CC BY
0
АНАЛИЗ СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРЕДМЕТОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Д.В. Омелич, магистрант
Научный руководитель: А.В. Коновалов, доцент Донской государственный технический университет (Россия, г. Ростов-на-Дону)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-12-3-156-160
Аннотация. Актуальность темы, связанная с пробелом в научных знаниях эффективных возможностей защиты газотурбинных двигателей воздушных судов от попадания посторонних предметов и птиц, послужила основанием для проведения соответствующих исследований. Цель исследований заключена в оптимальном выборе варианта увязки и сборки конструкции защиты газотурбинных двигателей (ГТД) авиалайнера. В работе представлены современные технологии инновационных подходов к защите газотурбинных двигателей от внешних угроз, с описанием последствий подобных инцидентов, а также методы обеспечения безопасности полетов. В качестве исследуемого способа выбран защитный блок двигателя самолета конусообразной формы, который состоит из отдельных упругих стержней круглого сечения, скрепленных между собой несколькими металлическими обечайками. Последовательность выполнения исследования представлена обзором вариантов решения проблемы, то есть подбором защитных устройств и разработкой собственного, а также схемы увязки и сборки конструкции последнего, которые предопределяют надежность и экономичность продукции. В результате проведенных исследований предложен выбор конструкции защитного устройства газотурбинных двигателей авиалайнера, с наиболее оптимальными качествами и характеристиками, определены материалы для его изготовления. Особое внимание уделено подбору варианта увязки и сборки данной конструкции. Практическая значимость и перспективы исследования связаны с предполагаемым внедрением защитного устройства авиалайнера на рынок авиаперевозчиков.
Ключевые слова: газотурбинные двигатели, воздушные суда, увязка, сборка, конструкция защитного устройства, посторонние предметы и птицы.
Из существующего уровня техники в целом известно о большом риске для самолетов, который возникает при засасывании посторонних предметов в воздухозаборник реактивных двигателей. Газотурбинный двигатель (ГТД) -это воздушный двигатель, в котором воздух сжимается нагнетателем перед сжиганием в нём топлива, а нагнетатель приводится в движение газовой турбиной, использующей энергию нагретых таким образом газов. Двигатель внутреннего сгорания с термодинамическим циклом Брайтона. Из определения данного двигателя совершенно очевидно можно заключить, что вследствие нагнетания воздуха в компрессор, вместе с газом в двигатель могут попасть посторонние предметы, которые могут нарушить стабильную работу двигателя, а также привести к выводу его из строя. Вопрос этот очень серьезный он чреват, немалыми финансовыми потерями - это съем и даль-
нейший ремонт двигателя на заводе-изготовителе или ремонтном предприятии, а того и хуже авиакатастрофой, инцидентом и т.д. В результате теоретических исследований с использованием соответствующей литературы было установлено, что в настоящее время в аэропортах России выделяются значительные средства для предотвращения попадания посторонних предметов на аэродроме в воздухозаборник путем их всасывания при рулении, взлете, посадке и пробах двигателя на стоянках. Для этого применяются хищные птицы и их крики из специальных устройств, очистка зон взлета и посадки от мусора, а также другие методы. Однако, исследованиям по защите ГТД авиалайнеров, уделено недостаточно внимания. Цель научных исследований, исходя из описанной проблемы, заключалась в обзоре оптимальных вариантов защитных устройств газотурбинных двигателей
авиалайнеров. Задачи исследования были обращены на выбор оптимального варианта его увязки и сборки.
На протяжении всего своего периода эксплуатации во время работы ГТД подвержен серьезной опасности попадания в него посторонних предметов, таких как: птицы, аэродромный мусор и пр.
На аэродроме существуют разные методы борьбы с попаданием в двигатели воздушных судов посторонних предметов, например такие как пернатые хищники и их голоса из «кричалок», лазерные отпугиватели и т.п., они используются для отпугивания птиц, для
борьбы с засасыванием в двигатель аэродромного мусора прежде всего существуют специальные ародромные службы, также может использоваться антивихревой рассекатель для защиты двигателя при его опробовании на стоянке (рис. 1), он имеет звездообразную конструкцию, состоящую из пластин высотой 0,07 от диаметра воздухозаборника и толщиной около 2 мм. Располагаться это устройство должно под воздухозаборником с целью пре-пятствования образованю вихревого жгута, который вместе с воздушными потоками может затянуть в двигатель посторонние предметы.
