.

80. STATISTICAL POCKET BOOK, NEPAL. His Majesty's Government, National Planning Commission Secretariat, Central Bureau of Statistics, 1998.

81. Thompson G., Bruintjes R.T., Brown B.G., Hage F., 1997: Intercomparison of inflight icing algorithms. Part 1: WISP94 real —time icing prediction and evaluation program. Weather and Forecasting, v. 12, pp. 848 —889.