Proceedings VCM 2012 31 mô phỏng hoạt động của hệ thống động lực

Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp xác định chế độ hoạt động của hệ thống động lực phục vụ việc chế tạo buồng tập huấn luyện người lái loại máy bay có cánh quạt, dùng nguồn công suất là động cơ pittông. Abstract: This paper presents the method of determining the working regime of the enginepropeller system to creating the pilot training simulator of the manned propeller aeroplane, use power source is a piston engine.

Mã bài: 46

Mô phỏng hoạt động của hệ thống động lực

động cơ pittông - cánh quạt Simulatate the operation of the dynamic system

of reciprocating engine - propeller

Nguyễn Khánh Chính

Viện KHCNQS

Thái Doãn Tường

Viện KTQS PK-KQ, tdoantuong@gmail.com

Phạm Vũ Uy

Học viện KTQS, Uyhofam@yahoo.com.vn

Tóm tắt:

Bài báo trình bày phương pháp xác định chế độ hoạt động của hệ thống động lực phục vụ việc chế tạo buồng tập huấn luyện người lái loại máy bay có cánh quạt, dùng nguồn công suất là động cơ pittông

Abstract:

This paper presents the method of determining the working regime of the engine-propeller system to

creating the pilot training simulator of the manned propeller aeroplane, use power source is a piston engine

Ký hiệu

Nedc0 hp công suất động cơ ở mặt đất

NedcH hp công suất động cơ ở độ cao H

dc g/hp.h Suất tiêu hao nhiên liệu riêng

Ncq hp công suất có của cánh quạt

Pcq kG lực kéo có của cánh quạt

V km/h vận tốc bay

 1 hiệu suất cánh quạt

p0 kG/cm2 áp suất không khí ở mặt đất

pH kG/cm2 áp suất không khí ở độ cao H

pnl kG/cm2 áp suất xăng cửa vào

T0 K nhiệt độ không khí ở độ mặt đất

TH K áp suất không khí ở độ cao H

A 1 hệ số suy giảm công suất

Acq 1 hệ số ảnh hưởng lực nâng

 1 hệ số công suất cánh quạt

 1 hệ số lực kéo cánh quạt

cq rad Góc tấn lá cánh quạt

cq rad mức suy giảm góc tấn

Cycq 1/rad đạo hàm hệ số lực nâng

Cycq 1 hệ số lực nâng

Cx0 1 hệ số lực cản chính diện

Cxcq 1 hệ số lực cản lá cánh quạt

k 1 hệ số chuyển đổi công suất

bcq m chiều rộng lá cánh quạt

n v/ph vòng quay động cơ

n v/ph độ sai lệch vòng quay động cơ

ncq v/ph vòng quay cánh quạt

n*max v/ph vòng quay động cơ ở sải max

n*min v/ph vòng quay động cơ ở sải min

n* v/ph vòng quay động cơ ở góc 

Dcq m đường kính lá cánh quạt

cq độ góc lắp lá cánh quạt

max độ góc lắp lá cánh quạt max

min độ góc lắp lá cánh quạt min

qd độ góc mở cần ga

qd độ góc mở cần sải

Chữ viết tắt

HTĐL hệ thống động lực

1 Đặt vấn đề

Các buồng tập lái, tạo điều kiện làm quen, thực hành huấn luyện bay trên mặt đất là hữu ích vì chúng đảm bảo tiết kiệm, tính an toàn và nâng cao cường độ quá trình huấn luyện

Các buồng tập lái phải được trang bị các thiết bị trong buồng lái giống thật, phải đảm bảo tạo cho người tập có phản ứng tự nhiên thích hợp khi điều khiển các thiết bị trong buồng lái Việc này được thực hiện nhờ các phần mềm mô phỏng cài đặt bên trong buồng tập Phần mềm này mô phỏng hoạt động của hệ thống các thiết bị khi nhận được các tín hiệu điều khiển của người luyện tập, nó xử

lý và gửi các tín hiệu đầu ra tới các đồng hồ hiển thị, các đèn báo, cũng như các liên hệ ngược khác lên trong buồng lái Phần mềm mô phỏng hệ thống động lực (HTĐL) là một phần quan trọng trong phần mềm mô phỏng thiết bị bay

