На Земле насчитывается более 1000 действующих вулканов. Серьезную опасность для летательных аппаратов представляют облака вулканического пепла, выброшенные в атмосферу. Пепел воздействует на фюзеляж и аэродинамические поверхности самолета, а также на турбореактивные двигатели. Аккумуляция его частиц на сопловом аппарате может стать причиной отключения двигателя. В условиях глобального роста мировых авиаперевозок уделяется особое внимание безопасности полетов, в том числе оценивается устойчивость работы двигателей при попадании самолетов в облака вулканического пепла. Ученые АО «ОДК-Авиадвигатель» и Пермского Политеха впервые численно оценили объемы высокотемпературных зон в тракте двигателя, в которых частицы пепла переходят в жидкую фазу и представляют опасность.
В ПНИПУ узнали, как вулканический пепел влияет на на работу авиадвигателя / © Victoria Prymak, Unsplash
Результаты исследования опубликованы в научном журнале «Теплофизика и аэромеханика» СО РАН.
Аккумуляция стекловидных отложений пепла на сопловом аппарате приводит к значительному снижению площади проходного сечения, как следствие, к непрекращающимся помпажам компрессора. В конечном итоге за этим следует выключение двигателя в полете, как это произошло 15 декабря 1989 года, когда самолет Boeing 747 попал в плотное облако пепла вулкана Редаут (Аляска, США) на высоте 7500 м. Экипаж предпринял попытку подняться над облаком вулканического пепла на номинальном режиме. В результате этого произошло выключение всех четырех двигателей, и только мастерство пилота позволило избежать катастрофы.
«При выполнении полета в условиях пепловой запыленности воздуха частицы пепла залетают в воздухозаборник двигателя, а затем через компрессор в рабочее пространство камеры сгорания, где они плавятся под влиянием высокой температуры газов (свыше 1400 °C). Попадая на поверхность лопаток соплового аппарата турбины, частицы охлаждаются и кристаллизуются, образуя отложения. Пространство между лопатками уменьшается. Это ведет к потере газодинамической устойчивости компрессора и выключению двигателя», – поясняет Тарас Абрамчук, заместитель начальника отдела камер сгорания, «ОДК-Авиадвигатель».
Пермские ученые провели численное моделирование теплофизических процессов в камере сгорания на трех режимах работы перспективного двигателя: крейсерском, номинальном и режиме малого газа при воздействии пепла вулкана Шивелуч Камчатской гряды.
«Мы установили, что объем высокотемпературных зон внутри камеры сгорания применительно к двигателю ПД-14, в котором возможно плавление частиц вулканического пепла, на крейсерском режиме превышает 54 процента, на режиме набора высоты – более 81 процента, а на режиме полетного малого газа – не более 25,3 процента, что подтверждает необходимость снижения режима работы двигателя», – комментирует Диана Попова, инженер АО «ОДК-Авиадвигатель», аспирант кафедры «Авиационные двигатели» Пермского Политеха.
«Полученные результаты полностью подтверждают рекомендации Международной организации гражданской авиации (ИКАО) понизить тягу двигателей до малого газа для уменьшения объемов зон, где может происходить плавление частиц. Затем покинуть облако пепла, развернув воздушное судно на 180 градусов. Выход на номинальный режим для облета облака сверху недопустим», – дополняет Алексей Саженков, помощник управляющего директора «ОДК-Авиадвигатель», кандидат технических наук.
Исследование ученых АО «ОДК-Авиадвигатель» и Пермского Политеха помогло оценить зоны плавления частиц вулканического пепла и установить режимы, во время которых существует риск выключения двигателя. Это позволит сделать полеты более безопасными.
