Analiza parametrów eksploatacyjnych silnika samolotu wielozadaniowego

MERKISZ Jerzy 1 MARKOWSKI Jarosław 2 PIELECHA Jacek 3 ŚLUSARZ Grzegorz 4 Analiza parametrów eksploatacyjnych silnika samolotu wielozadaniowego WSTĘP Samolot wielozadaniowy jako obiekt techniczny o określonej funkcji przeznaczenia i właściwościach eksploatacyjnych, wynikających z jego konstrukcji, oddziałuje na otoczenie w przestrzeni eksploatacyjnej w sposób mechaniczny, będąc źródłem zaburzeń czynnika w którym się przemieszcza oraz w sposób chemiczny, generując emisję związków szkodliwych wynikających z konieczności wykorzystania materiałów eksploatacyjnych i paliw. Eksploatacja samolotów wielozadaniowych charakteryzuje się w odróżnieniu od cywilnych statków powietrznych dużą zmiennością parametrów lotu. Jedną z cech charakterystycznych dla samolotów wielozadaniowych jest zdolność do wykonywania różnych zadań lotniczych związanych z pościgiem, walką powietrzną na różnej wysokości, przechwytywaniem celów oraz z rozpoznaniem pola walki czy patrolowaniem. Wszystkie te zadania różnią się od siebie charakterem definiowanym parametrami, np. wysokością lotu, prędkością lub rodzajem wykonywanych manewrów i charakteryzują się dużą złożonością jak np. podczas atakowania celów naziemnych (rys. 1). Rys. 1. Manewry wykonywane przez samolot wielozadaniowy podczas ataku celów naziemnych [8]: 1 wiraż o kąt 45 o, 2 wiraż o kąt 6 o, 3 półwiraż w lewo, 4 zwrot bojowy w lewo, 5 nurkowanie, 6 półwiraż w prawo, 7 zwrot bojowy w prawo, 8 nurkowanie, 9 półwiraż w lewo, 1 zwrot bojowy w lewo, 11 nurkowanie, 12 półwiraż w prawo, 13 zwrot bojowy w prawo, 14 nurkowanie, 15 imelmman, 16 nurkowanie, 17 górka, 18 spirala 1 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; 6-965 Poznań; ul. Piotrowo 3, Tel: +48 61 665 227, Fax: +48 61665 224, jerzy.merkisz@put.poznan.pl 2 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; 6-965 Poznań; ul. Piotrowo 3, Tel: +48 61 647 5992, Fax: +48 61665 224, jaroslaw.markowski@put.poznan.pl 3 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; 6-965 Poznań; ul. Piotrowo 3, Tel: +48 61 665 2118, Fax: +48 61665 224, jacek.pielecha@put.poznan.pl 4 2 Skrzydło Lotnictwa Taktycznego w Poznaniu, Jednostka Wojskowa 391; 61-716 Poznań; ul. Kościuszki 92/98, Tel: + 48 61 857 2293 738

v f [m/s], n 1 /n 1 max, n 2 /n 2 max, WO [%] h f [m], G e [kg/h] Wszystkie przedstawione parametry lotu mają swoje odzwierciedlenie w charakterystyce eksploatacyjnej zespołu napędowego, a tym samym w emisji związków szkodliwych zawartych w spalinach silnikowych. Obecny poziom techniki pomiarowej związanej z badaniem emisji związków szkodliwych spalin, nie pozwala na przeprowadzenie pomiarów emisji związków szkodliwych zawartych w spalinach podczas realizowanych lotów. Duży problem w tym zakresie stanowi zagadnienie poboru próbek spalin do analizy oraz bezpieczne umiejscowienie aparatury pomiarowej. W związku z wymienionymi ograniczeniami badania emisji związków szkodliwych zawartych w spalinach silnikowych realizuje się podczas stacjonarnego testu LTO. Badania tego typu nie pozwalają jednak określić wartości natężenia emisji poszczególnych związków szkodliwych spalin w rzeczywistych warunkach eksploatacji. W związku z tym poszukuje się nowych sposobów, które umożliwią dokładniejszą ocenę emisji związków szkodliwych z samolotów wielozadaniowych. Jedną z koncepcji jest ocena emisji zanieczyszczeń wykorzystująca funkcyjne powiązanie parametrów eksploatacyjnych z parametrami emisyjnymi. Dlatego ważną kwestią jest analiza parametrów