Cho tới nay chúng ta đã có nhiều kinh nghiệm chế

tạo các buồng tập lái huấn luyện người lái các

máy bay mà trên đó sử dụng động cơ tuabin phản

lực; tuy nhiên kinh nghiệm trong việc mô phỏng

các HTĐL sử dụng động cơ pittông-cánh quạt còn

hạn chế Bài báo này trình bày phương pháp xác

định chế độ hoạt động của HTĐL phục vụ việc

chế tạo buồng tập huấn luyện người lái loại máy

bay (Iak-52) có dùng nguồn công suất là động cơ

pittông (M-14P) và lắp cánh quạt (V530TA-D35)

có góc lắp lá cánh thay đổi được

2 Cơ sở lý thuyết

Chức năng của HTĐL là tạo ra được lực kéo cần

thiết giúp người lái duy trì chế độ bay mong

muốn Với HTĐL "động cơ pittông – cánh quạt"

thì:

+ Động cơ pít tông là nguồn tạo công suất kéo quay cánh quạt;

+ Cánh quạt khi thực hiện chuyển động quay

sẽ tạo ra lực kéo máy bay chuyển động

Khả năng hoạt động của cả hai bộ phận trên đều phụ thuộc vào điều kiện hoạt động; chủ yếu là phụ thuộc vào độ cao bay H và tốc độ bay V của máy bay

Đặc tính ngoài của động cơ là quan hệ giữa công suất hiệu dụng Nedc và suất tiêu hao nhiên liệu riêng hiệu dụng dc theo tốc độ quay ndc của trục khuỷu khi tăng ga lớn nhất; Với động cơ được mô phỏng (M-14P) đặc tính trong một số chế độ chính được trình bày trong bảng 1

Bảng 1 Số liệu kỹ thuật động cơ M-14P Chế độ

hoạt động

Côngsu

ất [hp]

vòng quay [v/ph]

Áp suất Nhiệt độ [oC] Tiêu thụ nhiên

liệu [g/hp.h]

nh.liệu [mm Hg]

d.nhờn [kG/cm2]

đầu xi lanh

dầu nhờn Cất cánh 360 2900 810±15 4÷6 120÷220 40÷75 285 315

Định mức 1 290 2400 800±15 4÷6 120÷220 40÷75 280 310

Định mức 2 240 2050 780±15 4÷6 120÷220 40÷75 265 300

Hành trình 1 180 1860 725±15 4÷6 120÷220 40÷75 215 235

Hành trình 2 144 1730 670±15 4÷6 120÷220 40÷75 210 230

Khi lên cao, áp suất khí quyển giảm, khả năng tạo

công suất của động cơ pitông cũng suy giảm Để

đảm bảo cho động cơ hoạt động tốt trong điều

kiện bay trên cao, trên động cơ M-14P có lắp bơm

tăng áp hỗn hợp nhiên liệu trước khi đẩy nó vào

pitông Đây là dạng bơm ly tâm được kéo quay

trực tiếp từ trục động cơ mức suy giảm công suất

động cơ theo độ cao được mô tả theo công thức:

NeđcH=A.Neđc0 (1)

A=1,11

H o o

H

T

T p

p

- 0.11 (2)

Với lượng nhiên liệu xác định cấp vào động cơ

trong mỗi chế độ hoạt động thì mức gây tải của

cánh quạt (tải ngoài) lên trục động cơ sẽ là yếu tố

quyết định đến tốc độ quay nđc của trục

Với hình dạng và kích thước hình học xác định

của lá cánh qụat, tải mà cánh quạt tạo ra cũng phụ

thuộc tốc độ, độ cao bay và quan trọng là góc lắp

lá cánh quạt Công suất cần cấp cho cánh quạt

Necq để nó quay với tốc độ vòng quay ncq được

tính theo công thức sau:

Necq=..Dcq

5

.ncq 3

(3) Trong mỗi chế độ hoạt động thì tốc độ quay của

HTĐL sẽ xác định khi

Khi điều kiện (4) thoả mãn, tốc độ quay nđc xác định, cánh quạt sẽ tạo ra một lực kéo Pcq xác định

Độ lớn của lực kéo được xác định bằng công thức:

