This paper presents a numerical strength analysis of a ducted axial fan blade. Ducted axial fans are a large group of fluid-flow machines. The analysis was designed to determine the causes of cyclic failures of a ventilation unit. The paper presents a reverse engineering approach to the mapping of the fan blade’s geometrical features. The geometrical features were mapped by triangulation from the scanning images produced by a 3D optical scanner. These were followed by simplifying assumptions on which the numerical calculations were based. The numerical calculations were carried out at the operating rotational speeds of the ducted axial fan’s rotor. The course of the numerical calculations is described, and their results are also presented herein. The results are represented on colour maps of stress distribution for selected structural elements of the fan blade. The stress distribution at a blade cross-section was compared to CT scans of the fractures of failed rotor blade airfoils. Final conclusions were developed which show that the design engineering process of fans should feature optimisation of the fan’s efficiency, including the strength and performance parameters, which should include the service life of the fan.
PL
W pracy przedstawiono numeryczną analizę wytrzymałościową łopaty osiowego wentylatora kanałowego. Wentylatory tego typu stanowią liczną grupę maszyn przepływowych. Wykonana analiza miała na celu określenie przyczyn powtarzających się cyklicznie awarii zespołu wentylacyjnego. Zaprezentowano sposób odwzorowania geometrii łopaty wentylatora poprzez zastosowanie metody inżynierii odwrotnej. Przy odwzorowywaniu geometrii wykorzystano skany otrzymane za pomocą skanera optycznego na zasadzie triangulacji. Następnie przedstawiono założenia upraszczające, na których oparte zostały obliczenia numeryczne. Obliczenia te przeprowadzono dla eksploatacyjnych prędkości obrotowych wirnika wentylatora. Z kolei opisano przebieg samych obliczeń numerycznych, a także przedstawiono uzyskane wyniki. Wyniki te zaprezentowano w postaci kolorowych map rozkładu naprężeń dla wybranych elementów konstrukcji łopaty. Rozkład naprężeń w przekroju poprzecznym łopaty porównano z tomograficznymi fotografiami przełomów zniszczonych piór łopat wirnika. Opracowano wnioski końcowe, z których wynika, że w procesie konstruowania wentylatorów powinna być wykonana optymalizacja nie tylko w obszarze jego sprawności, ale również w obszarze parametrów wytrzymałościowych i użytkowych, w tym między innymi trwałości eksploatacyjnej urządzenia.
The paper presents gas-dynamic calculations of a GTM 120 miniature turbine jet engine. The engine performance parameters have been determined and then validated with theory contained in literature as well as the results of research carried out on a laboratory test stand.
Profesor Stefan Szczeciński był wybitnym specjalistą w dziedzinie napędów lotniczych. W ciągu pracy zawodowej zajmował się silnikami spalinowymi: tłokowymi lotniczymi i trakcyjnymi oraz lotniczymi turbinowymi i rakietowymi. Był autorem i współautorem ponad 470 publikacji naukowych i technicznych, 28 pozycji książkowych, w tym koordynatorem i współautorem wydanej w latach 80-tych 9-tomowej serii pod ogólnym tytułem Napędy Lotnicze, stanowiącej podstawowe źródło informacji 0 silnikach lotniczych we wszystkich polskich uczelniach technicznych, a także dwutomowej monografii Lotnicze silniki turbinowe - konstrukcja - eksploatacja - diagnostyka wydanej w latach 2010-2012 w Instytucie Lotnictwa. Jedna z pierwszych Jego książek Lotnicze silniki turbinowe, konstrukcja i eksploatacja (1965) została w 1969 roku wydana (po przetłumaczeniu) na zlecenie NASA. Koordynował prace nad 3- tomowym podręcznikiem akademickim Lotnicze zespoły napędowe, przeznaczonym przede wszystkim dla studentów WAT, ale także dla innych uczelni prowadzących studia o specjalnościach lotniczych.
W pracy przedstawiono metodykę i wyniki kompleksowych badań właściwości cieplno-fizycznych materiału konstrukcyjnego lotniczego silnika turbinowego. W niniejszym przypadku program badań ukierunkowany został na opracowanie metodyki pomiarów umożliwiającej jej późniejszą modyfikację do wykonania badań nieniszczących. Dotyczy to w szczególności pomiarów dyfuzyjności cieplnej, które przeprowadzono metodą wymuszenia oscylacyjnego. Podczas badań określono również gęstość, rozszerzalność cieplną i ciepło właściwe. Badania wykonano dla próbki materiału łopatki sprężarki lotniczego silnika turbinowego AŁ-21 F3. Analiza otrzymanych wyników potwierdziła poprawność i skuteczność zastosowanych metod badań. Rezultaty badań są wykorzystywane do numerycznego modelowania obciążeń termomechanicznych badanego elementu konstrukcyjnego.
