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.
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 225 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 Ký hi ệu Đơn v ị Ý ngh ĩa N edc0 hp c ông s u ất động c ơ ở mặt đất N ed cH hp c ông su ất động c ơ ở đ ộ cao H dc g/hp.h Su ất ti êu hao nhiên li ệu ri êng N cq hp c ông su ất có của cánh quạt P cq kG l ực kéo có của cánh quạt V km/h v ận tốc bay H m đ ộ cao bay 1 h i ệu suất cánh quạt p 0 kG/cm 2 á p su ất khôn g khí ở mặt đất p H kG/cm 2 á p su ất không khí ở độ cao H p nl kG/cm 2 á p su ất xăng cửa v ào T 0 K n hi ệt độ không khí ở độ mặt đất T H K á p su ất không khí ở độ cao H A 1 h ệ số suy gi ảm công suất A cq 1 h ệ số ảnh h ư ởng lực nâng 1 h ệ số công suất cánh quạt 1 h ệ số lực kéo cánh quạt cq rad Góc t ấn lá cánh quạt cq r ad m ức suy giảm góc tấn C ycq 1/rad đ ạo h àm h ệ số lực nâng C ycq 1 h ệ số lực nâng C x0 1 h ệ số lực cản chính diện C xcq 1 h ệ số lực cản lá cánh quạt k 1 h ệ số chuyển đổi công suất b cq m ch i ều rộng lá cánh quạt n v/ph v òng quay đ ộng c ơ n v/ph đ ộ sai lệch v òng quay đ ộng c ơ n cq v/ph v òng quay cánh q u ạt n * max v/ph v òng quay đ ộng c ơ ở sải max n * min v/ph v òng quay đ ộng c ơ ở sải min n * v/ph vòng quay động cơ ở góc D cq m đư ờng kính lá cánh qu ạt cq đ ộ g óc l ắp lá cánh qu ạt max đ ộ góc l ắp lá cánh quạt max min đ ộ góc l ắp lá cánh quạt min qd đ ộ góc m ở cần ga qd đ ộ góc m ở 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 226 Nguyễn Khánh Chính, Thái Doãn Tường, Phạm Vũ Uy VCM2012 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 Ne dc và suất tiêu hao nhiên liệu riêng hiệu dụng dc theo tốc độ quay n dc 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 [ o C] Tiêu thụ nhiên liệu [g/hp.h] nh.liệu [mm Hg] d.nhờn [kG/cm 2 ] 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 Ga nhỏ - >800 - >1. - - - 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: Ne đcH =A.Ne đc0 (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 n đc 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 Ne cq để nó quay với tốc độ vòng quay n cq được tính theo công thức sau: Ne cq =..D cq 5 .n cq 3 (3) Trong mỗi chế độ hoạt động thì tốc độ quay của HTĐL sẽ xác định khi Ne dc = Ne cq (4) Khi điều kiện (4) thoả mãn, tốc độ quay n đc xác định, cánh quạt sẽ tạo ra một lực kéo P cq xác định. Độ lớn của lực kéo được xác định bằng công thức: P cq =..D cq 4 .n cq 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 Cy cq và cản quay của cánh quạt Cx cq , với diện tích đặc trưng là diện tích lá cánh quạt; từ đó dẫn ra công thức xác định . Cy cq = Cy cq . cq (6) Cx cq = Cx 0 +A cq .Cy cq 2 (7) cq = cq - cq (8) Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 227 Mã bài: 46 cq cq 3 xcq 2D b πk.Cβ (9) 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, Cx o =0,089, A cq =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 cần ga Động cơ pitông Cánh quạt Cơ c ấu định chỉnh vòng quay Cơ cấu đặt sải H H V n n đc P Bộ điều chỉnh vòng quay Động cơ pitông Cánh quạt Cơ cấu định chỉnh vòng quay Cơ cấu đặt sải H H V n n qd qd qd P cq Bộ điều chỉnh vòng quay n 400 200 P đc [kG] H=500m 10 0 200 V[km/h] 228 Nguyễn Khánh Chính, Thái Doãn Tường, Phạm Vũ Uy VCM2012 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 n qđ 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 n 2 thì khi đẩy tay ga từ mấu ga nhỏ lên: ban đầu vòng quay tăng theo tay ga (đoạn DE), khi đạt n=n 2 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 muốn về điểm hoạt động P, phi công có thể có 2 cách lựa chọn: thu cần sải trước về góc 2 sau đó thu cần ga về vị trí 2 (đường AA 1 P); hoặc ngược lại thu cần ga trước về vị trí 2 sau đó thu cần sải về góc 2 (đường AA 2 P). 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 n dc = n * min (điểm A 2 ). Nếu thu hết cần sải về phía sau vòng quay của động cơ sẽ là n dc = n * max (điểm C 1 ). 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 qd . n min n max n 1 n 2 D C n * max n * min n * 2 E M 1 F L P B max ( min ) 2 K A A 1 A 2 C 1 max min ( m ax ) Ne Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 229 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 n dc 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) n dc =n* φmax φ cq = φ max N dc =f(n dc ,φ cq ) n* ≤n* φmax n* ≥n* φmin n dc =n* φmin φ cq = φ min n dc =n* φ cq =f(n* , qd ) F cq =f(N dc ,V ) pnl=f(n dc ,N dc ) hi ển thị tr ên các đồng hồ trong buồng lái Tìm n* φmax; Tìm n* φmin Tìm n* Đ ặt các điều kiện v ào : + vị trí cần ga qd + vị trí cần sải γ qd + điều kiện bay bay H,V + đặc tính cánh quạt 230 Nguyễn Khánh Chính, Thái Doãn Tường, Phạm Vũ Uy VCM2012 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/. . 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. 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. tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 225 Mã bài: 46 Mô phỏng hoạt động của hệ thống động lực động cơ pittông - cánh quạt Simulatate the operation of the dynamic system