Pcq=..Dcq

4

.ncq 2

(5) Ngoài những thông tin có được về cánh quạt

V530TA-D35, một số số liệu công bố về điều kiện thử tĩnh trên mặt đất không cho phép xác định được các giá trị ,  của cánh quạt V530TA-D35 trong các điều kiện bay thực (tốc độ bay V≠0 và bao gồm được cả ảnh hưởng tương tác khí động)

Để mô phỏng được hoạt động của HTĐL của

Iak-52, giải pháp đưa ra là tiến hành theo các bước sau:

1 Sử dụng các số liệu có được trong điều kiện tĩnh (V=0 m/s) trên mặt đất, do lực kéo của cánh quạt là lớn nhất Nên sẽ bỏ qua ảnh hưởng tương tác khí động giữa cánh quạt với thân (coi phần suy giảm do tương tác là nhỏ so với lực kéo

và lấy =1,3) Với giả thiết cánh quạt hoạt động trong vùng đặc tính khí động tuyến tính Từ đó xác định đặc tính kéo Cycq và cản quay của cánh quạt Cxcq, với diện tích đặc trưng là diện tích lá cánh quạt; từ đó dẫn ra công thức xác định 

Cycq = Cycq.cq (6)

Cxcq = Cx0+Acq.Cycq

2

(7)

Mã bài: 46

cq

cq 3 xcq 2D

b π k.C

2 Sử dụng các số liệu tính toán và ghép vào

mô hình chuyển động không gian của máy bay

Tiến hành hiệu chỉnh giá trị lực kéo đối với một số

đường bay cơ bản cho tới khi đạt được các tham

số bay trùng khớp với hướng dẫn của Sổ tay phí

công Trên cơ sở đó, hiệu chỉnh lại các hệ số

Các đường bay cơ bản được lựa chọn gồm:

+ Bay bằng ở độ cao H=500 m ở các chế độ

'Cất cánh', 'Định mức 1' và 'Định mức 2'

+ Bay leo dốc từ độ cao H=400÷500 m với

tốc độ lên Vy= 4÷5m/s ở các chế độ 'Định mức 1'

và 'Định mức 2'

Kết quả thu được sau khi xử lí thống kê là đã xác

định được các giá trị: Cycq= 0,035, Cxo=0,089,

Acq=0,11064 và xây dựng được đặc tính kéo của

cánh quạt V530TA-D35 theo tốc độ bay Trên H

1 là đồ thị lực kéo của chế độ 'Định mức 1'

H 1 Đồ thị biến thiên lực kéo của cánh quạt

theo tốc độ bay

3 Mô phỏng quá trình điều khiển hoạt động

của hệ thống động lực động cơ pittông –

cánh quạt

Trong buồng lái máy bay Iak-52 được lắp đặt các

cơ cấu điều khiển HTĐL sau:

+ Cần ga - điều khiển lưu lượng nhiên liệu vào động cơ;

+ Cần sải - điều khiển góc lắp của cánh quạt Dựa theo các tác động điều khiển, việc kiểm soát hoạt động của động cơ được theo dõi trên các mức hiển thị của đồng hồ, gồm:

+ Đồng hồ tốc độ vòng quay n (ứng với các chế độ khai thác sử dụng chính);

+ Đồng hồ tốc độ bay (đồng hồ tốc độ) + Đồng hồ áp suất hỗn hợp nhiên liệu sau bơm tăng áp

+ Các đồng hồ nhiệt độ đầu xi lanh, áp và nhiệt độ dầu bôi trơn động cơ

Như phân tích trên, do có nhiều yếu tố cùng lúc tác động lên HTĐL và chúng có mối liên hệ ràng buộc lẫn nhau nên nếu người lái cùng lúc phải điều khiển trực tiếp mức đặt sải và độ mở tay ga thì thực chất không thể xác định được một chế độ lực kéo nhất quán theo tốc độ vòng quay của động

cơ Để giúp người lái dễ dàng làm được việc này, trong HTĐL có lắp bộ điều chỉnh số vòng quay,

về bản chất đó là một thiết bị chương trình hoạt động theo sơ đồ sau:

