УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОМЕНТА НАЧАЛА ОБЛЕДЕНЕНИЯ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА

Полезная модель относится к средствам контроля, в частности, определения момента начала обледенения входных устройств газоперекачивающих агрегатов и может быть использована, преимущественно, в газотурбинных установках (ГТУ), которые широко применяются в машиностроении, авиации, транспорте, металлургической отраслях промышленности.
Основной особенностью этих установок является необходимость предварительной подготовки атмосферного воздуха, поступающего на входной патрубок компрессора и далее на турбоблок.
Комплексные воздухоочистительные устройства (КВОУ), устанавливаемые на входе в компрессор, имеют целевое назначение. Они предназначены для очистки циклового воздуха и борьбы с обледенением и состоят из нескольких последовательно соединенных между собой блоков: воздухоприемного с устройством подогрева атмосферного воздуха, инерционного блока очистки с вентиляторами отсоса пыли, фильтров тонкой очистки, блок шумоглушения и переходника, соединяющего КВОУ с входным патрубком турбокомпрессора ГТУ, из которых каждый выполняет одну из вышеперечисленных функций. Цель обеспечить надежную работу ГТУ в экстремальных условиях.
Для борьбы с обледенением в ГТУ используется горячий воздух, отбираемый после регенератора. Систему включают при обледенении, определяемом визуальным путем (через специальные окна, расположенные на входном блоке КВОУ. Был разработан регенеративный подогреватель воздуха, предупреждающий обледенение на входе в компрессор. Обледенение приемного блока и инерционного пылеуловителя предотвращалось теплым воздухом, отбираемым из воздушного маслоохладителя, но для надежной защиты входа компрессора нужен более глубокий подогрев. (Е.И.Михайлов, В.А.Резник, А.А.Кринский "Комплексные воздухоочистительные устройства для энергетических установок" Л. Машиностроение, 1978, с.34-49).
В авиации применяются электроразрядники, взламывающие лед при разрядке конденсатора. В других аппаратах поверхность покрывается эластичными протекторами, которые периодически заполняют воздухом. Подача разного рода антифрезов может предохранить кратковременно небольшой участок, например, от входной улитки до первой ступени компрессора.
Известен способ противообледенения и микроволновая антиобледенительная система самолета [Патент США №5615849, кл. В 64 D 15/00, опубл. Ol.04.1997], в которой конструктивные
элементы ЛА в подверженных опасности обледенения зонах поверхности нагревают до температур таяния льда. Микроволновая энергия, получаемая от микроволневого генератора, поглощается специальной тепловой поглощающей трубкой, находящейся в предкрылке аэродинамической поверхности. Затем полученную микроволновую энергию преобразуют в тепловую посредством той же поглощающей трубки. Для наиболее эффективного преобразования микроволновой энергии в тепловую на внутреннюю поверхность трубки наносят специальное покрытие, обладающее высокими абсорбционными свойствами, и устанавливают зеркало-изолятор. Затем тепловыми трансферными рулями тепловую энергию передают к конструктивным элементам ЛА, например к обшивке переднего фронта крыла, или к другой аэродинамической поверхности, ротору ЛА и т.д.
Температуру этих элементов поддерживают на постоянном уровне так, чтобы она была существенно выше температуры замерзания. Таким образом, осуществляют нагрев конструктивных элементов ЛА, позволяя предотвратить их обледенение.
Общими недостатками применения указанного изобретения является: высокая стоимость изготовления конструктивных элементов системы антиобледенения и энергетические затраты для подачи нагретых газов или жидкостей по трубопроводу
Недостатком их является также то, что момент обледенения определяется по факту, а не прогнозируется до начала процесса обледенения. Эта проблема наиболее важна для ГТУ, учитывая разности скоростей воздушных потоков на входе КВОУ и на входе всасывающего патрубка компрессора, где условия обледенения значительно отличаются.
Таким образом, в настоящее время используется три основных метода для удаления или предотвращения образования льда на внешних поверхностях ЛА, а именно:
- путем подачи горячего воздуха, отбираемого из проточной части или магистрали ГТУ, в места возможного обледенения;
- механическими средствами, например вибрационными сетками или колодками, прикрепляемыми к поверхности или встроенными в нее или преобразованием акустической энергии посредством резонаторов.
- путем применения различных покрытий из специальных материалов, замедляющих процесс обледенения.
