Моделирование динамики установки воздушного запуска TMD-150 авиационного турбореактивного двигателя

Установка воздушного запуска (УВЗ) играет ключевую роль в обеспечении автономного запуска турбореактивных двигателей (ТРД) на аэродромах. Актуальность повышения надёжности таких установок возрастает в условиях расширения эксплуатации гражданской авиации в сложных климатических и инфраструктурных условиях. Установка TMD-150 широко применяется в практике и заслуживает внимания с точки зрения анализа её динамики и технического обслуживания [1,2].

Объектом исследования является установка воздушного запуска TMD-150, представляющая собой автономный агрегат на базе дизельного двигателя, компрессора, систем охлаждения, фильтрации и управления. Назначение установки — обеспечение стабильного пуска турбореактивных двигателей (ТРД) в условиях отсутствия наземной пневмопитательной инфраструктуры. Установка широко используется в парках гражданской авиации, включая аэропорты с ограниченными техническими ресурсами.

Основными узлами являются (табл. 1):

• -    Компрессор высокого давления, нагнетающий сжатый воздух в пусковую линию;

• -    Разгрузочный клапан, регулирующий давление в системе;

• -    Система фильтрации топлива и воздуха, предотвращающая попадание загрязнений;

• -    Элементы управления, включая селекторные переключатели режимов;

• -    Тормозная и шасси-система, обеспечивающие безопасность и мобильность.

Предметом исследования являются динамические процессы, происходящие в системе при запуске [3-5] (рис. 1):

EDN TTBDKS

¹ Малиновский Сергей Александрович – аспирант образовательно-научного кластера «Институт высоких технологий»; БФУ им. И. Канта тел.: +7 (4012) 59-55-95; e-mail: s 89114925756 @gmail. Com;

2Великанов Николай Леонидович – доктор технических наук, профессор, профессор Высшей школы нанотехнологий и инженерии БФУ им. И. Канта; профессор НОЦ судостроения, морской инфраструктуры и техники, КГТУ, тел.: +7 (4012) 595 595, e-mail: ,

• -    Рост давления в пневмолиниях;

• -    Динамика открытия/закрытия разгрузочного клапана;

• -    Воздушно-тепловые переходные процессы в компрессоре;

• -    Влияние сопротивления фильтров на расход воздуха;

• -    Вибрационные нагрузки на конструкцию при запуске.

Таблица 1 – Ключевые компоненты установки TMD-150 и их динамические характеристики

Компонент	Назначение	Характер динамики	Частота ТО
Компрессор	Нагнетание воздуха в пусковую линию	Рост давления ~ линейный (при пуске)	Раз в 1000 часов
Разгрузочный клапан (MI 11001A)	Поддержание требуемого давления в магистрали	Перемещение штока (1-2 с)	Раз в 200 часов
Сепаратор  топлива  (MI 04004A)	Удаление воды из топлива	Медленный накопительный процесс	Ежедневно
Масляный фильтр компрессора (MI 11002A)	Защита подвижных элементов от износа	Давление масла → скачкообразное	Раз в 1000 часов
Воздушные фильтры (MI 08003A)	Фильтрация   поступающего воздуха	Рост сопротивления ~ экспоненциальный	Раз в 500 часов
Панель управления	Ручное или полуавтоматическое управление	Импульсный переход режимов	Постоянно в работе

Установка воздушного запуска представляет собой сложную совокупность систем, каждая из которых обладает своей внутренней динамикой. При этом в момент пуска ТРД происходит суперпозиция пневматических, механических и тепловых процессов , определяющих надёжность всей установки в целом. Учитывая возрастающие требования к технической готовности гражданской авиации и условия эксплуатации в удалённых или суровых климатических регионах, обеспечение предиктивного обслуживания на основе моделирования - актуальная инженерная задача.

Рисунок 1 - Зависимость давления от времени при запуске TMD-150

Кривая демонстрирует типичный экспоненциальный характер нарастания давления в системе сжатого воздуха при пуске. В первые 2– 3 секунды происходит основной рост давления от исходного уровня ~100 кПа до установившегося ~300 кПа. Эта динамика зависит от производительности компрессора, величины сопротивлений в системе и начальных условий.