eksploatacyjnych, zarejestrowanych przez pokładowe rejestratory parametrów lotu. Z wielu rejestrowanych przez rejestrator parametrów eksploatacyjnych, niektóre mogą być wykorzystywane do analizy warunków eksploatacji samolotu, a w szczególności jego zespołu napędowego. Do oceny warunków eksploatacyjnych samolotu można wykorzystać np. zarejestrowane przebiegi prędkości lotu samolotu v f, wysokości lotu h f, nastawy dźwigni mocy P p, temperatury spalin T s2 oraz informacji o włączeniu dopalacza, względnej prędkości obrotowej wału turbiny pierwszego stopnia n 1 i wału turbiny drugiego stopnia n 2, względnego otwarcia dyszy wylotowej spalin WO, chwilowego zużycia paliwa G e (rys. 2). 2 18 vf n1 n2 WO hf Ge 2 18 16 16 14 12 1 8 6 4 2 14 12 1 8 6 4 2 2 4 6 8 t [s] Rys. 2. Wybrane parametry eksploatacyjne samolotu wielozadaniowego i jego silnika zarejestrowane podczas lotu Znając warunki eksploatacyjne samolotu i jego napędu można je powiązać z parametrami emisji spalin [1 6], a następnie można przeprowadzić analizę uzyskanych danych ukierunkowanych na ocenę emisji zanieczyszczeń z silnika samolotu wielozadaniowego. 1 ANALIZA PARAMETRÓW EKSPLOATACYJNYCH Silniki samolotu wielozadaniowego podczas eksploatacji są poddawane ciągłej diagnostyce najważniejszych parametrów eksploatacyjnych, a ich wartości są rejestrowane z wykorzystaniem pokładowych rejestratorów parametrów lotu samolotu. Przeprowadzono analizę wartości parametrów eksploatacyjnych, dla napędów kilku samolotów, występujących podczas wybranych losowo lotów o charakterze patrolowym i szkoleniowym. 739

K/K n [%] Przykładowy przebieg parametrów eksploatacyjnych silnika zarejestrowany podczas jednego z lotów przedstawiono na rysunku 3. Biorąc pod uwagę wartości względnej siły ciągu K/K n zależnej od wielu parametrów eksploatacyjnych silnika, występującej w poszczególnych fazach eksploatacji można przedstawić je w funkcji wartości względnej prędkości obrotowej wału n 1. Przyporządkowanie poszczególnych faz eksploatacyjnych wartościom punktów rejestrowanych podczas lotu umożliwiło wyznaczenie obszarów eksploatacyjnych definiowanych siłą ciągu w funkcji prędkości obrotowej wału n 1. 2 18 16 14 12 uruchomienie i rozgrzewanie start lądowanie kołowanie lot kołowanie i chłodzenie 1 8 6 4 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 n 1 /n 1 n [%] Rys. 3. Analizowane parametry w obszarze eksploatacyjnym silnika zarejestrowane podczas lotu samolotu Spośród wielu danych rejestrowanych przez rejestrator do analiz warunków eksploatacyjnych wybrano prędkość obrotową wałów silnika n 1 i n 2, położenie dźwigni mocy P p, zużycie paliwa G e, temperaturę gazów wylotowych na drugim stopniu turbiny T sp, wartość względną otwarcia dyszy wylotowej spalin oraz informację dotyczącą załączenia dopalacza. Na podstawie rozkładu punktów przyporządkowanym danym fazom można scharakteryzować przebieg lotu. Wyszczególnione punkty odpowiadające fazie uruchomienia i rozgrzewania silnika znajdują się w większości w obszarze do K/K max = 4% i do n 1 /n 1 nom = 7% wału stopnia niskoprężnego. W fazie tej występuje kilka punktów wykraczających poza wyznaczony obszar, są to punkty związane z weryfikacją poprawności działania regulatora otwarcia dyszy wylotowej spalin. W wyznaczonym obszarze eksploatacyjnym zawierają się również punkty przypisane fazie kołowania i częściowo fazie lądowania. Fazę lądowania można podzielić na dwa etapy. Pierwszy podejście do lądowania, w którym parametry eksploatacyjne silnika należą do zakresu eksploatacyjnego odpowiadającego warunkom lotu i są