EN
The paper presents the methodology and results of thermophysical properties investigation performed for the construction material of aviation turbine engine. The investigation was focused on the development of the experimental methodology that could be easily accommodated for non-destructive testing. In particular it concerns the thermal diffusivity measurements performed by temperature oscillation technique. The other investigated properties were the heat capacity, thermal expansivity and density. The specimens for measurements were taken from a compressor blade of the AŁ-21 F3 turbine engine. The final analysis has proved correctness and effectiveness of the developed procedures. The obtained data will be used in numerical modeling of thermomechanical loads of the analyzed element.
Based on the available information and authors self-assessments, this article presents turbine engine exhaust gases effect on the environment, especially near to the aircraft and helicopters during their engines idle setting and take-offs. The concentration level of pollutants in gas turbine exhaust and its relation to the temperature and time of the combustion process is discussed. The article presents diffusion of the aircraft turbine engine exhaust in the airport area, focusing on aircraft take-off manoeuvre. The authors would like to draw attention of the aviation professionals to the fact that amount of exhaust from the turbine engine is so significant that may adversely change the ambient air near to the aircraft. Consequently, smaller amount of oxygen with increased level of carbon monoxide during engine start –up and idle can be a threat to the maintenance staff health. Also high emission level of the nitrogen oxides, especially during take-off and climb is indifferent for the environment. The paper gives an example of real fuel consumption and toxic gases emissions in the so-called landing and takeoff cycle (LTO) and during long-range flight. Turbine engines noise distribution and its intensity because of complex aerodynamic and thermodynamic processes is presented.
The paper presents how the parameters defining the state of the atmosphere: pressure, temperature, humidity, are affecting performance of the aircraft turbine engines and their durability. Also negative impact of dust pollution level is considered as an important source of engine deterioration. Article highlights limitation of the aircraft takeoff weight (TOW) and requirements for length of the runways depending on weather condition changes. These problems stem from the growing "demand" of gas turbine engines for an air. The highest thrust engines have air mass flow more than 1000 kg/s. Engine inlet ice formation is presented as a result of weather conditions and inlet duct design features.
Możliwość niezauważonego wystąpienia oblodzenia statku powietrznego stanowi istotny problem dla bezpieczeństwa latania. W przypadku szybkiego wzrastania grubości powłoki lodowej na powierzchniach nośnych może dojść do gwałtownego pogorszenia się własności lotnych statku powietrznego. Z tego względu bardzo istotne jest możliwie wczesne wykrycie oblodzenia pozwalające na włączenie w odpowiednim czasie instalacji przeciwoblodzeniowej lub wyjście ze strefy oblodzenia. W artykule przedstawiono typowe rozwiązania konstrukcyjne wizualnych sygnalitorów oblodzenia oraz czujników automatycznych zabudowywanych na samolotach i śmigłowcach.
W pracy starano się opisać kompleksowo specyfikę dopływu i przepływu powietrza przed wlotami i w kanałach wlotowych silników odrzutowych w różnych warunkach lotu oraz startu i lądowania samolotów. Zwrócono uwagę na zagrożenia uszkodzeń silników przez zderzenia łopatek wirników sprężarek (wentylatorów silników dwuprzepływowych) z ciałami ptaków, bryłkami lodu osadzającego się na krawędziach wlotu oraz "ciał obcych" zasysanych z nawierzchni lotniska podczas startu i lądowania z włączonym odwracaczem ciągu. Wskazano na wpływ ukształtowania kanałów wlotowych powietrza do silników samolotów bojowych na intensywność echa radarowego.
Początek artykułu stanowi opis stanu wyjściowego podstawowych parametrów termodynamicznych, układów i cech konstrukcyjno - użytkowych turbinowych silników odrzutowych wdrażanych do lotnictwa w końcowej fazie II-ej Wojny Światowej i tuż po niej. Wskazano wpływ pomysłów konstrukcyjnych, nowych materiałów, nowych technologii wytwarzanych części i całych zespołów (modułów), oraz metod badawczych na wzrost osiągów silników. Zwrócono uwagę na ograniczenia postępu w tej dziedzinie względami finansowymi kosztów poznawczo - badawczych, dostępnością materiałów konstrukcyjnych, a także kadrami inżynierów i ich nauczycieli, z wymogiem bezpieczeństwa latania i ochrony środowiska.