H 2 Sơ đồ khối của HTĐL có bộ điều chỉnh tốc độ vòng quay

cần sải

pitông

Cánh quạt

Cơ cấu định chỉnh vòng quay

Cơ cấu đặt sải

H

H V



n

nđc







P

Bộ điều chỉnh vòng quay

Cơ cấu định chỉnh

H

H V



n

nqd



qd

qd

Pcq

Bộ điều chỉnh vòng quay

n

400

200

Pđc

[kG]

H=500m

100 200 V[km/h]

Với vị trí cần sải lựa chọn, bộ điều chỉnh số vòng

quay thực hiện tự động điều chỉnh góc lắp của các

lá cánh quạt để đảm bảo sao cho khi cánh quạt

nhận công suất của động cơ trong một phạm vi

nào đó nó sẽ quay với một số vòng quay nqđ không

đổi Nhờ có bộ điều chỉnh số vòng quay mà chế độ

hoạt động của động cơ được xác lập nhất quán theo sự điều khiển của phi công thông qua 2 cần điều khiển ga và sải

Các chế độ hoạt động của hệ thống động lực động

cơ pittông-cánh quạt M-14P được mô tả trên H 3.

H 3 Vùng các chế độ hoạt động của HTĐL

Khi thể hiện các chế độ hoạt động của HTĐL

trên đồ thị H 3, quan hệ giữa công suất và tốc

độ quay thì đường cong CB biểu diễn đường

công suất cánh quạt ứng với góc lắp lớn nhất

(max- ứng với góc đặt min khi cần sải thu hết về

phía sau); đường DA ứng với góc lắp nhỏ nhất

(min- ứng với góc đặt max khi cần sải đẩy hết về

phía trước); đường BA biểu diễn đặc tính ngoài

của động cơ khi góc đặt cần ga lớn nhất max

(đẩy hết về phía trước); đường CD ứng với khi

góc đặt cần ga nhỏ nhất min (kéo hết về phía

sau) Vùng hoạt động của HTĐL bị giới hạn

trong vùng ABCD Nếu đặt cần sải ứng với n2

thì khi đẩy tay ga từ mấu ga nhỏ lên: ban đầu

vòng quay tăng theo tay ga (đoạn DE), khi đạt

n=n2 thì vòng quay sẽ duy trì không đổi khi đẩy

tay ga trong suốt đoạn công suất EF, sau đó

vòng quay tiếp tục tăng theo tay ga đạt chế độ

định mức 2 (theo đoạn FB đến điểm B) Nếu cả

hai cần ga sải đều đang ở vị trí đẩy hết lên phía

trước (điểm A - ứng với chế độ cất cánh) thì

cách lựa chọn: thu cần sải trước về góc 2 sau đó thu cần ga về vị trí 2 (đường AA1P); hoặc ngược lại thu cần ga trước về vị trí 2 sau đó thu cần sải

về góc 2 (đường AA2P) Khi cố định tay ga ở một vị trí nhất định (ví dụ =2) thì khi cần sải ở phía trước vòng quay của động cơ sẽ là ndc=

n*min (điểm A2) Nếu thu hết cần sải về phía sau vòng quay của động cơ sẽ là ndc= n*max (điểm C1)

Tiến trình mô phỏng HTĐL của JAK 52 trong

mỗi vòng lặp tính toán được thể hiện trên H 4

1 Xác định các số liệu đầu vào:

+ Vị trí đặt cần ga qd; vị trí đặt cần sải qd; + Điều kiện là việc làm việc: tốc độ V, độ cao bay H;

+ Các đặc tính cánh quạt

2 Tìm các giá trị tốc độ quay bổ trợ:

+ Giá trị các tốc độ vòng quay n*max , n*min ứng với vị trí đặt cần ga qd;

+ Giá trị tốc độ vòng quay n* vị trí đặt cần sải

n

min

nmax

n1

n2

D

C

n*max

n*min

n*

2

E

M

1

F

L

P

B

max

A

A1

A2

C1

max

min (max)

