compozit2024

info space2024

go digital2024

gnu2024

iip2024

kmu 2024

goszakaz2024

helirus2024

ctt expo2024

vphr2024

rosmold plast2024

eltrans2024

army2024

sp tr expo2023

Сверхзвуковые перелёты ещё дешевле

01"Быстрее! Выше! Сильнее!" – девиз, с которым человечество продолжает наращивать темпы производства и заставляет научный мир достигать новых высот. На сегодняшний день перелеты между различными странами и доставка грузов авиационным транспортом являются обыденным делом.
Наибольшие скорости при этом может развивать сверхзвуковая авиация. Однако сверхзвуковая авиация занимает далеко не лидирующие позиции по  причине высокой стоимости таких перелетов и низких экологических показателей.
Для обеспечения таких перелетов необходимо устанавливать на самолеты (рисунки 1-3) самые современные и экономичные газотурбинные двигатели (ГТД), однако достичь сверхзвуковой скорости возможно лишь на так называемых «форсированных» режимах работы. Давайте разберемся, что это за режимы.

02

Рисунок 1. Самолет Concorde

03

Рисунок 2. Самолет Boom

04

Рисунок 3. Самолет Mustang business jet

В таких двигателях есть две камеры сгорания, которые обеспечивают преобразование энергии топлива в полезную работу. Основная камера сгорания (ОКС) работает всегда и обеспечивает большую часть потребной для полета работы. Однако для того, чтобы разогнать самолёт до сверхзвуковой скорости, необходимо задействовать еще одну камеру сгорания, называемую форсажной камерой сгорания (ФКС) (рисунок 4).

05
Рисунок 4. Продольный разрез турбореактивного двухконтурного, двухкаскадного двигателя (ТРДДФ) НК-144 с форсажной камерой сгорания

К сожалению, такие двигатели имеют невысокие показатели экономичности. При их работе на форсажном режиме затрачивается в 4-5 раз больше топлива по сравнению с дозвуковыми режимами работы. Наряду с этим, в форсажной камере сгорания вследствие недостаточно высокой полноты сгорания топлива образуется большое количество вредных выбросов. И это не позволяет таким двигателям удовлетворить требованиям, предъявляемым к пассажирским самолетам гражданской авиации.
Для решения этих проблем необходима разработка рациональных путей повышения полноты сгорания топлива в форсажной камере сгорания, обеспечивающих снижение вредных выбросов и суммарного расхода топлива на «форсированных» режимах полета.
При рассмотрении существующего способа управления форсажной камерой сгорания, включающего измерение положения рычага управления двигателем, измерение полного давления воздуха за компрессором, а также измерение температуры воздуха на входе двигателя и управление величиной подаваемого топлива в форсажную камеру сгорания [1] выявлено, что недостатком данного способа является низкая эффективность управления рабочим процессом камеры сгорания, обусловленная влиянием условий внешней среды на полноту сгорания топлива в циркуляционной зоне потока форсажной камеры сгорания [2,3].
Из анализа рабочего процесса следует, что повышение полного давления на выходе из форсажной камеры сгорания при сохранении неизменного расхода топлива свидетельствует о снижении эффективности сжигания топлива за счет ухудшения образования топливовоздушной смеси перед стабилизатором пламени и снижении коэффициента полноты сгорания топлива в циркуляционной зоне потока форсажной камеры сгорания.
Повышение эффективности управления рабочим процессом камеры сгорания возможно за счет измерения величины полного давления газового потока на выходе из форсажной камеры сгорания и управления положения топливного коллектора перед стабилизатором пламени.
В ходе исследований эффективности способов организации рабочего процесса в форсажной камере сгорания, проводимых в Военном учебно-научном центре Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» установлено, что требуемое значение коэффициента полноты сгорания топлива в циркуляционной зоне потока форсажной камеры сгорания может обеспечиваться корректировкой положения топливного коллектора относительно стабилизатора пламени, либо за счет программированного перераспределения топлива по коллекторам.
В рамках научных исследований в данном направлении был разработан способ управления рабочим процессом в форсажной камере сгорания, включающий измерение положения рычага управления двигателем, измерение полного давления воздуха за компрессором, а также измерение температуры воздуха на входе двигателя и управление величиной подаваемого топлива в форсажную камеру сгорания, отличающийся тем, что дополнительно измеряют величину полного давления газового потока на выходе из форсажной камеры сгорания и управляют положением топливного коллектора в форсажной камере сгорания.
На рисунке 5 приведена структурная схема устройства, с помощью которого может быть реализован разработанный способ управления форсажной камерой сгорания, где обозначено: 1.1 – датчик положения рычага управления двигателем; 1.2 – датчик полного давления воздуха за компрессором; 1.3 – датчик температуры воздуха на входе двигателя; 1.4 – датчик полного давления газового потока за форсажной камерой сгорания; 2.1 – первое программно-задающее устройство; 2.2 – второе программно-задающее устройство; 2.3 – третье программно-задающее устройство; 3.1 – первая схема сравнения; 3.2 – вторая схема сравнения; 3.3 – третья схема сравнения;  4.1 – первый регулятор; 4.2 – второй регулятор; 4.3 – третий регулятор.