Obciążenia zewnętrzne działające na strukturę statku powietrznego stanowią podstawę obliczeń wytrzymałościowych jego płatowca. Powstają one wskutek działania sił aerodynamicznych oraz sił bezwładności i zależą od warunków lotu oraz rozkładu mas. Obliczenia obciążeń zewnętrznych wykonywane są dla każdego załogowego statku powietrznego oraz dużych bezzałogowych statków powietrznych (BSP). Wprzypadku małych BSP zazwyczaj nie wykonuje się takich obliczeń, bazując przy ich projektowaniu na doświadczeniach modelarstwa lotniczego, co może prowadzić do przewymiarowania konstrukcji lub do jej zniszczenia w trakcie lotu. W artykule przedstawiono wyniki obliczeń obciążeń zewnętrznych dla dwu wersji samolotu bezzałogowego klasy mini.
EN
External loads acting on the aircraft structure are base for strength calculations of the airframe. They are formed by the action of aerodynamic and inertia forces and depend on flight conditions and the distribution of masses. Calculations of external loads are performed for each manned aircraft and large unmanned aerial vehicle (UAV). In the case of small UAV, such calculations are usually not performed. Instead of them only the experience of aviation model making is being used, which can lead to oversizing the structure or lead to its destruction during the flight. The article presents the results of calculations of external loads for the two versions of an unmanned aircraft class mini.
W artykule dokonano oceny możliwości modelowania silników turbinowych przy użyciu programu GasTurb na przykładzie jednoprzepływowego turbinowego silnika odrzutowego K-15. Uzyskane wyniki porównano z danymi zamieszczonymi wopisie technicznym silnika K-15 oraz opublikowanymi w literaturze wynikami badań silników tego typu. Wyznaczono rozkład podstawowych parametrów termogazodynamicznych wzdłuż kanału przepływowego silnika oraz wybrane charakterystyki. Wskazano zalety i wady oprogramowania GasTurb wynikające z przeprowadzonych obliczeń oraz analiz.
Zagadnienie zmęczenia niskocyklowego jest bardzo istotne z punktu widzenia bezpieczeństwa eksploatacji lotniczych silników turbinowych. W artykule przedstawiono sposoby wyznaczania granicznej liczby cykli stosowane w lotnictwie USA, a także metody zliczania cykli pracy silnika turbinowego w celu określenia pozostałości czasu jego bezpiecznej eksploatacji (resursu) wyrażonego w cyklach. Opisano metody wykorzystywane podczas użytkowania zarówno silników starszych typów, jak i współczesnych.
The issue of low-cycle fatigue is very important in terms of operational safety of aircraft turbine engines. This paper discusses methods, which are used in US aviation industry to determine boundary cycle counts, as well as methods of counting turbine engine operating cycles allowing to determine the residual safe operation time (hard time), expressed in cycles. Methods are discussed, which are used for both older types of engines as well as for present-day ones. In the paper titled „Zmęczenie niskocyklowe konstrukcji i jego minimalizacja” (Low-cycle structural fatigue and its minimization), published in volume no. 199/2009 of Prace Instytutu Lotnictwa (Proceedings of the Institute of Aviation) contains a schematic presentation of loads acting on components in the „hot section” of an aircraft turbine engine, as well as loads’ operational dependencies on engines’ operating conditions and operating ranges affecting their lowcycle structural fatigue. The paper pointed out that findings related to this type of loads had caused engine safe operation times to be expressed both in hours as well as in cycles. Methods for determining the number of cycles „utilized” by main engine modules and their important parts affecting operational safety, as well as maximum limits of operational cycle which if exceeded should require replacement of respective modules or individual parts had been imposed on operators by engine manufacturers. They are initially determined basing on fatigue tests performed on standard specimens of structural material and then based on fatigue tests of production parts and tests of complete engines. This paper is a further development of these previously discussed topics.
PL
Zagadnienie zmęczenia niskocyklowego jest bardzo istotne z punktu widzenia bezpieczeństwa eksploatacji lotniczych silników turbinowych. W artykule przedstawiono sposoby wyznaczania granicznej liczby cykli stosowane w lotnictwie USA, a także metody zliczania cykli pracy silnika turbinowego w celu określenia pozostałości czasu jego bezpiecznej eksploatacji (resursu) wyrażonego w cyklach. Opisano metody wykorzystywane podczas użytkowania zarówno silników starszych typów, jak i współczesnych.