zawarte w obszarze K/K max = 4 8%, n 1 /n 1 nom = 7 8%. Etap drugi lądowanie, gdzie parametry silnika charakteryzują się wartościami nie przekraczającymi K/K max = 4% i n 1 /n 1 nom = 7%. Podobnego podziału można dokonać w przypadku fazy startu. W pierwszym etapie rozpędzanie i start, można wyznaczyć obszar odpowiadający zakresowi K/K max = 1% i n 1 /n 1 nom = 96%. Drugi etap dotyczy fazy wznoszenia po starcie, rozkład wartości w zakresie K/K max = 8 9% i n 1 /n 1 nom = 85 9%. Przykład względnych wartości siły ciągu i prędkości obrotowej wału wentylatora występujących podczas startu, dotyczy przypadku startu samolotu bez włączonego dopalacza i z małym ładunkiem. Podczas startu z pełnym obciążeniem samolotu zazwyczaj wykorzystuje się dopalacz. Włączenie dopalacza zwiększa moc napędową silnika o około 7% i pochodzi ona przede wszystkim z masy paliwa dodatkowo spalanego w komorze dopalacza, która znajduje się za zestawem turbin silnika. Energia wydzielana z paliwa dostarczanego do komory dopalacza, zwiększa energię spalin wypływających z dyszy wylotowej, a tym samym uzyskiwaną siłę ciągu. Jednocześnie należy podkreślić, że użycie dopalacza nie wpływa na zmianę parametrów prędkości obrotowej wałów n 1 i n 2 silnika. Przepływ powietrza przez silnik odpowiada wartościom występującym przy nastawach ciągu maksymalnego uzyskiwanego bez dopalacza. Obszar 731

K/K n [%] eksploatacji silnika z włączonym dopalaczem obejmuje punkty względnej siły ciągu o wartości większej niż K/K max = 15%. Największy obszar eksploatacyjny dotyczy punktów z fazy lotu. Zawiera się on między K/K max = 4 17% oraz n 1 /n 1 nom = 45 15% prędkości obrotowej wału stopnia niskiego ciśnienia. W związku z czym zawiera zróżnicowane wartości względnej siły ciągu w funkcji prędkości wału n 1. Z przedstawionej analizy wynika, że eksploatacja silnika dwuprzepływowego o małym stopniu dwuprzepływowości użytkowanego w samolocie wielozadaniowym zawiera się w przedziale n 1 /n 1 nom = 38 15% i w zakresie K/K max = 4 17%. Dokonany podział zakresów wartości względnej siły ciągu K/K max w funkcji względnej prędkości obrotowej wału n 1 /n 1 nom umożliwił wyodrębnienie zakresów faz eksploatacyjnych. Wartości względnej siły ciągu poniżej K/K max = 4% i względnej prędkości obrotowej wału do n 1 /n 1 nom = 7% dotyczą w większości uruchomienia silnika, jego rozgrzewania, kołowania i chłodzenia. Zakres K/K max = 4 1% i n 1 /n 1 nom = 45 15% w większości dotyczy startu i lotu samolotu, w tym również części fazy lądowania związana z podejściem do lądowania. Przedstawione punkty w zakresie eksploatacyjnym z obszaru K/K max = 1 17% i n 1 /n 1 nom = 95 15% dotyczą załączenia dopalacza: są to punkty odpowiadające fazie startu oraz maksymalnych parametrów pracy silnika podczas wykonywania specjalnych manewrów. Uzyskane parametry porównano z ich wartościami występującymi podczas typowych prób silników o charakterze diagnostycznym i kontrolnym. Przykładem takich prób jest próba przedlotowa silnika. Na podstawie wyników zestawienia opracowano test badawczy, który parametrami i ich udziałem wagowym odpowiada wartościom parametrów w rzeczywistej eksploatacji napędów samolotów wielozadaniowych. Zestawiając parametry K/K max w funkcji n 1 /n 1 nom dla warunków eksploatacji samolotu w powietrzu i warunków przeprowadzanych prób przedlotowych (rys. 4), można stwierdzić dużą zgodność rozkładu wartości analizowanych parametrów. Punkty eksploatacyjne z próby w większości odpowiadają punktom występujących podczas rzeczywistej eksploatacji. Zaobserwować można również, że