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 двигателяво-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 дросселированияв-третьих, разработка методики отработки и анализа результатов испытаний турбовинтового двигателя на переменных режимах торможения свободной турбиныв-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 турбинойв-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.