WWW.KN.LIB-I.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Различные ресурсы
 

«УДК 621. 452. 322 Оптимизация управления взлетной тягой двигателя для снижения шума сверхзвукового административного самолета А.А. Мирзоян Аннотация В работе ...»

Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 48 www.mai.ru/science/trudy/

УДК 621. 452. 322

Оптимизация управления взлетной тягой двигателя для снижения шума

сверхзвукового административного самолета

А.А. Мирзоян

Аннотация

В работе оптимизировались такие параметры управления взлетной тягой как

степень, высота начала и темп дросселирования тяги, площадь критического сечения

сопла. Показано, что такая оптимизация в условиях заданных требований потенциального рынка сверхзвуковых административных самолетов может значительно повысить реализуемость проекта, выявить эффективные пути удовлетворения жестких технических и экологических ограничений. Для максимального увеличения эффективности управления взлетной дополнительно рассмотрена оптимизация основных проектных параметров двигателя и самолета, таких как степень двухконтурности, суммарная степень повышения давления, температура газа на входе в турбину на взлете и др.

Ключевые слова сверхзвуковой административный самолет; дросселирование; шум струи; траектория полета; летно-технические характеристики самолета.

Введение Экологические требования занимают важнейшее место среди комплекса требований, предъявляемых к сверхзвуковому административному самолету (САС) [1].

Оптимальное управление взлетной тягой (УВТ) двигателя на участке взлета и начального набора высоты может стать одним из важнейших факторов улучшения акустических характеристик силовой установки САС. Такое управление тягой включает прежде всего оптимизацию способа дросселирования тяги сверхзвукового двигателя. В таком двигателе часто используется сверхзвуковое сопло, имеющее регулируемое критическое сечение. Оптимальное управление площадью критического сечения сопла с точки зрения уменьшения шума на местности (малошумное управление) может существенно повысить экологическую приемлемость силовой установки и реализуемость проекта САС в целом.



В соответствии с действующими условиями сертификационных акустических испытаний дозвуковых самолетов [2] шум в боковой контрольной точке (к.т.) принято определять при работе двигателя на максимальном режиме, в то время как а шум в пролетной к.т. - с учетом работы двигателя на дроссельных режимах после достижения минимальной разрешенной высоты начала дросселирования (для двухдвигательных самолетов эта высота равна 300м).

В настоящих исследованиях были рассмотрены высоты начала управляемого дросселирования тяги (УДТ) как больше, так и меньше 300м, причем шум в боковой к.т. оценивался с учетом влияния на него дросселирования тяги на участке начального набора высоты.

Это позволило более широко оценить потенциальную эффективность раннего УДТ для сверхзвуковых самолетов, причем как с точки зрения сертификационного шума (шума самолета при сертификационных акустических испытаниях), так и с точки зрения снижения шума в эксплуатации (эксплуатационного шума). Такое неформальное рассмотрение действующей процедуры сертификации по шуму требует строгого учета ограничений по безопасности полета на этом участке. Известно, что современные и тем более перспективные системы управления самолетом и двигателем широко используют БЦВМ, что может облегчить реализацию и применение малошумного УДТ в полете без непосредственного участия пилотов за счет включения программы малошумного управления тягой непосредственно в БЦВМ и последующего выдерживания ее с помощью электронной системы управления двигателем. Сохранению уровня необходимой безопасности на малых высотах полета может способствовать и использование плавного дросселирования тяги, позволяющего достигать пониженных малошумных режимов работы двигателя лишь на высотах выше 300м.





Эффективность УДТ существенно зависит от согласованности выбранных основных проектных параметров двигателя, таких как степень двухконтурности, суммарная степень повышения давления и температурная раскрутка (параметры цикла двигателя –ПЦД), и основных проектных параметров самолета (ППС), таких как удельная нагрузка на крыло, тяговооруженность, крейсерская скорость полета. К числу основных проектных параметров (ПП) относится также взлетный режим работы двигателя, влияющий на выбор потребной тяговооруженности при заданной длине ВПП. В работе также рассмотрена возможность повышения эффективности малошумного УВТ за счет оптимизации ПП двигателя и самолета.

