Газодинамическое совершенствование реверсивных устройств

2008

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Эксплуатация воздушного транспорта

№ 134

УДК 629.735.03

ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РЕВЕРСИВНЫХ УСТРОЙСТВ

А.А. КОМОВ

Приводится анализ газодинамических потерь реверсивных устройств как решётчатого, так и ковшового типа. Рассмотрено взаимодействие газовой струи с твёрдой поверхностью и истечение газовых струй из реверсивных устройств двигателей НК-8-2у, Д-30-КУ и ПС90А. Выявлена основная причина недостаточной эффективности реверсивных устройств этих двигателей. Показан путь повышения эффективности реверсивных устройств на примере двигателя ПС-90 А.

Реверс тяги является одним из наиболее важных средств торможения ВС на пробеге по ВПП после посадки.

Реверсивным устройством называется устройство газотурбинного двигателя, предназначенное для поворота потока газа в направлении перемещения воздушного судна (ГОСТ 23851-79 «Авиационные газотурбинные двигатели»). Оценим выполнение основного, согласно вышеуказанному ГОСТу, назначения реверсивного устройства - повороту потока газа в направлении перемещения воздушного судна. Поворот потока газов в реверсивных устройствах приходится осуществлять на достаточно большой угол - до 1350. Поворот на еще больший угол приводит к прилипанию реверсивной струи к мотогондоле и попаданию ее на вход в двигатель.

Оценку совершенства поворота потока в реверсивном устройстве произведем по величине скорости потока на выходе из реверсивного устройства. Согласно формуле Стечкина Б.С. [1] величина тяги при Н=0, М=0 равна

Я= Оь С,

где Я - величина тяги;

Оь - расход воздуха через двигатель;

С - скорость потока на срезе реактивного сопла.

Откуда,

С = —.

Оь

Для двигателя Д-30КУ-154 скорость потока на срезе реактивного сопла на прямой тяге (при частоте вращения ротора компрессора п=93%, тяге Р=95000н и Оь = 250 кг/с) составляет [2]:

С=380 м/с.

На режиме максимальной обратной тяги скорость потока на выходе из реверсивного устройства (при частоте вращения ротора компрессора п=93%, величине обратной тяги Я=36000н (составляющей тяги вдоль оси ОХ) и составляющей тяги вдоль оси створок Я^=47000н и Оь = 250 кг/с)) равна:

С=188м/с.

Таким образом, при повороте потока в реверсивном устройстве ковшового типа двигателя Д-3КУ-154 скорость потока снижается с величины С=380м/с до величины С=188м/с, потери скорости потока при этом составляют более 50%.

Для определения причины больших потерь при повороте газового потока в реверсивном устройстве рассмотрим некоторые особенности соударения свободной струи с твердой поверхностью [3] (рис. 1).

Рис. 1. Схема соударения струи с твердой поверхностью. 1 - сопло;

2 - область свободной струи; 3 - переходная область;

4 - эпицентр струи; 5 - область Глауэрте-Бакке

К особенностям соударения струи с твердой поверхностью следует отнести следующее:

- до определенного расстояния от среза сопла выполняются известные закономерности для свободной струи;

- вблизи поверхности, в переходной области, наблюдается торможение струи с переходом части кинетической энергии в потенциальную энергию. В переходной области соотношения для свободной струи нарушаются;

- после разворота струи, в переходной области, происходит переход энергии из потенциальной в кинетическую энергию при ускорении струи;

- дальнейшее растекание струи связано с ее "прилипанием" к твердой поверхности. После поворота струи на некотором расстоянии от точки встречи ее оси с поверхностью ВПП (эпицентром струи) наблюдаются закономерности для пристенной струи. Эта область течения пристенной струи называется областью Глауэрте-Бакке. В пристенной струе, в области Глауэрте-Бакке, существует подобие распределения скоростей в поперечном сечении струи. На рис. 2 показана эпюра скоростей в пристенной струе [3]. Из эпюры скоростей видно, что основная масса газа сосредоточена вблизи поверхности. Зная эти особенности соударения струи с поверхностью, рассмотрим конструкции реверсивных устройств решетчатого типа и ковшового типа.

Рис. 2. Эпюра скоростей в пристенной струе

На двигателе НК-8-2У, имеющем реверсивное устройство решетчатого типа, на режиме реверсирования тяги створки реверса перекрывают реактивную трубу и направляют поток на отклоняющие решетки (рис. 3).