Ne

Mã bài: 46

3 Xác định điểm hoạt động của HTĐL

trong vùng hoạt động của nó (theo các bước 3, 4,

5 trên sơ đồ) Kết quả cần tìm là tốc độ vòng

quay cân bằng của động cơ và cánh quạt ndc và

góc lắp tức thời cq được xác lập theo bộ điều

chỉnh tốc độ vòng quay

4 Dựa theo các công thức (3) và (9) xác

định công suất động cơ Từ đó, theo tỉ lệ công

suất xác định lực kéo của cánh quạt

5 Tính toán kéo của cánh quạt ứng với độ cao và

tốc độ bay tức thời Các thông số khác của động cơ dựa trên phép nội suy theo tốc độ vòng quay động cơ cho nhiệt độ đầu xi lanh, áp suất và nhiệt độ dầu bôi trơn theo số liệu lấy theo bảng

1 Riêng với áp suất nhiên liệu sau bơm tăng áp

đã xây dựng hàm biến thiên của nó tỷ lệ tuyến tính theo mức độ biến thiên công suất động cơ Các số liệu tính toán được hiển thị trên cá đồng

hồ trong buồng lái

H 4 Tiến trình mô phỏng HTĐL

đúng

đúng

(1)

sai

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

sai

(1)

ndc=n*φmax

φcq = φmax

Ndc=f(ndc,φcq )

n*≤n*φmax

n*≥n*φmin

ndc=n*φmin

φcq = φmin

ndc=n*

φcq =f(n*, qd)

Fcq=f(Ndc,V) pnl=f(ndc,Ndc) đồng hồ trong buồng hiển thị trên các

lái

Tìm n*φmax;

Tìm n*φmin

Tìm n*

Đặt các điều kiện vào:

+ vị trí cần ga qd

+ vị trí cần sải γqd

+ điều kiện bay bay H,V + đặc tính cánh quạt

4 Viết chương trình và kiểm chứng độ tin cậy

của mô hình

Dựa trên các thuật toán đã trình bày trong mục

3, đã xây dựng phần mềm mô phỏng HTĐL

động cơ pittông – cánh quạt trên ngôn ngữ lập

trình C++;

Việc kiểm chứng độ tin cậy của mô hình đã

được thực hiện bằng cách sau:

- Ghép nối phần mềm điều khiển với phần

cứng (buồng tập lái) và kiểm tra chạy thông,

đảm bảo sự điều khiển phù hợp thực tế, giữ

đúng được phản xạ của người lái (qua vị trí của

từng cần điều khiển cũng như vị trí tương đối

giữa chúng)

- Thực hiện tính toán lực kéo của cánh quạt,

đảm bảo đúng quy luật biến đổi theo tốc độ, độ

cao bay và chế độ làm việc của động cơ

- Tiến hành điều khiển các chế độ của động

cơ, các số liệu kiểm tra (theo các đồng hồ trên

buồng lái) phải phù hợp với các dữ liệu quy định

trong hướng dẫn sử dụng thiết bị bay trong tất cả

các đường bay cơ động và các bài bay quy định

5 Kết luận

Trong bài báo đã trình bày ngắn gọn một số lý

thuyết cơ bản về HTĐL động cơ pittông – cánh

quạt, xây dựng thuật toán mô phỏng và cách

kiểm chứng độ tin cậy của mô hình đã được thực

hiện

Phần mềm mô phỏng đã được áp dụng; cài đặt trên các buồng tập lái, làm việc tin cậy và các số liệu hiển thị trên buồng lái phản ánh khá chính xác ứng xử của HTĐL trong mọi chế độ bay, đường bay cơ động và các bài bay quy định trong luyện tập; được các phi công có kinh nghiệm bay kiểm tra và chấp nhận Hiện nay phần mềm mô phỏng đang được sử dụng có hiệu quả tại cơ sở huấn luyện phi công lái máy bay JAK 52 trong nước ta

Tài liệu tham khảo

 A M Лапшин П И Апошин: Авиационный двигатель М-14П Москва, Трансорт 1976

 А Е Коровин, Ю Ф Новико: Практическая аэродинамика и динамика полёта самолётов Як-52, Як-55 Москва Издательсто Доссаф, СССР 1989

 А Е Коровин: Як-52, пособие лётчику

Москва Издательсто Доссаф 1987

 В С Рибалчик, С В Поляков, В Ф

Герашимено: Теория поршневых авиационных двигателей Министерство обороны СССР.1955

 Martin Hepperle: How a Propeller Works,

Deutschland, 1996

Website http://www.MH-AeroTools.de/