–  –  –

исходное значение площадь критического сечения сопла FКР );

- высота начала УДТ на участке начального набора высоты HН;

dR

- темп УДТ (относительное снижение тяги в единицу времени в процентах).

dt

При оптимизации УВТ были приняты следующие основные условия и ограничения:

минимальные требования по шуму на взлете соответствуют уровням шума струи в боковой (3-й) и пролетной (2-й) к.т. не хуже требований 3-й Главы ИКАО с учетом запаса в каждой к.т. не менее 1 EPNdB и суммарного запаса в двух к.т. – не менее 4 EPNdB.

Данные требования могут обеспечить удовлетворение требований 4-й Главы ИКАО [2] с учетом погрешности расчета шума струи;

скорость полета самолета при начальном набора высоты не менее V2+19км/ч (условие сертификационных испытаний по шуму), где V2 – безопасная скорость [2];

при дросселировании на участке начального набора высоты величина градиента набора высоты при всех работающих двигателях должна быть не менее 4% и при отказе двигателя – не менее 0% [2];

при исходном УВТ FКР = const.

Рассматриваемые двигатели представляют собой традиционные ТРДД со смешением потоков и сверхзвуковым регулируемым соплом, не использующим специальных шумоглушащих устройств для снижения шума струи. В качестве исходного (базового) двигателя рассматривался ТДД со средней степенью двухконтурности и степенью повышения давления.

Была также рассмотрена возможность повышения эффективности оптимального УВТ за счет оптимизации основных ПП двигателя и самолета. Такими параметрами являлись степень двухконтурности m0, суммарная степень повышения давления k0 и температура газа на R0 входе в турбину на взлете ТГ0 (ПЦД), относительная тяги на старте R 0 OTH R 0 ИСХ отношение тяги на взлете R0 к тяге на исходном режиме работы R0 ИСХ, взлетная удельная нагрузка на крыло (G/S)0 и число М в крейсерском полете MKP (ППС). При фиксированной максимальной температуре газа на входе в турбину TГ MAX изменение ТГ0 характеризует изменение температурной раскрутки двигателя (разности TГ max и ТГ0).

С учетом комплекса требований к САС, в критерии оптимизации основных ПП помимо шума струи dEMAX была включены относительная дальность полета LОТН (отнесена к соответствующему исходному значению).

2. Основные математические модели Из основных моделей, используемых в работе, можно выделить несколько наиболее важных моделей, таких как модель двигателя и модель шума струи.

Модель двигателя В данной работе используется модель двигателя, основанная на программе расчета характеристик двигателя проф. А.М.Ахмедзянова из УГАТУ [3]. Модель соответствует первому уровню моделирования ГТД, при котором каскады лопаточных машин представлены в виде обобщенных характеристик без детализации по ступеням.

В работе рассматривались следующий закон регулирования двигателя и ограничения:

nВ ПР = nВ ПР МАХ = const; FКР = FКР ВЗЛ = const (для максимальных режимов);

GВ = const (для дроссельных режимов).

TГ TГ МАХ; TГ КР TГ КР МАХ;

TК TК МАХ, где nВ ПР – приведенная частота вращения вентилятора;

FКР, FКР ВЗЛ – площадь критического сечения сопла текущая и на взлете;

GВ – расход воздуха через двигатель;

TГ ; TГ КР - температура газа на входе в ТВД на всех режимах полета кроме крейсерского, на режиме крейсерского полета;

TК - температура на выходе из КВД.

Принятый уровень ограничений на ТГ и ТК соответствовал технологиям 2015-2020гг.

Модель шума струи Используемая в модели методика расчета шума струи в источнике основана на теории Лайтхилла, в соответствии с которой шум рассчитывается с использованием основных газодинамических и геометрических параметров струи на выходе из сопла [4]. Особенностью программы расчета шума струи на местности является более детальный расчет траектории взлета/посадки самолета. Повышенная точность моделирования траектории позволяет точно определить положение источника шума струи относительно сертификационных к.т. Поэтому профиль полета в программе формируется в результате решения системы дифференциальных уравнений движения самолета как материальной точки. Это позволяет выдержать необходимые требования и условия для сертификации по шуму самолета [2].

Модель шума струи позволяет исследовать различные программы управления тягой двигателя, включая определение оптимального (малошумного) режима работы двигателя при взлете и начальном наборе высоты. При этом может оцениваться эффективность начала дросселирования двигателя в различных точках траектории набора высоты.

