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        飛機設(shè)計中的飛發(fā)適配性研究

        2020-12-24 05:59:34周孟申王曉花
        國防制造技術(shù) 2020年2期
        關(guān)鍵詞:滑油飛機發(fā)動機

        周孟申 王曉花

        (中航飛機股份有限公司,710089)

        1 目前國內(nèi)飛機設(shè)計時發(fā)動機的選型現(xiàn)狀

        發(fā)動機是飛機的“心臟”,被譽為航空工業(yè)“皇冠”上的“明珠”,其先進性是衡量一個國家工業(yè)水平和能力的重要標志[1]。我國航空動力技術(shù)比較落后,嚴重制約了我軍裝備的更新?lián)Q代,已成為航空武器平臺發(fā)展的“瓶頸”技術(shù)之一。目前,我國軍用飛機因為沒有自主研發(fā)的先進發(fā)動機,不得不買國外發(fā)動機,或者用其首飛,或者進行仿制改型[2]。由于我國航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)發(fā)展的局限性,在飛機預研設(shè)計時,不能有配套的發(fā)動機預研設(shè)計方案,即發(fā)動機的研制工作與飛機的研制工作不能同步進行,也沒有符合時代需求的待選發(fā)動機。為此,飛機在做型號預研時,不得不考慮國內(nèi)發(fā)動機的現(xiàn)狀和國外可獲取發(fā)動機的現(xiàn)狀,來完成型號預研工作。在發(fā)動機選型設(shè)計時,就不能選擇到完全符合飛機自身需求的發(fā)動機,只能考慮大的方面,而忽略細節(jié)問題。對細節(jié)問題的忽略,使得在飛發(fā)匹配方面出現(xiàn)了一些嚴重制約型號研制的問題。

        2 各種設(shè)計規(guī)范中規(guī)定的發(fā)動機選型一般原則[3][4]

        各種飛機設(shè)計規(guī)范中規(guī)定的發(fā)動機選型設(shè)計一般原則為:

        發(fā)動機的推力或功率必須滿足飛機性能提出的要求;發(fā)動機的使用包線應(yīng)能包容飛機的飛行包線;

        發(fā)動機的外形尺寸應(yīng)盡量接近總體提供的數(shù)據(jù)且發(fā)動機應(yīng)能在總體給定的位置上進行安裝以及安裝形式應(yīng)盡量符合總體要求;

        發(fā)動機提供的交直流發(fā)電機的各種容量應(yīng)能滿足特設(shè)系統(tǒng)的要求;

        發(fā)動機液壓泵驅(qū)動軸應(yīng)能提供足夠的功率,滿足液壓系統(tǒng)提出的要求;

        發(fā)動機在各種狀態(tài)下提供的引氣量應(yīng)能滿足相對應(yīng)狀態(tài)下空調(diào)系統(tǒng)的引氣量;

        發(fā)動機為防冰系統(tǒng)提供引氣或用電時應(yīng)不影響其它系統(tǒng)或設(shè)備在各種條件下的正常工作。

        3 工程上關(guān)注較多的發(fā)動機與飛機適配性問題

        工程上發(fā)動機與飛機適配性問題一般在動力裝置方案論證階段考慮,就如前面提到的發(fā)動機選型原則一樣,主要是根據(jù)飛機總體性能要求,與型號總師及有關(guān)各專業(yè)組協(xié)調(diào),共同確定發(fā)動機型號并初步確定發(fā)動機安裝位置。

        在按要求選定發(fā)動機后,在詳細設(shè)計階段我們會考慮以下問題:發(fā)動機安裝架的設(shè)計計算、發(fā)動機艙的通風冷卻設(shè)計計算、發(fā)動機及其附件的拆裝、維修空間的協(xié)調(diào)、發(fā)動機與進氣道的連接及進氣道與發(fā)動機的工作適配性,發(fā)動機尾噴流對飛機操穩(wěn)特性的影響,發(fā)動機各工作狀態(tài)在飛行包線內(nèi)的使用時機,并給出相應(yīng)的計算結(jié)果。在完成計算工作的同時,還會安排與發(fā)動機穩(wěn)定工作有關(guān)的試驗,如:進氣道高、低速風洞試驗,全機及零、部件靜力試驗,全機地面共振試驗,發(fā)動機空中起動試驗、發(fā)動機艙通風冷卻試驗、動力裝置負加速度試驗、發(fā)動機工作特性檢查試驗、發(fā)動機安裝功率損失測量試驗等。安排這些計算、試驗工作的目的是通過計算和試驗驗證發(fā)動機能否與該型飛機匹配工作并達到預期的飛機設(shè)計指標。