wartości względnej siły ciągu podczas próby odpowiadają parametrom eksploatacyjnym występującym podczas fazy uruchomienia silnika, rozgrzewania, kołowania i lądowania oraz podczas startu bez użycia dopalacza. Wskazuje to na optymalizację wykonywanej próby pod kątem minimalizacji czasu eksploatacji, zgodnie z założeniem, że silnik należy rozgrzać i sprawdzić maksymalne wartości ciągu bez dopalacza oraz czy dopalacz załącza się z chwilą jego uruchomienia. Podczas próby nie występują wartości eksploatacyjne silnika z zakresu K/K max = 4 85% występujące podczas lotu. 2 18 16 14 12 1 uruchomienie i rozgrzewanie kołowanie start lot lądowanie kołowanie i chłodzenie próba na hamowni 8 6 4 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 n 1 /n 1 n [%] Rys. 4. Wspólne zestawienie parametrów w obszarze eksploatacyjnym silnika zarejestrowanych podczas próby silnika i lotu samolotu 7311

K/K n [%] WNIOSKI Znajomość kryteriów eksploatacyjnych silników turbinowych oraz nastaw parametrów eksploatacyjnych o podobnych wartościach dla warunków próby przedlotowej i warunków eksploatacyjnych podczas lotu samolotu, pozwala na opracowanie uniwersalnego testu do oceny emisji związków szkodliwych z turbinowych silników lotniczych. Do budowy testu emisji związków szkodliwych można wykorzystać jako dane wejściowe, zarejestrowane przebiegi wartości parametrów eksploatacyjnych wybranych lotów. Dostępne dane eksploatacyjne napędu samolotu poddane analizie statystycznej można podzielić na trzy obszary A n 1 /n 1nom = 35 75% i K/K max = 14 55%, B n 1 /n 1nom = 45 1% i K/K max = 5 9%, C n 1 /n 1nom = = 95 15% i K/K max = 9 1% (rys. 5). 2 18 uruchomienie i rozgrzewanie kołowanie start lot lądowanie kołowanie i chłodzenie dopalacz 16 14 12 C) 9-1% K/K n 95-15% n 1 /n 1n 1 8 B) 5-9% K/K n 45-1% n 1 /n 1n 6 4 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 n 1 /n 1n [%] A) 14-55% K/K n 35-75% n 1 /n 1n Rys. 5. Zakresy względnej prędkości obrotowej wału n 1 z podziałem na fazy testu Na podstawie wyznaczonych zakresów wartości względnej siły ciągu i względnej wartości prędkości obrotowej wału n 1 można wyznaczyć wartości parametrów eksploatacyjnych dedykowanych punktom pomiarowym testu badawczego. Wartości tych parametrów mogą być średnią wartością graniczną wyznaczonych zakresów eksploatacyjnych poszczególnych faz uwzględniającą gęstości czasowe występowania tych parametrów podczas rzeczywistej eksploatacji. Rozkład analizowanych parametrów w obszarze eksploatacyjnym silnika wskazuje na możliwość wyodrębnienia charakterystycznych pól pracy silnika, wyróżnienia obszaru pracy silnika z wykorzystaniem dopalacza. Z punktu widzenia emisji związków szkodliwych obszar ten jest bardzo interesujący, ponieważ natężenie zużycia paliwa wynosi około 25 4 kg/h i proces spalania jest realizowany w przestrzeni komory dopalacza, dyszy wylotowej i przestrzeni otwartej. Z drugiej strony mało istotny z powodu niewielkiego udziału w czasie eksploatacji silnika. W związku z tym podczas stacjonarnych prób silnika na stanowisku do realizacji prób przedlotowych w prowadzonej analizie został on pominięty. Streszczenie Istniejące procedury badawcze związane z oceną ekologiczną lotniczych silników dużej mocy lub o dużej sile ciągu, dotyczą stacjonarnych prób badawczych odniesionych do zdefiniowanego w normach testu LTO. Jest to test odnoszący się do warunków eksploatacji statków powietrznych w rejonie lotniska i zawiera wszystkie fazy eksploatacyjne samolotu z wyjątkiem lotu. W przypadku samolotów transportowych i pasażerskich faza lotu jest ustalona i parametry eksploatacyjne silnika nie ulegają dużym i częstym zmianom, 7312

