Проектування вакуумних систем видалення відходів пасажирських літаків

Abstract

Дисертація присвячена проектуванню СВВ вакуумного типу сучасного літака, яка описує поетапний процес і методи розробки системи, розробку математичних моделей, розрахункового комплексу.Запропонована методика проектування системи видалення відходів, яка дозволяє виконати поетапну розробку системи від створення концепції, її вихідних даних, до реалізації на літаку. Запропонована методика розрахунку та розрахунковий комплекс який охоплює усі потрібні для проектування розрахунки та рекомендує етапність виконання розрахунків в залежності від стадії проекту. Розроблено математичну модель, що описує квазістаціонарні гідравлічні процеси течії відходів в трубопроводі системи видалення відходів літака, за допомогою якої визначаються геометричні та газодинамічні характеристики трубопроводу. Використовуючи програмне забезпечення Ansys CFX проведено дослідження процесів вакуумізації та наповнюваності баку зберігання відходів, що є складовою розрахунку баку відходів. За результатами чисельних досліджень визначено мінімально допустиме значення товщини повітряного зазору між поверхнею відходів та баком для різних діаметрів баків, при якому концентрація відходів у магістралі вакуумування не перевищить критичних значень. Результати роботи успішно впроваджені у виробничу практику на ДП «Антонов», що підтверджується актом впровадження.

The dissertation is devoted to the design of the vacuum waste disposal system of a modern aircraft, which describes the step - by - step process and methods of system development, development of mathematical models, calculation complex. A method of designing a waste disposal system is proposed, which allows to perform a step-by-step development of the system from the creation of the concept, its initial data, to implementation on the aircraft. The method of calculation and the calculation complex which covers all calculations necessary for designing and recommends step-by-step execution of calculations depending on a stage of the project are offered. A mathematical model has been developed that describes quasi-stationary hydraulic processes of waste flow in the pipeline of the aircraft waste disposal system, which determines the geometric and gas-dynamic characteristics of the pipeline. Using Ansys CFX software, a study of the processes of vacuuming and filling the waste storage tank, which is part of the calculation of the waste tank. Based on the results of numerical studies, the minimum allowable value of the air gap thickness between the waste surface and the tank for different tank diameters, at which the concentration of waste in the vacuum line will not exceed the critical values. The results of the work have been successfully implemented in the production practice at the State Enterprise "Antonov", which is confirmed by the act of implementation.

Диссертация посвящена проектированию системы удаления отходов вакуумного типа современного самолета, которая описывает поэтапный процесс и методы разработки системы на этапах научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, разработку математических моделей, расчетного комплекса и позволяет на ранних этапах проектирования системы получить качественные характеристики будущей системы. Тенденции проектирования и эксплуатации современных самолетов привели к созданию на борту новых усовершенствованных систем. Не исключением стала и одна из систем жизнеобеспечения - система удаления отходов, которая обеспечивает необходимые комфортные условия на борту самолета и предназначена для удовлетворения физиологических потребностей организма человека. Современные требования к комфорту, санитарно-гигиеническим нормам, экологичности, энергосбережения, технологичности, требования к минимизации затрат на обслуживание, повышение эксплуатабельности и т. д., заставляют проектировщика систем, прикладывать немало усилий и ресурсов для создания конкурентоспособного продукта. Проведенный анализ существующих методов, концепций, и подходов к проектированию систем самолетов, расчетов составных частей системы удаления отходов (СУО) показал, что отсутствует комплексный, научно обоснованного подход к методике проектирования СУО, ее расчета и определения рациональных характеристик системы. Такие подходы к проектированию системы является служебной или конфиденциальной информации и уникальны для каждой самолетостроительной фирмы или вообще отсутствуют, и на практике конструктор сталкивается с их разрозненностью, половинчатостью, и часто незавершенностью. Современное проектирование любой системы на борту самолета является сложным, многофакторным, разветвленной задачей и заключается в нахождении оптимального соотношения параметров, при котором основными приоритетами являются безопасность и комфорт пассажиров на борту. В связи с этим предложена методика проектирования СУО, которая позволяет выполнить поэтапную разработку системы от создания концепции, ее исходных данных, к реализации на самолете, как отдельной функциональной системы, интегрированной и проектируемой в комплексе всего самолета. Предложена методика расчета и расчетный комплекс, который охватывает все необходимые для проектирования расчеты и рекомендует этапность выполнения расчетов в зависимости от стадии проекта. Разработана математическая модель, описывающая квазистационарные гидравлические процессы течения отходов в трубопроводе СУО самолета, с помощью, которой определяются геометрические и газодинамические характеристики трубопровода, что позволяет более качественно выполнить моделирование рабочих режимов и сократить время оптимизации системы и выбора трубопроводов по заданным параметрам. Используя программное обеспечение Ansys CFX, проведено исследование процессов вакуумирования и наполняемости баке хранения отходов, которое показало, что попадание отходов в магистраль вакуумирования происходит из-за значительной интенсификации процесса отрыва частиц отходов при уменьшении толщины воздушного зазора вследствие больших скоростей воздушных потоков, возникающих в процессе вакуумирования. По результатам многочисленных исследований определено минимально допустимое значение толщины воздушного зазора между поверхностью отходов и баком для различных диаметров баков, при котором концентрация отходов в магистрали вакуумирования не превысит критических значений. Практическая ценность полученных результатов заключается в предложенных методиках проектирования и расчета системы удаления отходов вакуумного типа для пассажирских самолетов. Методика расчета позволяет за счет комплекса программных и технических средств выполнить весь необходимый объем расчетов для получения характеристик системы; методика проектирования систематизировать процесс проектирования, выполнить оценку объема работ по проекту, выполнить конфигурирование системы и ее элементов. Разработанная математическая модель трубопровода позволяет получить нужные характеристики трубопровода в зависимости от предварительных условий. Предложенная математическая модель процесса наполняемости баке - получить характеристики бака, который соответствует установленным требованиям. Результаты работы успешно внедрены в производственную практику на ГП «Антонов» и апробированы при разработке системы удаления отходов для самолетов семейства Ан-148-100 и его модификаций (серийно эксплуатируемых), используются при разработке новых систем, что подтверждается актом внедрения.