        圖1 發(fā)動機油門特性曲線

        4 目前發(fā)動機與飛機適配性使用方面出現(xiàn)的問題

        如前所述,在動力裝置系統(tǒng)選型設(shè)計和詳細設(shè)計時,對于發(fā)動機與飛機的適配性問題我們已給出了高度重視,但由于目前國內(nèi)航空發(fā)動機發(fā)展的局限性,我們在飛機的實際研制工作中遇到了不少的問題。下面就某型飛機設(shè)計中出現(xiàn)的一些細節(jié)問題做一分析。

        4.1 發(fā)動機全功率范圍推力匹配問題

        在某型號飛機設(shè)計中,我們遇到這么一個問題。在該型飛機試飛過程中,飛行員多次反映發(fā)動機轉(zhuǎn)速在77%~87%范圍內(nèi)難以對發(fā)動機進行小轉(zhuǎn)速變化操縱控制。經(jīng)分析發(fā)動機油門特性曲線(圖1)發(fā)現(xiàn),該特性為發(fā)動機自身的設(shè)計特點,目前沒有改變的可能。同時,在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),設(shè)置有發(fā)動機的兩套防喘裝置工作點,而防喘裝置工作時,發(fā)動機的推力會出現(xiàn)躍變,不再是一個平滑的連續(xù)曲線。發(fā)動機的正常工作要求快速避開該轉(zhuǎn)速區(qū),所以油門特性在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)曲線較陡。反應(yīng)在駕駛艙內(nèi)發(fā)動機的操縱為,在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),發(fā)動機操縱反應(yīng)靈敏度高。而在飛機進場著陸時,飛行員會在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)對發(fā)動機轉(zhuǎn)速進行微調(diào),即飛行員想通過座艙內(nèi)發(fā)動機油門操縱桿位置的微小變化得到發(fā)動機在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)推力的微小變化,以達到飛機進場速度的要求。而飛機在進場著陸時,飛行員的任務(wù)很重,這就給飛機操縱人員提出了較高的操縱技術(shù)要求。經(jīng)了解,該型發(fā)動機安裝在另一型飛機上時是四發(fā)安裝方案,在飛機進場著陸時,飛行員會使用對稱操縱兩臺發(fā)動機的方法獲得合適的組合推力,即外側(cè)兩臺發(fā)動機和內(nèi)測兩臺發(fā)動機分別在對稱的兩臺高于87%,另兩臺低于77%。而在某型飛機上,是兩臺發(fā)動機的安裝方案,不能使用對稱操作,只能進行同步操作,僅靠飛行員對發(fā)動機進行微動操作。實際上,發(fā)動機推力與飛機的適配性在設(shè)計初期已有考慮,但當時對問題的定位只局限于起飛、巡航、著陸階段,甚至為了滿足飛機的著陸要求,專題研究了降低發(fā)動機慢車推力的可行性。而對于飛機進場階段與發(fā)動機的適配性,實際上并沒有給與關(guān)注,因此留下了一個較為難解的課題。

        同樣,在我國設(shè)計生產(chǎn)的另一型渦槳飛機上,飛行員也曾提出飛行慢車功率小的問題。實際上該問題在試飛階段試飛員已經(jīng)提出,而當時只要我們提出要求,發(fā)動機廠商會通過正常研制程序?qū)⒋藛栴}輕易解決。由于有關(guān)人員對試飛報告的忽略及對計算方法的不掌握,無法提出飛行慢車功率的增加量,致使該問題遺留至今。