Рис. 1. Антивихревой рассекатель для защиты двигателя при его опробовании на стоянке
Однако, кроме эксплуатационных есть еще и конструктивные предохранительные меры, направленные против попадания посторонних предметов в двигатель. Они касаются конструкции самолета и двигателя конкретного аппарата. Например, взаимное расположение передней стойки и двигателей. Они должны располагаться так, чтобы расчетный конус разброса предметов из-под колес не пересекал входа в двигатели или же экранировался крылом и фюзеляжем. К конструктивным мерам относится также создание так называемых «самозащищенных» двигателей. Для таких ГТД лопатки первой ступени компрессора, то есть вентилятора, выполняются широкохорд-ными. Передняя кромка у них упрочнена и зачастую имеет специальное покрытие, также они имеют большую ширину и толщину корневого сечения. Их конфигурация при участии центробежной силы позволяет отбрасы-
вать посторонние предметы во второй контур. Кроме того, рассчитываются поля скоростей воздушных потоков в воздухозаборнике и создаются математические модели поведения посторонних предметов до воздухозаборника и в его канале при взаимодействии с ветром и элементами конструкции. В частности, например, рассчитывается форма кока двигателя, который напрямую участвует в формировании поля скоростей потока воздуха и может быть достаточно эффективно использован для выделения из потока попавших в двигатель посторонних частиц и отвода их в менее опасную область.
Существуют также устройства очищающие поступающий воздух от мелкого песка и пыли, называемые сепараторами. Такого рода устройства используют самолеты с турбовинтовыми двигателями, часто совершающие по-
леты с пыльных и грунтовых аэродромов, особенно в развивающихся странах.
Устранение недостатков действующих методов противодействия попаданию посторонних предметов в ГТД требует новых решений, в том числе разработки более эффективных защитных устройств, таких как щелевые обтекатели и защитные экраны.
В исходе вышеизложенного анализа можно заключить, что имеющиеся методы предотвращения попадания посторонних объектов в газотурбинные двигатели (ГТД) демонстрируют низкую степень эффективности, поскольку несмотря на все усилия, ежегодно фиксируются инциденты с воздушными судами, связанные с этой угрозой. Поэтому был инициирован патентный поиск, который позволил выделить несколько интересных защитных устройств для ГТД.
Патент [2]: В этом патенте предложен защитный элемент, который перекрывает вход в воздухозаборник. Он состоит из последовательно и параллельно закрепленных роликов, которые свободно вращаются и могут быть представлены как в едином корпусе, так и в виде нескольких секций, соединенных жесткой штангой для размещения роликов. Установка рамы с роликами осуществляется под углом около 45 градусов относительно горизонтали.
Патент [3]: Данный патент описывает защитный блок, сходный с предыдущим, но использующий мини-боксы, размещенные по обе стороны двигателя. Внутри таких боксов находится защитный экран и механизм, позволяющий перемещать экран от мини-бокса к входу в воздухозаборник.
Патент [4]: Представляет собой устройство с конусообразным корпусом, состоящим из двух частей: задней секции и переднего колпака. Оно включает по меньшей мере три вертикальные цилиндрические структуры, размещенные по периметру между оснований и колпаком, причем каждая имеет различный
диаметр - увеличение происходит от основания к колпаку.
Наиболее сопоставимым с заявленным устройством защиты является предложение по патенту [5]. Оно включает щелевой обтекатель конической формы, состоящий из множества упругих стержней круглого сечения, соединенных в верхней части металлической обечайкой. Стержни имеют волнообразные изгибы, что придает им особые свойства, и именно это устройство было выбрано как основа для дальнейших разработок.
Разрабатываемое защитное устройство (рис. 2) состоит из конусной обечайки 1, расположенной в верхней части конструкции и предназначенной для соединения упругих стержней 2. Эти стержни имеют полую структуру и изготовлены из алюминиевого сплава, что обеспечивает как экономичность производственного процесса, так и необходимую прочность конструкции. На определенном расстоянии от конусной обечайки располагается тороидальная обечайка 3, усиливающая прочность устройства и дополнительно защищающая двигатель от попадания посторонних предметов.
Стержни крепятся к цилиндрической обечайке 4, которая с одной стороны примыкает к двигателю, при этом используется резиновая прокладка для защиты лакокрасочного покрытия капота. К цилиндрической обечайке монтируются канаты 5, которые посредством крюков 6 фиксируются за сопло наружного контура. Это обеспечивает надежную фиксацию всего устройства на двигателе, предотвращая его перемещение вперед, а конструкция обечайки позволяет избежать смещения назад за счет кривизны капота.
Чтобы избежать обвисания канатов, предусмотрены рычажные натяжки 7. А в случаях длительных стоянок для предотвращения попадания мелких частиц в двигатель устройство может накрываться защитным чехлом.
