Часть вторая. 2.СИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ

 

СОСТАВ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ

Силовая установка предназначена для создания тяги на самолете и обеспечения безопасного и эффективного его полета. В силовую установку входят: авиадвигатель, создающий тягу или развивающий эквивалентную ей мощность; системы, устройства и некоторые элементы конструкции самолета, обеспечивающие заданный режим эксплуатации.

Система - это комплекс отдельных элементов и связей между ними, которые выполняют определенные функции. В системе обязательно перемещается рабочее тело, энергия или механические части агрегатов. Названия систем определяются их назначением.

Устройство - отдельный агрегат, который выполняет строго определенные функции (насос, кран, гидроусилитель и т.д.).

В силовую установку самолета входят следующие составные элементы:

1. Двигатель со своими топливной и масляной системами; системами автоматики и запуска.

2. Топливная система самолета, предназначенная для размещения определенного количества топлива на борту и его бесперебойной подачи к двигателю на всех допускаемых режимах эксплуатации ЛА.

3. Масляная система самолета является внешней частью общей системы маслопитания двигателя и предназначена, в основном, для поддержания температурного режима двигателя; масло также служит рабочим телом в некоторых агрегатах рабочей системы.

4. Входные и выходные устройства. Входные устройства предназначены для преобразования кинетической энергии набегающего потока в потенциальную энергию (давление). Выходные устройства преобразуют оставшуюся часть энергии после турбины в кинетическую энергию вытекающих из сопла газов. При наличии дополнительных устройств они могут создавать отрицательную тягу, изменять угол вектора тяги, служить форсажными устройствами, а также исполнять роль глушителей шума.

5. Система подвески (крепления) двигателей предназначена для восприятия всех массовых сил, сил тяги и передачи этих усилий на конструкцию ЛА с максимально большей возможностью уменьшения вибрации от двигателя на ЛА и исключения термических напряжения в узлах навески.

6. Винты изменяемого шага (ВИШ) самолета с турбовинтовым двигателем (ТВД) являются движителями - окончательным звеном, преобразующим энергию ТВД в работу, совершаемую самолетом во время полета.

7. Система управления и контроля работой силовой установки. Под управлением понимается изменение режима работы силовой установки самолета (по желанию оператора или по принятой программе).

8. Система контроля включает в себя комплекс приборов и сигнальных устройств, позволяющих оценить как текущие параметры силовой установки, так и пороговые нарушения функционирования ее систем.

Бортовые приборы дают текущее значение замеряемого параметра.

Сигнальные устройства (в виде табло разного цвета) предупреждают о выходе контролируемого параметра за допустимые пределы (недостаточное количество масла в маслобаке, окончание топлива в том или ином баке и т.д.).

Применение бортовых вычислительных комплексов позволяет автоматизировать систему контроля, выводя необходимые (по условиям эксплуатации или запросу оператора) параметры на экран монитора. Это в значительной степени снижает психологическую нагрузку на пилота в процессе полета.

9. Система запуска предназначена для предварительной раскрутки ротора ГТД автоматического вывода двигателя на устойчивый режим малого газа и включает в себя:

а) источники энергии - электроэнергия, сжатый воздух или газ, жидкость под давлением;

б) пусковые устройства - двигатели с различными видами энергии: электро, пневмо, гидростартеры;

в) систему автоматики - совокупность устройств, обеспечивающих выполнение отдельных этапов запуска в определенной последовательности без вмешательства летчика. Время запуска зависит от типа двигателя, его мощности или тяги и составляет от десятка до сотен секунд.

Силовая установка должна удовлетворять следующим основным требованиям:

- в процессе эксплуатации обеспечить сохранение основных технических характеристик;

- минимальное сопротивление при внутреннем и внешнем обдуве;

- минимальная масса;

- надежность, безопасность (пожаробезопасность) и живучесть.

2.2. ВЫБОР КОЛИЧЕСТВА ДВИГАТЕЛЕЙ

Потребное количество двигателей, необходимое для пассажирского самолета, определяется: его назначением, летными характеристиками, экономичностью и безопасностью. При этом необходимо выполнить следующие требования:

1.Самолет должен обладать необходимой тяговооруженностью (обеспечить взлет с взлетно-посадочной полосы заданной длины).

2.Обеспечить продолжение безопасного взлета и набора высоты при отказе одного двигателя.

3.Обладать достаточной надежностью и экономичностью.

Взлетная тяга Р_взл определяется средним значением тяги Р_ср

Р_взл. = Р_ср./0,95.

Р_ср принимается от момента старта до достижения скорости отрыва и оценивается по формуле:

Р_ср=100m₀g ,

где m₀ –стартовая масса самолета;

K_взл. – аэродинамическое качество самолета при разбеге (K_разб=5…6 для сверхзвуковых, K_разб.= 8…10 для дозвуковых самолетов);

f_тр.- коэффициент трения колес шасси при разбеге ();

L_разб. - длина разбега, м.