Oblodzenie statku powietrznego stanowi poważne zagrożenie dla bezpiecznego wykonywania zadań lotniczych. Ze względu na konieczność prowadzenia lotów w różnych warunkach, większość statków powietrznych wyposażonych jest w instalacje zapobiegajgce powstawaniu oblodzenia lub/ i odladzające. W artykule przedstawiono typowe sposoby zabezpieczania przed oblodzeniem elementów konstrukcyjnych płatowca, łopat wirników nośnych śmigłowców i śmigieł silnikowych wlotów powietrza, oszklenia kabiny i czujników zewnętrznych za pomocą różnego rodzaju systemów termogazowych lub termoelektrycznych. Opisano typowe instalacje przeciwoblodzeniowe statków powietrznych.
Coraz powszechniejsze wykorzystywanie bezzałogowych statków powietrznych (BSP) do wykonywania zadań zarówno wojskowych, jak i cywilnych stwarza konieczność rozwiązywania wielu nowych problemów natury nie tylko konstrukcyjnej, ale i eksploatacyjnej. Specyfika użytkowania BSP wyraża się m.in. brakiem „czucia” przez operatora reakcji pilotowanego przez niego samolotu lub śmigłowca na różnego rodzaju oddziaływania, w tym na mogące się pojawiać w trakcie lotu zakłócenia w pracy zespołu napędowego. Wzwiązku z tym istotne jest możliwie szerokie poznanie szczególnych warunków eksploatacji tego rodzaju obiektów latających oraz problemów pojawiających się w jej trakcie. W artykule zebrano doświadczenia z eksploatacji zespołów napędowych różnych typów bezzałogowych statków powietrznych o masie powyżej 50 kg.
EN
The increasing utilization of the unmanned aerial vehicles (UAV) weighing more than 50 kg to perform both military and civilian tasks makes it necessary to solve many new problems, not only structural, but also operational. The specificity of the exploitation UAV is given, among others, by the lack of “feeling” by the operator of airplane or helicopter piloted by him. It is also caused by the response to various types of interaction, including disruptions of powerplant which may appear during flight. Therefore, it is important to have the widest possible knowledge of specific operating conditions such as flying objects and problems appearing during operation of them. The article summarized the experience resulting from the exploitation of powerplants of different types of unmanned aerial vehicles weighing more than 50 kg.
W artykule, na podstawie wyników analiz i prac badawczych prowadzonych w ITL WAT, przedstawiono Czytelnikowi problematykę oblodzenia lotniczych silników turbinowych. Scharakteryzowano warunki sprzyjające oblodzeniu ze szczególnym podkreśleniem różnic między procesem obladzania płatowca a wlotu silnika. Przypomniano o konieczności ręcznego uruchamiania instalacji przeciwoblodzeniowych silników, wynikającej z rozmieszczania czujników instalacji przeciwoblodzeniowych poza kanałami przepływowymi ich wlotów. Opisano tworzenie się osadów lodowych na elementach silnika wskutek wsysania przechłodzonych kropel wody do wlotów, a także możliwości samoczynnego wyłączenia się silnika po zassaniu wody, śniegu lub lodu do sprężarki lub komory spalania silnika. Pokazano sposoby zapobiegania oblodzeniu stosowane w odrzutowych oraz śmigłowych i śmigłowcowych silnikach turbinowych. Podano wskazówki pozwalające na wczesne zauważenie przez pilotów objawów oblodzenia silników i sformułowano zalecenia dla nich.