        以上發(fā)動機功率或推力在飛機使用過程中發(fā)現(xiàn)的與飛機某些狀態(tài)無法完美匹配的問題提示我們,如果忽略細節(jié),帶來的后果是十分嚴重的。

        4.2 發(fā)動機主要系統(tǒng)工作方面的問題

        同是在我們設(shè)計生產(chǎn)的某型軍用飛機上,在發(fā)動機安裝到飛機上后的停放過程中,發(fā)現(xiàn)從該發(fā)動機的恒速傳動裝置的空氣渦輪排氣口處漏滑油。經(jīng)現(xiàn)場觀察,滑油滴漏速度約為每分鐘10 滴~30 滴,漏出的滑油總量約在1L 左右。

        滑油滴漏不但會嚴重影響發(fā)動機的滑油消耗量,而且會造成機場污染。針對此故障現(xiàn)象,我們對該型發(fā)動機滑油系統(tǒng)的工作原理、密封形式及其系統(tǒng)附件結(jié)構(gòu)形式進行了認真的分析,并通過一定的試驗驗證,最終找到了滑油滲漏的原因。

        原來,該型發(fā)動機在他型飛機上安裝時,其上仰安裝角度是0o,而該型發(fā)動機安裝到某型飛機上時,初始上仰設(shè)計安裝角度為3o,飛機正常停放時,還存在停機迎角,我們估算時按3o考慮。這樣,發(fā)動機的上仰傾斜角度就為6o。該發(fā)動機的恒速傳動裝置的空氣渦輪的密封形式為“迷宮式”封嚴裝置,在“迷宮式”封嚴裝置中,“迷宮”封嚴裝置的一邊是高壓滑油,一邊通封嚴(高壓)氣體,用封嚴氣體阻止滑油從“迷宮”封嚴裝置的一側(cè)進入另一側(cè),這樣在發(fā)動機工作時,滑油不會從油路中滲漏。

        在發(fā)動機不工作時,發(fā)動機上仰傾斜后,封嚴裝置的另一邊無高壓封嚴氣體,滑油就會經(jīng)由后傳動機匣,進入空氣渦輪轉(zhuǎn)軸潤滑油路,經(jīng)“迷宮式”封嚴裝置的封嚴空氣通道,進入空氣渦輪渦管,并在渦管內(nèi)積聚。當渦管內(nèi)滑油油面高于空氣渦輪出口時,滑油就從空氣渦輪排氣管排出。

        4.3 發(fā)動機使用環(huán)境變化引起的發(fā)動機系統(tǒng)工作偏差問題

        在某型先進戰(zhàn)斗機上安裝的某型我國自主研制的先進發(fā)動機,該機與某型先進飛機的發(fā)動機地面臺架性能基本相當,主要區(qū)別在于發(fā)動機的核心機不同且發(fā)動機雙轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)動匹配方向差異上。但由于當時對新研制的發(fā)動機的起動負載無法提出準確的需求,在研制時,安裝了某國外發(fā)動機上的起動機,由于研制場所在東北,當時試驗時起動機與發(fā)動機基本匹配,因此,對該起動機進行了國產(chǎn)化仿制,當該型發(fā)動機在我國南方機場使用時,就出現(xiàn)了起動時間超長的問題,比設(shè)計指標長一倍之多,空中起動包線也明顯窄于進口發(fā)動機。這是附件(起動機)的工作環(huán)境變化引起的系統(tǒng)工作偏差范例。

        大家知道,我國早期的飛機大都是蘇式飛機的仿制品,所以,安裝在飛機上的發(fā)動機在設(shè)計時是根據(jù)蘇聯(lián)的氣候特征設(shè)計的。在我們仿制的某大型運輸機上,也曾因為發(fā)動機使用環(huán)境變化引起滑油溫度超出設(shè)計指標的問題,當發(fā)動機在寒帶使用時發(fā)動機滑油溫度偏低,而當發(fā)動機在熱帶使用時,滑油溫度則偏高。經(jīng)過對發(fā)動機滑油系統(tǒng)進行分析,發(fā)現(xiàn)是發(fā)動機滑油散熱器設(shè)計時,散熱面積設(shè)計不盡合理,不能涵蓋我國的機場使用情況造成的。該問題在另一型蘇式仿制運輸機上也有反映,我們對發(fā)動機滑油散熱器的散熱面積進行了重新設(shè)計,即將散熱器的迎風面積進行了適當增加,但該型發(fā)動機在我國北方使用時,仍有發(fā)動機滑油溫度偏低的現(xiàn)象,而在我國南方使用時,系統(tǒng)工作正常。這種現(xiàn)象就是因為發(fā)動機使用環(huán)境變化引起的系統(tǒng)工作偏差。

