Анализ возможности применения электромагнитной системы балансировки двигателя ВС при разрушении лопаток

1. Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство воздушного транспорта (Росавиация) ФЕДЕРАЛЬНОЕ

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА (РОСАВИАЦИЯ)
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ОБРАЗОВАНИЯ
«УЛЬЯНОВСКИЙ ИНСТИТУТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ ИМЕНИ ГЛАВНОГО МАРШАЛА АВИАЦИИ
Б.П. БУГАЕВА»
Кафедра авиационной техники
Выпускная квалификационная работа
на тему: «Анализ возможности применения электромагнитной системы
балансировки двигателя ВС при разрушении лопаток вентилятора»
Выпускник: курсант группы П-17-7
Свеклова А.В.
Руководитель: доцент кафедры АТ, к.т.н.
Сагитов Д.И.
Ульяновск 2022

2. Цели и задачи ВКР

Цель работы: провести анализ возможности применения электромагнитной системы
балансировки двигателя ВС при разрушении лопаток вентилятора.
Задачи:
• Произвести обзор нынешнего состояния развития реактивных авиационных двигателей;
• Определить какое место занимают двухконтурные турбореактивные двигатели в
современной авиации;
• Рассмотреть современные методы борьбы с последствиями возникновения дисбаланса
в турбореактивном двухконтурном двигателе из-за разрушения вентилятора;
• Оценить актуальность применения устройства балансировки двигателя в случае обрыва
лопатки ВС, изучив авиационные события, связанные с возникновением дисбаланса
после разрушения лопаток вентилятора;
• Разработать устройство балансировки турбореактивного двухконтурного двигателя
воздушного судна в случае обрыва лопатки вентилятора
• Проанализировать возможность применения электромагнитной системы балансировки
двигателя ВС при разрушении лопаток вентилятора
2

3. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Схема турбореактивного двигателя
Схема турбовинтового двигателя
Турбореактивный двигатель (ТРД)
• имеет широкие возможности по регулировке и
повышению мощности при относительно небольшом
увеличении массы
• обеспечил значительный скачок скорости полета до
околозвуковых значений (900-1000 км/ч)
• имеет существенно меньшую топливную экономичность
по сравнению с поршневыми двигателями на низких
скоростях полета
• требует значительного утяжеления конструкции
самолета из-за необходимости размещения большого
запаса топлива для полета
Турбовинтовые двигатели (ТВД)
• наименьший расход топлива на единицу транспортной
работы обеспечила лидирующие позиции ТВД в конце
50-х в качестве двигателей гражданских ВС.
• заложил основу для развития гражданской авиации как
экономически эффективного вида транспорта 3

4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Двухконтурный
(ТРДД)
турбореактивный
двигатель
• по принципу создания тяги занимают
промежуточное положение между ТРД и ТВД.
Роль движителя в ТРДД частично выполняет
вентилятор
относительно
небольшого
диаметра;
Схема двухконтурного турбореактивного двигателя
• Скорость полета увеличена до 900-950 км/ч;
• Благодаря своим положительным качествам
ТРДД в 60-е годы превратились в наиболее
распространенный
тип
газотурбинных
двигателей;
Схема потоков газа, проходящих через ГТД
• Являются самым распространенным типом
двигателей, использующимся в современной
коммерческой гражданской авиации.
4

5. СИСТЕМА БАЛАНСИРОВКИ В СЛУЧАЕ РАЗРУШЕНИЯ ВЕНТИЛЯТОРА ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВУХКОНТУРНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Обзор существующих способов борьбы с вибрацией двигателя после разрушения лопаток вентилятора
Введение в конструкцию двигателя «слабого звена» (СЗ)
• вводится в опоры ротора;
• при достижении определенной нагрузки болты срезаются,
после чего опора перестает воспринимать нагрузку;
• предотвращает значительные разрушения в случае обрыва
лопатки вентилятора, является специальное устройство,
вводимое в опоры ротора;
• Дальнейшее использование двигателя для продолжения
полета невозможно.
Отключение отказавшего двигателя
• Разбалансированный двигатель с разрушенным
вентилятором отключается экипажем.
1 — вентилятор; 2 — вал низкого давления; 3
— вал высокого давления; 4 — ротор
подпорных ступеней (ПС); 5 — КНД; 6 —
КВД; 7 — камера сгорания (КС); 8 — ТВД; 9
— ТНД; 10 — передняя опора вентилятора;
11 — задняя опора вентилятора; 12 — опора
ТНД; 13 — опора КВД; 14 — опора ТВД; 15
— передняя подвеска; 16 — задняя подвеска;
17 — мотогондола ; 18 — отсоединяемая
опора вентилятора.
Рисунок 5 – Схема авиационного
турбореактивного двухконтурного двигателя
5

