Preliminary project of flap control system for an aircraft with weight over 50 000 kg

Łukasz Skonecki

Abstract

The purpose of the following thesis is to present a preliminary concepts and calculations with respect to flap control system for a large commercial aircraft. First chapter consists of theoretical part connected with rule of slotted flaps performance, which are most often applied on heavy commercial aircrafts. Overall aircraft mission profile, which provides some requirements with respect to designed system is described. Brief overview of existing structural solutions with respect to systems applied on similar aircrafts of this type is also provided. Second chapter is devoted to basic characteristic of PW-2000 Worldliner aircraft, which had been designed by the author of the thesis and which is equipped with double slotted Fowler flaps. It served as a model of further considerations, as well as to preliminary analysis of system requirements with respect to the project. They are expressed mainly by flight conditions estimated on the basis of European regulations EASA CS-25 set of regulations, which define the design case for loads acting on flap panels, but also by performance parameters and operational conditions resulting from the character of aircraft’s mission. These factors are analyzed and estimated. They include mainly airspeed, angle of attack and flight phase, when the greatest flap loading occur. In the result of provided analysis appeared, that the design case for flap loads will be the landing phase, when flaps are fully extended. This flaps configuration became an object of further provided considerations. The main topic of third chapter is the estimation of flaps aerodynamic loads for design conditions, which were defined in chapter two. Because of the fact, that there are no analytical methods, which would allow obtaining values of Fowler flap loads with an acceptable accuracy, numerical analysis of a flow around flapped wing model in landing configuration was provided. Analysis was done with use of FLUENT 6.3 code, while flapped wing model was created in UNIGRAPHICS NX 4.0. In fourth chapter of the thesis, firstly overall concept of a whole system was presented, then a preliminary procedure of actuators and extension mechanism design. As system with centralized power drive unit and mechanical drive transmission line had been previously chosen, as actuation elements mechanical ballscrew actuators were assumed to be used. Its assembly consists of bevel, worm and ballscrew gear, whose purpose is to transform the torque of the transmission tube to linear motion of its nut, which drives flap extension mechanism. Its design was developed with respect to the flap extension profile and sequence of mutual flaps panels movement. On the basis of preliminary dimensions and schematic of transmission line, providing a number of iterations between gearboxes and desired torque tube performance parameters, its demanded torque and rotational speed was calculated. Fifth chapter is devoted to choice of a drive unit for the system. On the basis of its design loads and current trends analysis, variable displacement hydraulic motor was chosen as a driving device. Applying this type of motor instead of traditional constant displacement one allows decreasing significantly flow consumption form hydraulic systems of the aircraft by means of motor displacement adjustment with response to actual system loading situation. Examples of experimental results of performance comparisons for both types of motors were presented. In order to increase system reliability, two simultaneously operating motors with their output shafts rotational speed summing differential were applied. Taking into account requirements regarding operational conditions, specific model of variable displacement hydraulic motor was chosen, which has an ability to reverse output shaft direction of rotation as well as possibility to work in a pump mode. In sixth and the last chapter of the thesis project of controlling part of the system is included. Taking into account the fact, that currently all aircrafts of similar type are appointed with electronic integrated avionics with ‘fly-by-wire’ flight control systems, it was decided that PW-2000 Worldliner will be also equipped with such kind of system. Main elements are here actuator control electronics blocks, which perform controlling and monitoring functions of a flap power drive unit. In this chapter signals flow in the system was defined, beginning with the control lever in the cockpit, ending with power drive unit, in which detailed schematic of valve blocks control was described. Conclusions were included in the summary of the thesis.
Diploma typeEngineer's / Bachelor of Science
Diploma typeEngineer's thesis
Author Łukasz Skonecki (FPAE)
Łukasz Skonecki,,
- Faculty of Power and Aeronautical Engineering
Title in PolishProjekt wstępny układu sterowania klapami dla samolotu o masie powyżej 50 000 kg
Supervisor Krzysztof Gajda
Krzysztof Gajda,,
-