        4.4 發(fā)動機高壓引氣口法蘭盤裂紋問題

        同樣在該型飛機上,安裝發(fā)動機高壓引氣口法蘭盤的機匣出現(xiàn)了穿透性裂紋。引氣管與發(fā)動機的連接,需要足夠的位移補償,以減小由于發(fā)動機推力引起的位移使得連接部位應(yīng)力過大。此處設(shè)計不足,輕者引起疲勞裂紋,無法滿足首翻期壽命要求,重者可能導致瞬間損壞,高壓空氣泄露,產(chǎn)生安全隱患。

        關(guān)于位移補償,實際上設(shè)計前期給過了考慮,只不過由于空間小,補償器安裝形式很不好,型號研制周期窗口緊張,發(fā)動機引氣口不能按要求進行最佳布局設(shè)計。另外,由于采用的是進口發(fā)動機,國內(nèi)發(fā)動機支援單位對發(fā)動機了解甚少,飛發(fā)匹配經(jīng)驗欠缺,對發(fā)動機的損壞影響估計不足,而飛機設(shè)計師僅僅考慮了對其他相關(guān)系統(tǒng)的影響。

        5 對出現(xiàn)的發(fā)動機與飛機適配性問題的分析

        以上列舉的發(fā)動機性能與飛機性能在某些時候不能完美匹配以及發(fā)動機在安裝到飛機上后出現(xiàn)的滑油系統(tǒng)工作不正常問題,充分體現(xiàn)了我們在發(fā)動機選型設(shè)計時沒有去完整考慮發(fā)動機的使用環(huán)境,有的只考慮起飛而不顧著陸,有的只考慮空中而不管地面,有的只考慮工作而不關(guān)注停放,有的只考慮低溫而忽視高溫,有的只考慮飛機而未關(guān)注發(fā)動機。這些問題說明我們的飛機設(shè)計人員有嚴重的經(jīng)驗缺陷,也沒有嚴謹而系統(tǒng)的思維,并且有的是其他型號上在吃虧后沒有認真地總結(jié)經(jīng)驗,吸取教訓。

        飛機設(shè)計工作是一個非常復雜的工作,設(shè)計工作的每一步都要認真去做。工作的復雜性提示我們,一個成功的型號不可能是一朝一夕就可完成的。急功近利和得過且過的態(tài)度是飛機研制中的大忌。飛機設(shè)計師,包括系統(tǒng)設(shè)計師要有高度的負責精神和敏感的神經(jīng)系統(tǒng),不能有絲毫的僥幸心理和盲從習慣。飛機的使用環(huán)境不同、其上所裝設(shè)備不同,必然有不同的表現(xiàn)結(jié)果。如果對這些不認真考慮,那我們在后期的其他型號上可能會犯同樣的錯誤。

        6 結(jié)論

        局限于國內(nèi)航空發(fā)動機的現(xiàn)狀,飛發(fā)適配性設(shè)計時,很難有完全適配于飛機需求的發(fā)動機。因此,飛發(fā)適配性設(shè)計應(yīng)盡量滿足本文第2 節(jié)所列的一般原則,并且需要考慮飛發(fā)不完全適配帶來的其他問題,如文中提到的發(fā)動機全功率范圍推力匹配問題。除此之外,還需要細致考慮飛機具體使用環(huán)境和工作狀態(tài)(地面/空中)對發(fā)動機本身及相關(guān)系統(tǒng)帶來的影響,并應(yīng)通過試驗進行驗證,避免后期飛機發(fā)動機及相關(guān)系統(tǒng)出現(xiàn)各種問題,給使用和維護帶來不便。

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