Адекватность этих и других использованных в данной работе моделей (самолетных моделей, модели веса двигателя и др. моделей) неоднократно была подтверждена в предыдущих работах [5, 6, 7, 8, 9]. В этих же работах приводится более подробное их описание.

3. Влияние параметров УВТ и параметров цикла двигателя на шум струи Оптимальное малошумное управляемое дросселирование тяги включает в себя дросселирование тяги с использованием специального регулирования FКР для обеспечения постоянства максимального расхода воздуха, оптимальное начало и темп дросселирования тяги, дросселирование тяги до оптимальных значений степени дросселирования.

Дросселирование тяги с поддержанием максимального расхода воздуха обеспечивает дополнительное снижение шума струи благодаря более существенному уменьшению скорости струи.

Рис. 1 иллюстрирует эффективность различных способов регулирования сопла при дросселировании тяги в виде зависимости уменьшения скорости струи от относительной тяги R ОТН для различных значений максимальной степени раскрытия сопла FКР ОТН MAX.

При дросселировании тяги до RОТН = 60% и раскрытии FКР на 40% скорость струи дополнительно уменьшается на 35 м/с по сравнению со скоростью струи в случае FКР=const, что в свою очередь может привести к снижению шума струи на 2-3 EPNdB.

–  –  –

На рис. 4 показана чувствительность суммарного шума струи на взлете dE23 к отклонению параметров цикла двигателя m0, ТГ0, K0 и взлетного режима работы двигателя R0 ОТН на величину ±5%. Эта чувствительность определяются прежде всего различным влиянием этих параметров на скорость струи. Наиболее сильное влияние на dE23 оказывает изменение ТГ0 (до 5-5.5 EPNdB) и m0 (до 1.5 EPNdB). Влияние отклонения остальных параметров (K0 и R0 ОТН ) на dE23 незначительно и не превышает 0.5 EPNdB.

Рис. 4. Влияние отклонения ПЦД (m0, ТГ0, K0) и взлетного режима работы двигателя R0 ОТН на суммарный шум струи при взлете Влияние взлетного режима двигателя R0 ОТН на шум струи и на длину ВПП следует рассмотреть более подробно, так как степень этого влияния в значительной степени зависит от используемого способа УДТ.

На рис. 5 приведено относительное изменение длины BПП L ВПП ВЗЛ ОТН при отклонении взлетного режима работы двигателя, характеризуемого в данном случае величиной отклонения относительной взлетной тяги от исходного значения в процентах R0 ОТН=(R0 ОТН – R0 ОТН ИСХ)*100%.

При изменении взлетного режима на 10% LВПП ВЗЛ ОТН изменяется на величину 5Минимальное значение потребной длины BПП и минимальное значение взлетного режима ограничиваются в первом случае длиной BПП при посадке LПОС (пунктирной линия), а во-втором - сертификационными требованиями по минимальным значениям градиента набора высоты в случае отказа двигателя.

–  –  –

-4

-6

-8

–  –  –

(рис. 6).

В случае использования оптимального регулирования FКР (как при стартовом дросселировании, так и на участке начального набора высоты) шум струи как в пролетной, так и боковой контрольных точках уменьшается на 1.0-2.5 EPNdB, суммарный шум – на 2.5-3.5 EPNdB. При этом, так и не удается удовлетворить требованиям 3-й Главы ИКАО одновременно в обеих сертификационных точках.

Наконец, в случае использования и оптимального УДТ на начальном наборе высоты (т.е. помимо оптимального регулирования FКР=opt, использовать оптимальное начало НН=opt dR и темп дросселирования =opt) для каждого взлетного режима можно снизить суммарный dt шум на 6.5-7.5 EPNdB, обеспечив запас по шуму в каждой точке около 4 EPNdB, что свидетельствует о высокой эффективности использования оптимального УДТ для снижения шума при взлете.

4. Результаты оптимизации УВТ

На рис. 7 показаны исходные и оптимальные траектории начального набора высоты и изменение относительной тяги RОТН (рис. 7а), относительной площади критического сопла FКР ОТН и скорости струи Vc (7б) вдоль траектории при исходном и оптимальном УВТ для исходного (базового) варианта двигателя и самолета.

Как можно заметить, траектории при оптимальном УВТ более пологие вследствие более раннего начала УДТ. Максимальные степени дросселирования тяги могут достигать 30рис. 7а), а максимальные степени раскрытия FКР – 20% (рис. 7б).