co ułatwia ewentualne oszacowanie emisji w tej fazie. W przypadku samolotów wielozadaniowych wykorzystywanych w celach militarnych eksploatacja podczas lotu charakteryzuje się dużą zmiennością warunków pracy zespołu napędowego. Przez co test LTO znacznie odbiega od warunków eksploatacji. Dlatego przeprowadzono analizę parametrów pracy silnika podczas rzeczywistych warunków eksploatacyjnych samolotu. Na podstawie uzyskanych informacji opracowano test badawczy odzwierciedlający warunki eksploatacyjne pracy tych silników. Analysis of engine operating parameters multi-role aircraft Abstract In-flight operation of multi-role aircraft used for military purposes is characterized by highly changeable operating conditions of the propulsion system. As a result, actual operating conditions can hardly be reflected in stationary tests. Therefore, emissions of toxic compounds in exhaust gas are measured in a stationary LTO test. However, tests of this kind do not allow one to determine emission rates of each toxic compound in exhaust gas in actual operation conditions. Therefore, efforts are being made to develop new methods enabling a more accurate assessment of toxic emissions from multi-role aircraft. Therefore, an attempt was taken to analyse engine operation parameters during actual operation. On the basis of information collected in this way an emission test was developed, reflecting operation conditions of those engines. Measurements of emission concentrations during pre-flight tests coupled with the proposed emission test made it possible to determine specific emissions of toxic compounds, based on which environmental performance of multi-role aircraft propulsion systems can be assessed. BIBLIOGRAFIA 1. Kotlarz W., Piaseczny L., Rypulak A., Zadrąg R., Tests of Exhaust Gas Toxicity of Jet Turbine Engine for Take Off and Landing Phases of Flight. Combustion Engines, 26, nr 4. 2. Merkisz J., Markowski J., Pielecha J., Emission Tests of the F1-PW-229 Turbine Jet Engine during Pre-flight Cerification of the F-16 Aircraft. Air Pollution, WIT Transactions on Ecology and the Environment (red. Longhurst J.W.S., Brebbia C.A.), WIT Press, 213, Vol. 174, p. 219-23. 3. Merkisz J., Markowski J., Pielecha J., Emission Tests of the F1-PW-229 Turbine Jet Engine during Prestart Trial of the F-16 Aircraft. The 26th International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems, Guilin 213. 4. Merkisz J., Markowski J., Pielecha J., Smuktonowicz S., Ocena emisji związków szkodliwych spalin silnika odrzutowego F1-PW-229 podczas próby na stanowisku hamownianym. Logistyka, 211, nr 6. 5. Merkisz J., Markowski J., Pielecha J., Smuktonowicz S., The Measurement of the Exhaust Emissions from the F1-PW-229 Turbine Jet Engine during a Preflight Engine Test of the F-16 Fighter Plane. Journal of KONBiN 211, Wydawnictwo Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych, Warszawa 211. 6. Merkisz J., Markowski J., Pielecha J., Usarek W., Konstrukcja testu stacjonarnego do oceny emisyjności samolotu F-16. Rozwój techniki, technologii i transportu w lotnictwie, red. T. Łodygowski, M. Ciałkowski, Politechnika Poznańska, Poznań 212. 7. Merkisz J., Markowski J., Pielecha J., Selected Issues in Exhaust Emissions from Aviation Engines. Air, Water and Soil Pollution Science and Technology. NOVA Publishers, New York 214. 8. Wygonik P., Selection Criteria of Turbine Engine Parameters for Multi-purpose Aircraft. Combustion Engines, 26, nr 4. 7313