Safety in TechnosphereSafety in TechnosphereБезопасность в техносфере1998-071X6a9c13fc32807fdbab8573b910.12737/6633Транспортная безопасностьTransport safetyТранспортная безопасностьAnalysis of Particle Motion in Wall-Free Concentrated Vortexes in Relation to Flight Safety ProblemАнализ движения частиц в свободных концентрированных вихрях применительно к проблеме безопасности полетовВараксинА. Ю.VaraksinA. Yu.varaksin_a@mail.ru
Попадание посторонних предметов в двигатели летательных аппаратов относится к актуальным проблемам, связанным с обеспечением безопасности
полетов. Одной из причин возможного попадания предметов в газовоздушный
тракт компрессора является возникновение вихревого жгута под воздухозаборником на поверхности взлетно-посадочной полосы при работе двигателя
на стоянке. В статье выполнен расчет движения твердых частиц в свободных
концентрированных вихрях, являющихся аналогами вихревых жгутов. Результаты расчетов позволили установить особенности поведения частиц различной инерционности (плотности и размеров) в вихрях различной интенсивности.
На основании расчетов и имеющихся экспериментальных данных предложен
безразмерный критерий, характеризующий поведение частиц в концентрированных вихревых структурах. С использованием этого критерия проведены
оценки максимального времени динамической релаксации частиц, засасываемых
в воздухозаборник вихревыми жгутами различной интенсивности. Знать динамику частиц в вихревых жгутах, формирующихся вблизи воздухозаборников
двигателей летательных аппаратов, необходимо для выработки методов их
защиты от возможного попадания посторонних предметов, находящихся на
взлетно-посадочной полосе, с целью обеспечить безопасность полетов.
The ingestion in aircraft engines is one of the actual problems related to the flight safety. One of possible reasons of ingestion
in the gas-air flow duct of compressor is a formation of vortex core under an air intake on a runway surface during engine
working on a stop. Calculations of the solid particles’ motion in wall-free concentrated vortexes, being the analogues of vortex
core have been made in this paper. The numerical results have allowed to find peculiarities of behavior for particles with
different inertia (different density and sizes) in vortexes of various intensity. Based on calculations and available experimental
data a dimensionless criterion had been supposed, which determines the particles’ behavior in concentrated vortex structures.
Estimations for maximal time of dynamic relaxation for particles involved in the air intake by vortex cores of different
intensities have been made with use of this criterion. The knowledge of particles’ dynamics in the vortex cores formed near
the air intake of aircraft engines is necessary to develop the methods to protect them from possible ingestion from the
runway to ensure the flight safety.
безопасность полетоввихревые течениядвижение частиц в свободных вихряхпопадание посторонних предметов
в двигатели.flight safetyvortex flowsparticles motion in wall-free vortexesingestion in aircraft engines.
1. Введение
Проблема повреждения лопаток компрессоров твердыми посторонними предметами (ПП), попадающими на вход двигателя, возникла одновременно с появлением в гражданской авиации самолетов с газотурбинными двигателями. Вследствие этого большое количество двигателей снимается с самолетов задолго до выработки ими гарантийного ресурса, что нарушает регулярность рейсов и приводит к неоправданно высокой загрузке заводов-изготовителей и ремонтных предприятий. Повреждение компрессоров снижает эксплуатационную надежность двигателей и безопасность полетов.
Повреждение газовоздушного тракта происходит преимущественно вследствие попадания в него частиц износа с взлетно-посадочной полосы, пыли, льда, града, воды, проволоки щеток снегоочистителей, птиц и т.п. В настоящее время известно, что попадание ПП в газовоздушный тракт компрессора происходит вследствие трех основных причин [1]:
во время рулежки, разбега и пробега из-под передних и основных колес шасси;
из-под струй газа при позднем закрытии створок реверса тяги при посадке самолета;
при работе двигателя на стоянке из-за возникновения вихревого жгута под воздухозаборником на поверхности взлетно-посадочной полосы (рис. 1, см. обл. 3 журнала).
Основные направления защиты двигателей от повреждений предполагают комплекс мероприятий, способствующих предотвращению попадания ПП в воздухозаборник, очистке воздуха на входе в двигатель от ПП и создание «самозащищенных» двигателей, сохраняющих свою работоспособность в случае попадания ПП.