Значения fтр.от состояния посадочной полосы
Сухая цементная ВПП	0,7…0,8
Влажная ВПП (без скопления воды)	0,5…0,6
Скользкая ВПП (снег с водой)	0,3…0,35
Гладкий лед или укатанный снег	0,05
Без тормозов(колеса вращаются)	0,01…0,015

Для винтовых двигателей (ПД и ТВД) Р_взл. оценивается

Р_взл= (17,6…20,4)N_взл., н,

где N_взл. – взлетная мощность на винте в кВт.

Значение V²_отр в первом приближении принимается:

для самолетов с ТРД:

V²_отр =175 p₀ /C_{y α max};

для самолетов с ПД и ТВД:

V²_отр =130 p₀ /C_{yα max},

где p₀ - удельная нагрузка на крыло при разбеге, Па;

C_{yα max}- максимальное значение коэффициента подъемной силы при приведении механизации крыла во взлетное положение.

Одним из основных требований, предъявляемых к пассажирскому самолету, является способность продолжать взлет и набор высоты при отказе одного из двигателей. При этом для обеспечения безопасности при продолжении взлета и при наборе высоты с одним отказавшим двигателем вертикальная скорость набора высоты Vy должна составлять не менее 2 м/с, а соответствующий угол наклона траектории взлета θ должен быть больше минимально допустимого угла, который равен 1⁰ 30'.

Рис. 2.1 Схема сил, действующих на самолет при наборе высоты

Уравнения движения самолета при наборе высоты (см. рис. 2.1)записывается в виде,

P_наб. = X+ mg Sinθ; Y = mg Cosθ,

где Р - сила тяги, Х - сила лобового сопротивления, mg - сила тяжести, θ - угол подъема в град., Y- подъемная сила, Так как

Х_взл.= ,

то потребная тяга двигателей для набора высоты будет равна:

Р_наб.= .

Если учесть, что θ <1,5^0,, то Cosθ ≈ 1 и

Р_взл.= mg(Cosθ/К_взл.+Sinθ).

Здесь θ - минимальный угол наклона траектории к горизонту на различных этапах взлета. Полный градиент набора η_пн = tgθ 100%.(См. рис 2.2)

 

При отказе одного из двигателей полный градиент набора η_пн в соответствии с Нормами летной годности самолетов (НЛГС) представлены в таблице.

При всех работающих двигателях на 3 этапе η_пн 5 % (θ=4⁰ ; tgθ = 0,0524); на 4 этапе η_пн 3 % (θ=1,66⁰ ; tgθ = 0,03).

Наиболее ответственным при взлете является третий этап №3. при котором угол θ=1,5°, то можно принять Cosθ ≈ 1. Поэтому потребная тяга двигателей для продолжения взлета самолета при условии отказа одного из двигателей определяется по формуле:

Р_взл.= mg( + Sinθ).

Располагаемая тяга всех двигателей, выбранная из условия отказа одного из них при взлете, составит:

Р_потр.= () mg( + Sinθ)k_v,

и соответствующая ей тяговооруженность:

= () (1/К_взл +SinΘ)

где n – число двигателей, k_v= 1.5 - коэффициент запаса.

В случае заданной тяговооруженности , можно оценить потребное количество двигателей n на самолете:

n= .

Принимая различное количество двигателей (от двух до четырех) можно оценить потребную тяговооруженность.

При n=2:

=1,5() ( + 0,025)=3 (1/ К _взл. + 0,025,) (θ=1,43⁰).

При n=3:

=2,25 (1/К_взл+0,027), (θ=1,55⁰).

При n=4:

=2,0 (1/К_взл+0,03), (θ=1,7⁰).

Из рассмотренного следует:

1. В случае неизменности К_взл самолеты с меньшим количеством двигателей должны обладать наибольшей тяговооруженностью.

2. При одинаковой тяговооруженности самолетов с разным количеством двигателей самолеты с большим числом могут иметь меньшее качество К_взл на взлете. Например, при стартовой тяговооруженности =0,3 самолет с двумя двигателями должен иметь К_наб ≥13, с тремя двигателями - К_наб ≥9.8 и с четырьмя двигателями - К_наб ≥9.5.

В первом приближении число двигателей также можно связать с массой самолета. На легких самолетах военного и гражданского назначения устанавливаются 1-2 двигателя, что объясняется соображениями надежности и особенностями компоновки самолета.

На гражданских самолетах количество двигателей увязывается с дальностью полета:

- малая дальность (1000-2500 км) – 2 двигателя;

- средняя дальность (2500-6000км) – 3 двигателя:

- большая дальность (более 6000 км) – 4 двигателя.