Основной поворот потока происходит на створках реверсивного устройства, решетки выполняют роль стабилизации потока газа, так как набегание потока на лопатки решетки проис-

ходит под углом атаки, близким к нулевому. Торможение потока перед створками и «прилипание» его к створкам приводят к существенной неравномерности эпюры скорости потока на решетке реверсивного устройства и потере скорости на выходе из реверсивного устройства (рис. 4). При этом «работает» лишь задняя часть решетки, в передней части решетки наблюдается некоторое падение давления, приводящее к поступлению воздушного потока извне в реверсивное устройство.

Конструкция реверсивного устройства двигателя ПС-90А, с точки зрения газовой динамики, аналогична конструкции двигателя НК-8-2У. Основное отличие заключается в расположении створок реверса, которые поворачивают газовый поток на значительно меньший угол -900. Дальнейший поворот газового потока осуществляется лопатками решеток реверсивного устройства (рис. 5). Поэтому двигатель ПС-9А отличается несколько большим коэффициентом реверсирования по сравнению с двигателем НК-8-2У.

Решетки РУ

Створки РУ

Рис. 3. Реверсивное устройство решетчатого типа двигателя НК-8-2У

Рис. 4. Эпюра скоростей газового потока на решетке реверсивного устройства двигателя НК-8-2У

Рис. 5. Реверсивное устройство решетчатого типа двигателя ПС-90А

Конструкция реверсивных устройств ковшового типа, к которым относится реверсивное устройство двигателя Д-30КУ-154, придает некоторые особенности работе реверсивного устройства. Поворот газового потока в реверсивных устройствах ковшового типа осуществляется в сечении, расположенным после среза сопла двигателя, поэтому скорость газового потока при соударении со створками реверсивного устройства будет несколько выше, чем в реверсивных устройствах решетчатого типа.

Поскольку поворот потока происходит не в замкнутом пространстве, как у реверсивных устройств решетчатого типа, избыток потенциальной энергии позволяет растекаться газовому потоку не только в направлении оси створок, но также поперек оси створок (рис. 6). При растекании газового потока в направлении поперек оси створок он не успевает полностью ускориться и, следовательно, истечение части газового потока из реверсивного устройства происходит с меньшими скоростями, что снижает эффективность работы устройства в целом.

Истечение части газового потока в направлении поперек оси створок приводит также к ряду нежелательных последствий.

Первое заключается в загрязнении хвостовой части фюзеляжа остатками несгоревших фракций топлива. Если загрязнение хвостовой части фюзеляжа скорее можно отнести к вопросу эстетики, то нагрев фюзеляжа горячими реверсивными струями приводит к необходимости установки дополнительной теплозащиты, утяжеляющей воздушное судно (рис. 7).

Створки

реверса

Рис. 6. Истечение газовых струй из реверсивного устройства

ковшового типа

Рис. 7. Реверсивное устройство двигателя Д-30КУ-154

За более чем сорокалетнюю историю применения реверсивные устройства достигли высокого уровня аэродинамического, конструктивного и технологического совершенства. Однако имеющиеся высокие потери при повороте газового потока в реверсивных устройствах как ковшового, так и решетчатого типа (более 50%) свидетельствуют о недостаточно высоком уровне их газодинамического совершенства. Высокие потери обуславливаются большими значениями углов поворота газового потока на створках реверсивного устройства - от 900 (ПС-90А) до 1350 (НК-8-2У и Д-30КУ-154).

Основной поворот газового потока в существующих реверсивных устройствах осуществляется именно на створках реверсивных устройств. В реверсивных устройствах решетчатого типа, отклоняющие решетки выполняют, в основном, роль стабилизации потока газа при незначительном отклонении направления истекающего газа. При этом входные кромки лопаток отклоняющих решеток реверсивных устройств располагают под нулевым углом атаки к набегающему потоку газа для обеспечения бессрывного обтекания лопаток [4] (рис. 8).

Рис.8. Реверсивное устройство двигателя ПС-90А

Рассмотрим возможность расположения входных кромок лопаток отклоняющих решеток под другими, значительно большими, углами атаки к набегающему потоку газа.

Обтекание лопаток решеток под большими углами атаки набегающего потока подробно было исследовано при создании и совершенствовании решетчатых крыльев, широко применяющихся в космонавтике и ракетостроении [5].

Решетчатым крыльям присуще одно замечательное свойство. При обтекании многоплановой решетки профилей происходит взаимовлияние соседних профилей, которое отодвигает срыв потока на углы атаки, значительно большие, чем при обтекании монокрыла (рис. 9).