Certifying unitFaculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Affiliation unitThe Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE / IAAM)
Study subject / specialization, Lotnictwo i Kosmonautyka
Languageen angielski
StatusFinished
Defense Date18-03-2008
Issue date (year)2008
Pages117
Internal identifierMEL; PD-575
Reviewers Janusz Narkiewicz (FPAE / IAAM)
Janusz Narkiewicz,,
- The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics
, Krzysztof Gajda
Krzysztof Gajda,,
-
Keywords in Polishsamoloty, układy sterowania, układy hydrauliczne, mechanizacja skrzydła, lotnictwo i kosmonautyka
Keywords in Englishxxx
Abstract in PolishPoniższa praca ma na celu zaprezentowanie wstępnych rozwiązań koncepcyjnych oraz obliczeń związanych z układem sterowania klapami dla dużego samolotu komunikacyjnego. Pierwszy rozdział pracy stanowi część teoretyczna, związana z zasadą działania klap szczelinowych, które są najczęściej stosowane w samolotach, których dotyczy analiza. Opisano ogólny profil misji typowego samolotu komunikacyjnego, który narzuca pewne wymagania w odniesieniu do projektowanego układu. Dokonano też przeglądu istniejących rozwiązań układów sterownia klapami, stosowanych w samolotach podobnego typu. Przeanalizowano różne koncepcje konstrukcyjne ich części wykonawczych i sterujących. Drugi rozdział pracy poświęcono ogólnej charakterystyce samolotu PW-2000 Worldliner projektu autora pracy, wyposażonego w dwuszczelinowe klapy Fowlera, który posłużył jako model dla późniejszych rozważań, a także analizie wstępnych wymogów w odniesieniu do projektu. Są one podyktowane przez wymiarujące obciążenia warunki lotu przewidziane przez europejskie przepisy EASA CS-25 oraz osiągi i warunki użytkowania samolotu, wynikające z wcześniej zdefiniowanego profilu jego misji. Czynniki te zostały przeanalizowane i wyznaczone. Zalicza się do nich głównie prędkość, kąt natarcia oraz faza lotu, w której wystąpi największe dopuszczalne obciążenie klap skrzydłowych. W wyniku przeprowadzonej analizy okazało się, iż przypadkiem wymiarującym będzie faza podejścia do lądowania z klapami w maksymalnym położeniu. Głównym tematem trzeciego rozdziału jest wyznaczenie obciążeń aerodynamicznych powierzchni klap dla zdefiniowanych w rozdziale drugim parametrów charakteryzujących przypadek wymiarujący. Z racji, iż nie istnieją żadne metody analityczne, które pozwoliłyby wyznaczyć siły aerodynamiczne działające na poszczególne segmenty klap na akceptowalnym poziomie dokładności, przeprowadzono analizę numeryczną symulującą przepływ wokół modelu skrzydła w konfiguracji do lądowania. Analiza została wykonana w wykorzystaniem kodu programu FLUENT 6.3, natomiast model skrzydła z zachowaniem odwzorowania geometrii profilu jego oraz klap został stworzony przy pomocy programu UNIGRAPHICS NX 4.0. W rozdziale czwartym na wstępie przedstawiony został ogólny schemat koncepcyjny całego układu, a następnie projekt elementu wykonawczego. Ponieważ wybrany został system zcentralizowany z centralną jednostka napędową i mechanicznym układem transmisji napędu, jako elementy wykonawcze zastosowano siłowniki mechaniczne wykorzystujące układ przekładni kątowej i ślimakowej do transmisji ruchu oraz przekładnię kulową, której celem jest zamiana momentu obrotowego wału napędowego na ruch posuwisty układu wychylenia klap. Jego schemat został opracowany w oparciu o wymogi dotyczące ich sekwencji wychylania. Na postawie wstępnych wymiarów oraz schematu układu transmisji napędu, przeprowadzając szereg iteracji pomiędzy charakterystykami poszczególnych przekładni a pożądanymi parametrami pracy wału transmisyjnego, obliczono jego wymaganą prędkość oraz moment obrotowy. Piąty rozdział pracy jest poświęcony doborowi jednostki napędowej układu. Na podstawie analizy wymagań, co do występujących obciążeń oraz bieżących trendów, zdecydowano o zastosowaniu w tym miejsc silnika hydraulicznego o zmiennym wydatku. Pozwoliło to w znaczny sposób ograniczyć obciążenie układów hydraulicznych samolotu podczas pracy układu w stosunku do silników o stałym wydatku. Pokazane zostały przykłady wyników doświadczeń porównawczych obu typy urządzeń. W układzie napędowym, ze względów bezpieczeństwa, zastosowano dwa równolegle pracujące silniki oraz dyferencjał sumujący prędkości obrotowe ich wałów wyjściowych. Biorąc pod uwagę wymogi, co do warunków pracy, wybrany został model silnika, posiadający możliwość odwrócenia kierunku obrotu wału wyjściowego, a także pracy w trybie pompy. Szósty, ostatni rozdział pracy stanowi projekt części sterującej układu. Jako, że obecnie w podobnych typach samolotów stosowane są nowoczesne systemy sterowania pośredniego z elektryczny przeniesieniem napędu „fly-by-wire”, taki też został zastosowany w niniejszym projekcie. Głównymi elementami są tutaj bloki sterowania i kontroli układu napędowego systemu. Zdefiniowano obieg sygnałów sterujących, począwszy od dźwigni sterowania w kabinie pilotów, a skończywszy na module napędowym, w którym szczegółowo opisano schemat sterowania serwomechanizmami zaworów układu hydraulicznego. Wszystkie wnioski z pracy zostały zawarte w jej podsumowaniu.
File
PRACA_DYPLOMOWA_INZ.doc 3.02 MB

Get link to the record

Back
Confirmation
Are you sure?