Wartykule zaprezentowano podstawowe informacje związane z problematyką oblodzenia układów dolotowych lotniczych (i nie tylko) silników tłokowych będące wynikiem analiz i prac badawczych prowadzonych w ITL WAT. Opisano warunki sprzyjające oblodzeniu oraz procesy zachodzące wewnątrz kanału przepływowego gaźnika. Przedstawiono wpływ zasysania do wlotu wody, kondensacji pary wodnej oraz parowania paliwa w gaźniku na tworzenie się w nim osadów lodowych. Pokazano schematy układów zapobiegających oblodzeniu stosowane w lotniczych silnikach tłokowych poprzez ogrzewanie ścianek gaźników, podgrzewanie powietrza oraz możliwości bezwładnościowego usuwania kropel wody z powietrza zasysanego do wlotu. Sformułowano wskazówki Wartykule zaprezentowano podstawowe informacje związane z problematyką oblodzenia układów dolotowych lotniczych (i nie tylko) silników tłokowych będące wynikiem analiz i prac badawczych prowadzonych w ITL WAT. Opisano warunki sprzyjające oblodzeniu oraz procesy zachodzące wewnątrz kanału przepływowego gaźnika. Przedstawiono wpływ zasysania do wlotu wody, kondensacji pary wodnej oraz parowania paliwa w gaźniku na tworzenie się w nim osadów lodowych. Pokazano schematy układów zapobiegających oblodzeniu stosowane w lotniczych silnikach tłokowych poprzez ogrzewanie ścianek gaźników, podgrzewanie powietrza oraz możliwości bezwładnościowego usuwania kropel wody z powietrza zasysanego do wlotu. Sformułowano wskazówki dla pilotów pozwalające na możliwie wczesne zauważenie przez nich objawów oblodzenia.
W artykule przedstawiono warunki otoczenia wlotów silników odrzutowych sprzyjające powstaniu wiru wlotowego i jego zagrożeniach polegających na poderwaniu z ziemi tzw. „ciał obcych” i ich wrzuceniu do kanału przepływowego silnika. Znaleziono podobieństwo powstania wiru wlotowego do powstania trąb powietrznych w atmosferze ziemskiej. Przedstawiono sposoby „lotniskowe” ograniczające możliwość powstania wiru oraz przez odpowiednie kształtowanie wlotów. Przy okazji zwrócono uwagę na możliwość kształtowania samolotowych kanałów dolotowych do silników samolotów bojowych tak aby ograniczyć skutki zderzenia z ptactwem oraz namiarów radarowych nieprzyjaciela. Przytoczono charakterystyki stopnia wykorzystania ciśnienia spiętrze - nia we wlotach współczesnych samolotów bojowych. Zwracano uwagę na obraz fizykalny zjawisk zachodzących we wlotach i przed nimi.
W artykule przytoczono, zapomniane w lotniczej literaturze silnikowej, cechy dynamiczne lotniczych silników tłokowych – rzutujące na procesy napełniania cylindrów mieszanką palną oraz przekazywane na płatowiec siły i momenty obrotowe. Wiele uwagi poświęcono wyrównoważeniu sił bezwładności wywoływanych ruchem posuwistozwrotnym tłoków w układach korbowych silników i sposobów ograniczenia ich przenoszenia na płatowiec doborem liczby cylindrów i ich położenia w silniku oraz stosowania przeciwciężarów. Przeprowadzono analizę wyrównoważenia na prostych przykładach cztero cylindrowego silnika rzędowego i w układzie przeciwsobnym oraz trzy cylindrowego gwiazdowego. Przypomniano zasadę przeciwciężarów wahliwie zamocowanych na wale korbowym i ich efektywność . Zwrócono uwagę na ograniczenia napełniania cylindrów spowodowane kinematycznym sprzężeniem tłoków i zaworów w suwie ssania. Przedstawiono modele obliczeniowe o różnym stopniu uproszczenia drgań skrętnych wału silnika ze śmigłem.
Użytkowane od ponad 100 lat w lotnictwie spalinowe silniki tłokowe swój najintensywniejszy rozwój przeszły w okresie I-ej wojny światowej, a doskonalenie jakościowe w okresie poprzedzającym II-ą Wojnę Światową. Wyparcie silników tłokowych przez turbinowe odrzutowe najpierw z lotnictwa bojowego a następnie dalekozasiężnego lotnictwa pasażerskiego i towarowego – całkowicie zahamowało rozwój silników tłokowych ograniczając obszar wykorzystania w „małym” lotnictwie turystycznym, sportowym oraz rolniczym, policyjnym … t.j. nie wymagającym dużych mocy, względnie tanim i łatwym w obsłudze. Obecnie jest potrzeba i szansa ich unowocześnienia (jak to już uczyniono w obszarze silników samochodowych) oraz wykorzystując „lotniczą wiedzę” o aerodynamice przepływów, polepszyć ich ogólną sprawność. Wartykule przedstawiono sposoby poprawy napełnienia cylindrów silników, także doładowanych na drodze ograniczenia pulsacji przepływów przez sprężarki i turbosprężarki. Zwrócono uwagę na cechy dynamiczne silników tłokowych – stanowiących napęd lekkich i bardzo lekkich samolotów.
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.