–  –  –

Такая степень раскрытия FКР обычно используется в сверхзвуковом двигателе для поддержания устойчивой работы вентилятора на пониженных режимах, поэтому использование такого диапазона изменения FКР не потребует заметного утяжеления сопла из-за его регулирования.

При исходном УВТ пониженный взлетный (стартовый) режим ведет к увеличению минимальной тяги (рис. 7а), что вызывает увеличение шума в пролетной точке (рис. 6). Оптимальное регулирование сопла приводит при той же тяге к повсеместному уменьшению скорости струи на дроссельных режимах и соответствующему снижению шума в к.т.

Начало дросселирования на оптимальных пониженных высотах позволяет заметно снизить скорость струи и шум в районе боковой к.т. (дроселирование тяги на 35% приводит к уменьшению скорости струи на 90м/с) а использование оптимального пониженного темпа дросселирования позволяет оптимально перераспределить изменение шума в пролетной и боковой к.т. так, чтобы обеспечить максимальное снижение суммарного шума на взлете.

Оптимальное регулирование сопла может быть реализовано системой автоматического управления соплом двигателя. Такая система должна будет пройти специальную сертификацию для подтверждения способности поддерживать заданный уровень тяги и шум на местности. Следует отметить, что подобные системы управления существуют на военных дви

–  –  –

На рис. 8 демонстрируются результаты случаев 1-5а в виде Парето-множеств в координатах рассматриваемых критериев дальности LОТН и шума dEMAX.

Видно, что исходная точка находится на Парето множестве случая 2, т.е. принятые в работе исходные значения ПЦД в совокупности с принятыми исходными ППС являются оптимальными с точки зрения обеспечения исходной дальности при минимальном шуме.

Для самолета с заданным взлетным весом и при заданных ограничениях по длине ВПП проведена оптимизация параметров управления взлетной тягой, таких как степень дросселирования тяги R ОТН, площадь критического сечения сопла FКР ОТН, высота начала HН dR и темп управляемого дросселирования тяги с целью снижения шума струи на взлете.

dt Для максимального увеличения эффективности снижения шума была также проведена оптимизация основных проектных параметров двигателя и самолета (степени двухконтурности m0, суммарной степени повышения давления К0, температуры газа на входе в турбину на взлете ТГ0, относительной взлетной тяги R 0 ОТН, удельной нагрузка на крыло G/S0 и крейсерского числа М полета MКР по критериям суммарной дальности полета и шума струи на взлете, которая показала:

оптимальное управление тягой на взлете и наборе высоты включает в себя использование оптимального способ дросселирования тяги с регулированием площади критического сечения сопла, оптимальное начало, темп и степень дросселирования тяги. Такое управление взлетной тягой позволяет значительно снизить суммарный шум струи на взлете, обеспечив запас в 4 EPNdB в каждой к.т.

Совместная оптимизация проектных параметров двигателя/самолета и управления взлетной тягой может способствовать максимальному улучшению соотношения летно-технических и акустических характеристик самолета. При необходимости с помощью совместной оптимизации каждая из этих характеристик может быть заметно улучшена без значительного ухудшения другой.

Оптимальными значениями проектных параметров и параметров управления взлетной тягой являются: m0 ОПТ = 2.2-2.7, К0 = 23-29, ТГ0 ОПТ = 1475-1625К, ОПТ

–  –  –

Оптимальная программа дросселирования тяги на высотах меньше 300м может быть встроена в БЦBМ и выдерживаться с помощью электронной автоматической системы управления. Выбором оптимального темпа уменьшения тяги можно обеспечить выход на минимальный (малошумный) режим работы двигателя на высотах полета выше 300м.

Библиографический список

1. Селиванов О.Д. Сверхзвуковые пассажирские самолеты, в кн. Научный вклад в создание авиационных двигателей, М:, Машиностроение, 2001.

2. ИКАО, Приложение 16,Охрана окружающей среды,Том I, «Авиационный шум»,4-е изд-е, 2005г.

3. А. М. Ахмедзянов, В. И. Ижикеев, Н. А. Матковская Формирование матмоделей ГТД переменного рабочего цикла. Изв. вузов. Авиационная техника, 1990, №3.

4. Авиационная акустика. В 2-х частях. Под ред. А.Г.Мунина. М, Машиностроение, 1986.