6. СИСТЕМА БАЛАНСИРОВКИ В СЛУЧАЕ РАЗРУШЕНИЯ ВЕНТИЛЯТОРА ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВУХКОНТУРНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Способ электромагнитной балансировки двигателя воздушного судна
Корпус-тор устройства балансировки в разрезе
а) В деактивированном состоянии; б) В активированном
состоянии
Схематичное изображение системы балансировки
двигателя
Балансировочная система содержит:
• корпус, выполненный в виде тора;
• магнитореологическую жидкость, включающую в себя жидкость-носитель и
магнитные частицы подвешенные. Вязкость магнитореологической жидкости
обеспечит вращение магнитных частиц внутри корпуса с той же радиальной
скоростью, что и лопатки вентилятора;
• массу магнитных частиц равную массе одной и половине аэродинамической
части лопатки;
• электромагниты, соединённые с внешней стороной корпуса, количество
электромагнитов соответствуют количеству лопаток вентилятора двигателя;
• датчики, встроенные в аэродинамические части
лопаток;
• система включает электродвигатель, вращающий
корпус с той же угловой скоростью, что и
вентилятор двигателя;
• электронный блок управления балансировкой,
который может быть на борту воздушного судна в
отсеках, предназначенных для расположения других
систем и оборудования ВС или находится в
Электромагнит
непосредственной близости к двигателю.
6

7. СИСТЕМА БАЛАНСИРОВКИ В СЛУЧАЕ РАЗРУШЕНИЯ ВЕНТИЛЯТОРА ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВУХКОНТУРНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Блок- схема программы, обеспечивающей функционирование системы балансировки двигателя
№1 – блок управления балансировкой принимает
сигналы присутствия от датчиков лопаток вентилятора;
№2 – блок управления балансировкой определяет,
обнаружены ли все лопатки вентилятора. Если сигналы
присутствия получены от всех датчиков лопаток
вентилятора – все лопатки вентилятора на предписанных
им местах и присутствуют в двигателе.
Если все лопатки обнаруживаются на №2, схема
переходит к элементу №3:
№3 – поддержание электромагнитов в деактивированном
состоянии.
Блок-схема способа балансировки двигателя самолета
Если не все лопатки вентилятора обнаружены на этапе
№2, схема переходит к этапу №4
№4 –блок управления активирует электромагнит,
связанный с отсутствующей лопаткой вентилятора.
№5 – магнитные частицы притягиваются к
активированному электромагниту, компенсируя на этапе
№6 недостающую массу лопатки вентилятора
7

8. СИСТЕМА БАЛАНСИРОВКИ В СЛУЧАЕ РАЗРУШЕНИЯ ВЕНТИЛЯТОРА ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВУХКОНТУРНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Достоинства электромагнитной системы балансировки двигателя воздушного судна
Систему балансировки возможно компактно расположить на
роторе двигателя, что снизит вес устройства;
применение электродвигателя для вращения корпуса
устройства является относительно легким вариантом
привода вращающего момента, что так же говорит о том, что
установка системы балансировки на ВС не сильно добавит
вес к общему весу самолета;
Работу системы обеспечивает простой в исполнении
алгоритм, не требующий специфического и дорогого
электронного обеспечения;
Вариант расположения электромагнитов системы
балансировки вокруг ротора двигателя летательного аппарата
• Применение данной системы даст
возможность не останавливать двигатель и
не уменьшать обороты ниже требуемых для
нормального продолжения полета в случае
обрыва лопатки двигателя
• Система не является трудоемкой и дорогой в
плане изготовления.
1 – двигатель, 2 – лопатка вентилятора, 2‘ – отсутствующая лопатка, 2а – часть лопатки вентилятора, крепление
типа «ласточкин хвост»,
2b – аэродинамическая часть лопатки вентилятора, 3– датчик, 4– корпус балансировачного устройства,
5–, корпус в виде тора, 6– магнитореологическая жидкость, 7– внутренняя полая камера,
8– жидкость- носитель, 9– магнитные частицы, 10– электромагнит(ы), 11– катушки, 12– корпус двигателя, 13–
передняя кромка впускного устройства,
14 – вал вентилятора, 15– стенка, отделяющая второй контур от первого.
8
Вид двигателя в поперечном сечении и вид сзади

9. ВЫВОДЫ

В ходе выполнения выпускной квалификационной работы были выполнены все поставленные
задачи, а именно: рассмотрены компоненты системы и их взаимосвязь, проведен анализ принципа работы
отказоустойчивой
архитектуры
предлагаемого
устройства,
а
также
рассмотрены
особенности
отказоустойчивой электрической силовой установки воздушного судна.
Благодаря мировым тенденция электрификации и борьбы за экологию, данное направление
будет стремительно развиваться.
Переход на электрические двигатели позволит уменьшить затраты на обслуживание, за счёт
простоты их конструкции; уменьшить количество вредных выбросов. А предлагаемая в данной работе
система, позволит повысить отказоустойчивость перспективных электрических силовых установок на
основе комплексно принятых решений по повышению их надежности.
9

10.

В ходе ВКР был проведен анализ возможности применения электромагнитной системы
балансировки двигателя ВС при разрушении лопаток вентилятора.
Решены поставленные задачи:
1.
Произведен обзор нынешнего состояния развития реактивных авиационных двигателей;
2.
Определено какое место занимают двухконтурные турбореактивные двигатели в
современной авиации;
3.
Рассмотрены современные методы борьбы с последствиями возникновения дисбаланса в
турбореактивном двухконтурном двигателе из-за разрушения вентилятора;
4.
Проведена оценка актуальности применения устройства балансировки двигателя в случае
обрыва лопатки ВС, после изучения авиационных событий, связанных с возникновением
дисбаланса после разрушения лопаток вентилятора;
5.
Разработано устройство балансировки турбореактивного двухконтурного двигателя
воздушного судна в случае обрыва лопатки вентилятора;
6.
Проанализирована возможность применения электромагнитной системы балансировки
двигателя ВС при разрушении лопаток вентилятора
10