06
Рисунок 5 – Структурная схема устройства реализующего способ управления форсажной камерой сгорания: mдк - координата золотника дозирующего крана топливного коллектора; φ дк  - угол поворота золотника дозирующего крана топливного коллектора; Lкол - значение положения золотника для выбора топливного коллектора

Датчики положения рычага управления двигателем, датчики полного давления воздуха за компрессором, датчики температуры воздуха на входе двигателя, датчики полного давления газового потока за форсажной камерой сгорания, предназначены для получения информации о параметрах работы газотурбинного двигателя. Устройство имеет три канала управления:
1) В первом канале управления вырабатывается управляющее воздействие для перемещения золотника дозирующего крана топливного коллектора в требуемое положение для обеспечения заданной величины подаваемого топлива;
2) Во втором вырабатывается заданное значение поворота золотника дозирующего крана топливного коллектора, обеспечивающего корректировку количества подаваемого топлива в зависимости от высоты и скорости полета (при этом от датчика полного давления воздуха за компрессором поступает сигнал во второе программно-задающее устройство, которое обеспечивает контроль возможности перехода от режима «МАКСИМАЛЬНЫЙ» на «МИНИМАЛЬНЫЙ ФОРСАЖ»);
3) В третьем канале программно-задающее устройство предназначено для выработки сигнала корректировки положения топливного коллектора в зависимости от значения полного давления газового потока на выходе из форсажной камеры.

Вывод
Важно отметить, что рабочий процесс в форсажной камере сгорания является сложным явлением, трудно поддающимся математическому описанию. Именно по этой причине работы в этом направления были, есть и будут актуальными для авиации и двигателестроения в целом.
Снизить стоимость сверхзвуковых перелетов и при этом количество вредных выбросов в атмосферу может позволить внедрение разработанного способа управления форсажной камерой сгорания ГТД, на который получен патент РФ на изобретение [4].

Список литературы
1. Турбореактивный двигатель с форсажной камерой сгорания АЛ-31Ф. Учебное пособие, под редакцией А.П. Назарова. М.: ВВИА, 1987., 313 с.
2. Кудрявцев А.В., Медведев В.В. Форсажные камеры и камеры сгорания ПВРД. Инженерные методики расчета характеристик. Москва: ЦИАМ, 2013. 131 с.
3. Кулагин В.В. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок: Учебник. Основы теории ГТД. Рабочий процесс и термогазодинамический анализ. Кн. 1. – М.: Машиностроение, 2002. 616 с.
4. Маяцкий С.А.,  Пахольченко А. А., Грасько Т.В., Колесников А.С., Тесля Д.Н., Хакимов Т.М. Способ управления форсажной камерой сгорания. Патент РФ на изобретение №2665567. Опубликовано 31.08.2018. Бюл.№25.

Денис ТЕСЛЯ,
Алексей ПОПОВ, д.т.н., доцент
Сергей МАЯЦКИЙ, к.т.н., доцент ВУНЦ ВВС
«ВВА имени профессора Н. Е. Жуковского
и Ю. А. Гагарина» (г. Воронеж)