5. A. Mirzoyan, T. Chaika, A. Ilyin Community noise reduction of supersonic business jet”, International Journal of Aeroacoustics, Vol. 3, N 3, July 2004

6. А. А. Мирзоян Достижения в области исследований силовой установки сверхзвукового административного самолета. ЦИАМ 2001-2005. Основные результаты научно-технической деятельности.

7. A. Mirzoyan Studies on MDO of Engine Design Parameters with Mission, Noise and Emission Criteria at SSBJ Engine Conceptual Design, ICAS2008-4.2.3, Anchorage, USA, 2008

8. Y. Deremaux, А.А. Мirzoyan, A.M. Starik, P.А. Ryabov Engine and A/C MDO under environmental and mission criteria at the SSBJ conceptual design level, The 9th International Symposium International Conference “New challenges in aeronautics”, Moscow, 2007.

9. А. А. Мирзоян А.А., Рябов П.А. Исследование эффективности силовой установки САС с учетом акустических и эмиссионных характеристик. Труды «Всероссийской открытой конференции по Авиационной акустике», Москва, Том 1, С. 38-39, 2009.

Сведения об авторе Мирзоян Артур Амазаспович, начальник сектора отдела согласования двигателя и самолета ЦИАМ. Адрес: 111116, Москва, ул. Авиамоторная, 2 ;

Похожие работы:

«Организация Объединенных Наций CEDAW/C/BEN/4 Конвенция о ликвидации Distr.: General всех форм дискриминации 21 March 2012 Russian в отношении женщин Original: French Комитет по ликвидации дискриминации в отношении женщин Рассмотрение докладов, представленных государствами-участниками в соответст...»

«Lenovo TAB3 8 Plus Учебник Lenovo TB-8703F Lenovo TB-8703X Вся информация, помеченная звездочкой (*) в данном руководстве, относится только к модели WLAN+LTE (Lenovo TB-8703X). Введение Прежде чем использовать информацию и сам продукт, обязательно ознакомьтесь с перечисленными ниже разделами: Руковод...»

«1 Содержание: 1. Пояснительная записка.2. Учебный план.3. Учебно-тематический план первого года обучения.4. Содержание программы.5. Ожидаемый результат.6. Учебно-тематический план второго года обучения.7. Содержание программы....»

«Утверждено постановлением Центральной комиссии по выборам и проведению референдумов Кыргызской Республики от 8 июля 2011 года N7 ПОЛОЖЕНИЕ о порядке формирования и расформирования избирательных комиссий (в редакции постановления от 29 июля 2011 года № 68) 1. Общие п...»

«Information from Japan 08 April, 2011 НАС НЕ СЛОМИТЬ !3 Масштабы катастрофы и предпринимаемые меры по восстановлению. МЫ ОБЯЗАТЕЛЬНО ВОССТАНОВИМ НАШУ СТРАНУ Прошёл уже практически месяц со дня землетрясения в восточной Японии. В этом номере мы хотели бы ознакомить Вас со ставшими очевидными масштабами катастрофы, а также с...»

«Руководство по эксплуатации az Программное обеспечение AMABUS + Джойстик ZG-B Перед первым вводом в эксплуатацию необходимо MG4591 прочесть и соблюдать BAG0123.0 12.12 руководство по эксплуатации! Printed in Germany Храните для дальнейшего использования! ru Нельзя, чтобы чтение инструкций по эксплуатац...»

«Содержание программы Пояснительная записка стр. 3 1. Цель и задачи программы стр. 3 2. Содержание программы стр. 4 3. Планируемые результаты стр. 13 4. Условия реализации программы стр. 14 5. Формы аттестации стр. 15 6. Оценочные материалы стр. 15 7. Методическое обеспечение программы стр. 20 8. Литература стр. 22 9....»

«Суточный монитор артериального давления и ЭКГ серии BPLab Суточный монитор артериального давления BPLab® – первый отечественный монитор, прошедший испытания точности по международному...»

«СОВЕТ ДЕПУТАТОВ Шатурского муниципального района Московской области РЕШЕНИЕ г.Шатура от 01.07.2014г № 14/59 Об утверждении Правил по внешнему виду и размещению рекламных конструкций и средств р...»








 
2017 www.kn.lib-i.ru - «Бесплатная электронная библиотека - различные ресурсы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.