1-решетчатое крыло;

2-обычное крыло, удлинение ^=1,0;

3-обычное крыло, удлинение ^=2,5;

4-обычное крыло, удлинение ^=5,0;

Рис. 9. Аэродинамические характеристики обычного и решетчатого крыла

Для достижения высокой эффективности решетчатых крыльев существуют определенные требования к их конструкции, к которым относятся, прежде всего, выбор углов установки вход-

ных кромок профилей, абсолютного и относительного шага расположения профилей, относительного изгиба и хорды профилей. Конструкция решетчатых крыльев в ракетостроении тщательно подбирается для соответствующих условий работы.

Следует отметить, что конструкция отклоняющих решеток реверсивных устройств достаточно близка к конструкции решетчатых крыльев, что позволяет использовать преимущества решетчатых крыльев в реверсивных устройствах без существенных конструктивных изменений. Соответственно, при тщательной корректировке элементов конструкции отклоняющих решеток.

Использование эффекта решетчатых крыльев в реверсивных устройствах может снизить потери при повороте газового потока, причем основной поворот газового потока может происходить на решетках реверсивного устройства. В качестве примера рассмотрим возможность применения эффекта решетчатых крыльев в реверсивном устройстве двигателя ПС-90А. На рис. 10 показан один из возможных вариантов конструкции реверсивного устройства, при котором угол атаки набегающего потока на входные кромки лопаток решеток составляет угол 450. Для создания необходимого угла атаки створки реверсивного устройства в положении "обратная тяга" располагаются также под углом 450 к оси двигателя. При этом на створках реверсивного устройства происходит небольшой поворот газового потока без существенного торможения потока перед створками.

Основной поворот газового потока происходит на лопатках решетки, угол поворота реверсивных струй из реверсивного устройства составляет 1350.

Как видно из рис. 10, поворот газового потока производится как створками, так и лопатками решетки реверсивного устройства, причем лопатки решетки осуществляют основной поворот потока (на угол поворота 900), а на створках - предварительный (на угол 450).

Следует ожидать, что при повороте потока без срыва потока с лопаток решеток, потери будут минимальными. Поворот потока на небольшой угол на створках также может происходить с минимумом потерь.

Таким образом, использование эффекта решетчатых крыльев в конструкции реверсивных устройств, в частности, и в реверсивном устройстве двигателя ПС-90А, может повысить эффективность работы реверсивных устройств.

Из вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

- конструкции реверсивных устройств, как решетчатого, так и ковшового типа нельзя считать совершенными с точки зрения газовой динамики;

- несовершенство конструкции заключается в недостаточно хорошей организации поворота газового потока в реверсивном устройстве, приводящей к большим потерям обратной тяги;

- несовершенство конструкции реверсивных устройств вызывает необходимость применения повышенных режимов двигатели при включенном реверсе тяги;

- повышенные режимы работы реверсированного двигателя приводят к повышенным уровням шума и расхода топлива на пробеге воздушного судна;

- значительного повышения качества конструкции реверсивных устройств можно достичь, прежде всего, при улучшении организации течения газовых потоков внутри реверсивных устройств.

ЛИТЕРАТУРА

1. Казанджан П.К., Тихонов Н.Д. Теория авиационных двигателей. - М., Машиностроение, 1995.

2. Двигатель Д-30КУ-154 "Руководство по технической эксплуатации", 1983.

3. Liem K. Stromungsvorgange bein freien Hubstrahler// Luftfahrttechik. - №8, 1962.

4. Иноземцев А.А., Коняев Е.А., Медведев В.В., Нерадько А.В., Ряссов А.Е. Авиационный двигатель ПС-90А. - М.: Либра-К, 2007.

5. Агишев Б.М., Белоцерковский С.М. и др. Решетчатые крылья. - М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1961.

DYNAMICS-GASE IMPROVEMENT OF TRUST REVERSERS

Komov A.A.

Dynamics-gas analysis of trust reversers with rotating cascade and buckets was performed. Interaction effects of gas-flow with a solid body and efflux of gas-flow from trust reversers of engines NR-8-2u, D-30-RU and PS-90A were considered. The main cause of does not effective operation trust reversers of these type of engines was established. The way of trust reversers effectiveness increasing has demonstrated based on the trust reverser operation of the engine PS-90A.

Сведения об авторе

Комов Алексей Алексеевич, 1950 г.р., окончил МАИ им. С. Орджоникидзе (1976), доктор технических наук, главный научный сотрудник Центра исследований авиадвигателей и силовых установок ВС ГосНИИ ГА, автор более 60 научных работ, область научных интересов - защита авиационных двигателей от посторонних предметов.