Иноземцев А.А., Нихамкин М.А., Сандрацкий В.Л. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. - М.: Машиностроение, 2008. Т. 2. Компрессоры. Камеры сгорания. Форсажные камеры. Турбины. Выходные устройства.Inozemtsev A.A., Nikhamkin M.A., Sandratskiy V.L. Osnovy konstruirovaniya aviatsionnykh dvigateley i energeticheskikh ustanovok [Basics of designing aircraft engines and power plants: a textbook for high schools]. Vol. 2. Kompressory. Kamery sgoraniya. Forsazhnye kamery. Turbiny. Vykhodnye ustroystva [Compressors. The combustion chamber. Afterburner. Turbines. Output devices]. Moscow, «Mashinostroenie» Publ., 2008.Комов А.А. Расчетные исследования влияния компоновки силовой установки в составе воздушного судна на вихревое течение // Научный вестник МГТУ ГА. Серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов. - 2005. № 90(8). - С. 123-128.Komov A.A. Raschetnye issledovaniya vliyaniya komponovki silovoy ustanovki v sostave vozdushnogo sudna na vikhrevoe techenie [Computational studies influence the layout of the power plant as part of an aircraft on a vortex flow]. Nauchnyy vestnik MGTU GA. Seriya Ekspluatatsiya vozdushnogo transporta i remont aviatsionnoy tekhniki. Bezopasnost´ poletov [Scientific Bulletin MSTUCA. Series Operation of air transport and repair of aircraft. Safety]. 2005, I. 90(8), pp. 123-128. (in Russian)Комов А.А., Белоусов Г.Г. Основные закономерности повреждения лопаток компрессоров авиационных ГТД посторонними предметами // Научный вестник МГТУ ГА. Серия Эксплуатация воздушного транспорта. - 2008. № 134. - С. 25-34.Komov A.A., Belousov G.G. Osnovnye zakonomernosti povrezhdeniya lopatok kompressorov aviatsionnykh GTD postoronnimi predmetami [Basic laws of damage to compressor blades GTE foreign objects]. Nauchnyy vestnik MGTU GA. Seriya Ekspluatatsiya vozdushnogo transporta [Scientific Bulletin MSTUCA. Series Operation of air transport]. 2008, I. 134, pp. 25-34. (in Russian)Вараксин А.Ю. Гидрогазодинамика и теплофизика двухфазных потоков: проблемы и достижения (обзор) // Теплофизика высоких температур. - 2013. Т. 51. № 3. - С. 421-455.Varaksin A.Yu. Fluid Dynamics and Thermal Physics of Two-Phase Flows: Problems and Achievements. High Temperature, 2013. Vol. 51. I. 3, pp. 377-407. DOI: 10.1134/S0018151X13030073Kriebel A.R. Particle trajectories in a gas centrifuge // Trans. ASME. J. Basic Eng. - 1961. Vol. 83D. - P. 333-339.Kriebel A.R. Particle Trajectories in a Gas Centrifuge. Trans. ASME. J. Basic Eng, 1961. Vol. 83D, pp. 333-339.Вараксин А.Ю. Кластеризация частиц в турбулентных и вихревых двухфазных потоках // Теплофизика высоких температур. - 2014. Т. 52. № 5. - С. 777-796.Varaksin A.Yu. Clusterization of Particles in Turbulent and Vortex Two-Phase Flows. High Temperature, 2014. Vol. 52. I. 5, pp. 752-769. DOI: 10.1134/S0018151X14050204Вараксин А.Ю., Протасов М.В., Теплицкий Ю.С. К выбору параметров частиц для визуализации и диагностики свободных концентрированных воздушных вихрей // Теплофизика высоких температур. - 2014. Т. 52. № 4. - С. 581-587.Varaksin A.Yu., Protasov M.V., Teplitskii Yu.S. About Choice of Particle Parameters for Visualization and Diagnostics of Free Concentrated Air Vortices. High Temperature, 2014. Vol.52. I. 4. pp. 554-559. DOI: 10.1134/S0018151X14040257Вараксин А.Ю. Физическое моделирование воздушных смерчей // Безопасность в техносфере. - 2013. № 5. - С. 3-10.Varaksin A.Yu. Physical Modeling of Tornadoes. Bezopasnostґ v tekhnosfere. [Safety in Technosphere], 2014, I. 1, pp. 77-82. DOI: 10.12737/1572 (in Russian)