Использование таких графиков в моделях позволяет: определять оптимальные режимы ра- боты клапанов; предотвращать перерасход энергии; прогнозировать отказ по отклонениям от нормы.

Для достижения поставленной цели были решен ряд взаимосвязанных задач.

• 1.    Изучение конструкции установки TMD-150 на основе официальной технической документации, включая разделы обслуживания (Maintenance Instructions MI).

• 2.    Формализация физических процессов , происходящих в установке во время запуска, с акцентом на следующие явления: рост давления воздуха в пневмолиниях; перемещение регулирующих клапанов; тепловые нагрузки на компрессор; влияние сопротивлений фильтрации на поток.

• 3.    Построение математической модели установки как совокупности дифференциальных уравнений 1–2 порядка, описывающих поведение ключевых компонентов (компрессор, разгрузочный клапан, регулятор давления).

• 4.    Анализ влияния параметров ТО (частота замен масла, фильтров, регулировки клапанов) на устойчивость процессов пуска.

• 5.    Разработка рекомендаций по улучшению регламентов технического обслуживания, основанных на результатах моделирования и эксплуатации.

• 6.    Предложение архитектуры системы автоматизированного мониторинга состояния установки, включая сенсоры давления, температуры и расхода воздуха, с возможностью интеграции в цифровую платформу авиапредприятия.

Установка воздушного запуска TMD-150 – это автономная энергетическая система, содержащая дизельный двигатель, приводящий в движение воздушный компрессор, систему регуляции давления и управляющие клапаны. При

С.А. Малиновский, Н.Л. Великанов запуске турбореактивного двигателя (ТРД) сжатый воздух поступает через выходной тракт и приводит в движение турбину низкого давления ТРД. Все процессы происходят в режиме нестационарной термодинамики.

Для адекватного описания необходимо учитывать: адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; изменение давления и расхода воздуха; динамику перемещения клапанов; наличие демпфирования и упругости в механике.

Модель давления в трубопроводе после компрессора (в пневмолинии) может быть описана уравнением:

dp yyv _ po-p dt+ V = R-t где p(t)— давление в линии (Па),

γ— показатель адиабаты воздуха (1,4), v — скорость потока воздуха (м/с), V — объём пневмолинии (м3), р0 — давление на выходе компрессора (Па),

R — универсальная газовая постоянная, τ— постоянная времени разгрузки системы.

Это уравнение моделирует плавный рост давления, когда компрессор подаёт воздух в магистраль. Оно может быть решено численно методом Эйлера или Рунге–Кутты.

Клапан, регулирующий сброс или подачу воздуха в ТРД, описывается вторым законом Ньютона как:

d2x     dY т'^+с'Т, + к‘ = ^

где   x(t)— перемещение штока клапана (м), т — приведённая масса подвижной ча сти (кг), с — коэффициент вязкого демпфирования (Н·с/м), к — жёсткость пружины (Н/м), F(t)— внешняя сила давления воздуха.

Это уравнение описывает к олебательное

Ниже (рис. 2) представлена структурная схема математической модели установки воздушного запуска для турбореактивного двига-

теля:

Рисунок 2 – Схема математической модели

Надежность установки воздушного запуска TMD-150 в значительной степени зависит от правильного выполнения регламентного технического обслуживания (рис. 3) .

Основные цели обслуживания: обеспечение стабильной подачи сжатого воздуха; предотвращение отказов компрессора, клапанов, фильтров и узлов управления; повышение ресурса компонентов; минимизация рисков сбоев при запуске ТРД в реальных условиях эксплуатации.

или затухающее движение , в зависимости от

значения

z =

с/

' 2^тк

. При недемпфированном

Рисунок 3 – Зависимость надежности от выполнения ТО

колебании возможны резонансные нагрузки,

приводящие к быстрому износу штока или зали-

панию клапана.