Предлагается, чтобы основная часть конструкции выполнялась из алюминиево-магниевого сплава. Этот материал широко используется в авиации благодаря своим высоким механическим характеристикам: предел прочности ов составляет 300...450 МПа, относительное удлинение 5 находится в пределах 10.25%. Он отличается высокой удельной прочностью (ов/р). По уровню коррозионной стойкости алюминиево-магниевые сплавы занимают одно из первых мест после чистого алюминия, что особенно важно для обеспечения надежности и долговечности устройства. Прочность сплава АМг в отожженном состоянии схожа с прочностью АМц в нагартованном состоянии, хотя пластичность последнего ниже.
Кроме того, сплав обладает хорошими сварочными характеристиками, что позволяет осуществлять сборку устройства с помощью точечной сварки благодаря ее высокой производительности, автоматизации и экономичности [1].
Согласно вышеизложенной информации, для соединения компонентов устройства предлагается использовать контактную сварку, в частности, точечную сварку. Данный способ обладает рядом преимуществ, которые
делают особенно актуальным её использование в авиационной промышленности, включая высокую скорость сварки, минимальные тепловые деформации, эффективность соединения изделий из алюминиевых сплавов, экономия материалов, автоматизация процесса и надежность соединений. Этот метод также требует учета ряда важных факторов, связанных с обработкой алюминия и его сплавов. К таким факторам можно отнести соблюдение определенных режимов сварки, предварительную подготовку поверхности, контроль качества получаемого сварного соединения и другие параметры.
В результате проведенного исследования, по защитным устройствам ГТД летательных аппаратов от воздействия предметов окружающей среды, рассмотрено множество способов, методов и устройств защиты, на основании одного из них предложена модель технического устройства, наиболее подходящая для условий эксплуатации, определен материал, для изготовления, где предпочтение отдано алюминиево-магниевому сплаву, а также указан оптимальный вариант увязки и сборки конструкции. При этом отмечено о целесообразности использования точечной контактной сварки при сборке установки.
Библиографический список
1. Волкова Е.Ф., Антипов В.В. Магниевые деформируемые сплавы // Все материалы. Энциклопедический справочник. - 2012. - №5. - С. 20-26.
2. Патент RU 2666081 С1. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://patents.google.com/patent/RU2778947C1/ru?oq=RU+2778947+C1.
3. Патент № 2666081 C1 Российская Федерация, МПК F02C 7/055. Защитный блок двигателя самолета от попадания посторонних предметов и птиц: № 2017108565: заявл. 14.03.2017: опубл. 05.09.2018 / А.А. Михеев. - EDN ZEKCAH.
4. Патент № 2680644 C1 Российская Федерация, МПК F02C 7/055, B64D 33/02. Устройство для защиты двигателя самолета от столкновения с птицами: № 2018118838: заявл. 07.07.2016: опубл. 25.02.2019 / У.Б. Боатенг. - EDN BHPEBY.
5. Патент на полезную модель № 202850 U1 Российская Федерация, МПК F02C 7/055. Устройство защиты газотурбинного двигателя самолёта от попадания посторонних предметов и птиц: № 2019143936: заявл. 23.12.2019: опубл. 11.03.2021 / Е.П. Варфоломеев. - EDN SGMKMI.
ANALYSIS OF MEANS OF PROTECTION OF GAS TURBINE ENGINES OF AVIATION EQUIPMENT FROM THE IMPACT OF ENVIRONMENTAL OBJECTS
D.V. Omelich, Graduate Student Supervisor: A.V. Konovalov, Associate Professor Don State Technical University (Russia, Rostov-on-Don)
Abstract. The relevance of the topic, associated with the gap in scientific knowledge of effective possibilities ofprotection of gas turbine engines of aircrafts from the ingress offoreign objects and birds, served as a basis for conducting appropriate research. The aim of the research is to optimally select the option of linkage and assembly of the airliner gas turbine engine (GTE) protection structure. The paper presents modern technologies of innovative approaches to the protection of gas turbine engines from external threats, with a description of the consequences of such incidents, as well as methods to ensure flight safety. As the investigated method, a cone-shaped aircraft engine protection unit is chosen, which consists of individual elastic rods of circular cross-section, fastened together by several metal shells. The sequence of research execution is represented by the review of variants of the problem solution, i.e. selection ofprotective devices and development of our own, as well as the scheme of linking and assembly of the latter design, which predetermine the reliability and cost-effectiveness of the product. As a result of the conducted researches the choice of design of protective device of gas turbine engines of airliner, with the most optimal qualities and characteristics is offered, materials for its manufacturing are defined. Special attention is paid to the selection of the variant of linking and assembly of this design. Practical significance and prospects of the research are connected with the expected implementation of the protective device of airliner engines.
Keywords: gas turbine engines, outboard vessels, lashing, assembly, protective device structures, foreign objects and birds.