Можно построить структурную модель установки TMD-150 к ак систему с обратными связями:

[Компрессор] → [Пневмолиния, объём V] → Разгрузочный клапан] → [ТРД] ↑ [Контур регулирования].

Регулирующий модуль управляет положением клапана в зависимости от давления и режима. Переход из одного режима в другой влечёт смену граничных условий модели (изменяется F(t), выходное давление и поток).

При выполнении лишь 50% регламентных операций надёжность системы падает до 0.4 условной единицы, что соответствует высокой вероятности отказа.

При 100% выполнении ТО — система достигает оптимальной надёжности.

Линейная зависимость отображает прямое влияние дисциплины обслуживания на функциональность установки.

Таким образом, инвестиции в строгое соблюдение регламента ТО оправданы и повы-

шают отказоустойчивость установки воздушного запуска при эксплуатации в гражданской авиации.

Ниже приведена таблица (табл. 2), составленная на основе документа по TMD-150 , с ука-заниеключевых задач профилактики.

Таблица 2 – Профилактические мероприятия для установки TMD-150

Операция	Интервал	Зависимость от условий
Проверка    уровня жидкостей	Ежедневно	Да
Визуальный  осмотр установки	Ежедневно	Да
Регулировка  давле ния пуска	Ежемесячно	Да
Проверка разгрузочного клапана	Ежемесячно	Да
Замена масла и фильтра компрессора	Ежегодно	Нет
Замена масла и фильтра двигателя	1000 моточасов	Нет
Промывка и замена охлаждающей жидкости	Ежегодно	Да
Проверка   стояноч ного тормоза	Ежегодно	Нет
Замена  топливного фильтра и сепаратора	Полугодие	Да

Зависимость от условий означает требование увеличивать частоту обслуживания при работе в условиях запылённости, повышенной влажности, морском климате и т. д.

На основе анализа отказов и механизма функционирования можно выделить типичные неисправности, возникающие при несоблюдении графика (табл. 3).

Таблица 3 – Типичные неисправности установки TMD-150

Неисправность	Причина	Последствие
Перегрев компрессора	Несвоевременная     замена масла	Выход из строя подшипников
Нестабильность давления	Нарушение работы разгрузочного клапана	Невозможность запуска ТРД
Утечка топлива или воздуха	Износ соединений, уплотнений	Потеря давления, взрывоопасность
Переполнение сепаратора	Пропуск воды в топливо	Детонация, остановка системы
Перегрев охлаждающей системы	Старение жидкости	Заклинивание двигателя

В современных условиях всё более акту- альны м становится переход к предиктивной модели обслуживания. Для этого предлагается:

Установка цифровых сенсоров для: давления на выходе компрессора и перед клапаном;

температуры масла и воздуха; вибрации корпуса компрессора; расхода воздуха (массопроток).

Интеграция с системой мониторинга: пороговых значений для каждого параметра; записи и архивирования логов; сигналов об отклонениях — до наступления отказа.

Рекомендации по автоматизации: создать модуль сбора данных; подключить к ПО авиакомпании; визуализировать отклонения в режиме онлайн.

Выводы

Установка воздушного запуска TMD-150 обладает сложной внутренней динамикой, чувствительной к нарушениям регламента и отказам управляющих компонентов.

Математическое моделирование позволяет прогнозировать нештатные режимы и оптимизировать работу системы ещё на этапе проектирования или модернизации.

Строгое соблюдение профилактического графика ТО, указанного в технической документации, критически важно для обеспечения запуска турбореактивных двигателей.

Применение интеллектуальных сенсорных систем и переход к цифровому мониторингу состояния установки существенно увеличивает надёжность, снижает риски и уменьшает затраты на аварийное восстановление.

Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых версий пусковых установок, а также в учебных и нормативных целях в области эксплуатации и диагностики авиационной техники.

Таким образом, сочетание теоретического анализа с практическими данными технической документации позволяет перейти от реактивного обслуживания к предиктивной диагностике и повышению эксплуатационной готовности авиационной техники.