Независимо от метода предотвращения образования льда, антиоблединительная система содержит: датчики и сигнализатор обледенения, преобразователи сигналов для включения исполнительного устройства и средства контроля работы системы.
Известно устройство, которое содержит датчик обледенения, к первому выводу которого подсоединен своим выходным положительным выводом регулятор мощности нагревания, и индикатор. Датчик обледенения выполнен в виде металлической пластины, электроизоляционной
пленки и электропроводной термочувствительной дорожки. Электроизоляционная пленка расположена на поверхности металлической пластины. На верхней поверхности электроизоляционной пленки расположена электропроводная термочувствительная дорожка. Последняя подсоединена своим первым выводом к первому выводу первого входа регулятора мощности нагревания, вторым выводом через термостабильное сопротивление - к отрицательному выходному выводу регулятора мощности нагревания и к первому выводу его второго входа. Вторые выводы первого и второго входов регулятора мощности нагревания подсоединены к его отрицательному выходному выводу. Индикатор подсоединен своим входом к выходу регулятора мощности нагревания (Патент РФ №2169105).
Известен сигнализатор чисто электронного типа - комбинация электронного термометра с сигнализатором [X.Крибель «Схемы любительских электронных устройств», М., «Энергоиздат», 1992 г., с.60). В схеме использованы два компаратора напряжений, транзистор, светоизлучающий диод (СИД), три конденсатора большой емкости и 16 резисторов, в том числе два переменных резистора и один терморезистор, служащий датчиком температуры.
Предложенное устройства позволяет с наименьшими затратами энергии точнее и быстрее измерить интенсивность обледенения, но применение его в ГТУ зависит от места размещения датчика, т. к. температура в различных точках входного тракта ГТУ может значительно отличаться. Точность констатации момента начала льдообразования только по температуре снижает надежность работы антиобледенительной системы.
Известно использование способа для борьбы с обледенением путем повышения достоверности определения наличия обледенения и точности измерения интенсивности обледенения. Сущность изобретения: два участка поверхности с термочувствительными элементами помещают в равнозначные условия обдува воздушным потоком и улавливания атмосферных капель воды. На одном участке поверхности обеспечивают полное испарение улавливаемой воды, а на другом (компенсирующем) обеспечивают интенсивный сдув воды набегающим потоком воздуха за счет разогрева его до температуры, превышающей точку замерзания воды на 2-5°С.(Патент РФ №2005666).
Этот способ применяют для предотвращения обледенения турбодвигателей летательных аппаратов (ЛА), но возможность применения его в ГТУ, учитывая различие условий льдообразования от скорости воздушного потока, затруднительно.
В настоящее время в авиации широко применяются сигнализаторы обледенения прямого и косвенного действия. Датчики сигнализаторов обледенения прямого действия реагируют непосредственно на лед, который образуется на чувствительном элементе. Если
толщина льда превышает некоторое пороговое значение, то сигнализатор выдает сигнал об обледенении.
Датчики сигнализаторов обледенения косвенного действия включают в себя датчик водности и датчик температуры наружного воздуха. При наличии водности, превышающей некоторое пороговое значение, и при наличии температуры наружного воздуха ниже 0°С сигнализатор выдает сигнал об обледенении. Датчики водности могут реагировать либо только на капельно-жидкую влагу, либо на капельно-жидкую влагу и кристаллы льда (датчики полной водности).
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели, является устройство, предназначенное для автономного определения наличия условий обледенения входных устройств газоперекачивающих агрегатов. Суть изобретения в том, что в воздушном канале, установленном на входе всасывающего вентилятора, помещают датчик сигнализатора обледенения косвенного действия, состоящий из датчика полной водности и датчика температуры наружного воздуха. Между входной частью канала и датчиком водности помещают концентратор капель, выполненного в виде обогреваемого стержня, датчика температуры поверхности и электронного блока, который обеспечивает поддержание на поверхности стержня температуры, равной +2...+5°С. Основание концентратора закреплено в верхней части канала, а свободный конец расположен на уровне центра чувствительного элемента датчика водности с наклоном в его сторону. Концентратор капель в условиях обледенения обеспечивает накапливание воды на поверхности стержня, течение ее на свободный конец, периодический срыв в воздушный поток в виде крупных капель и попадание на датчик водности, на который, кроме того, непрерывно попадают мелкие капли воды или кристаллы льда (снега), находящиеся в потоке. При появлении сигналов о том, что водность превышает некоторое пороговое значение и температура наружного воздуха ниже, например, +5°С выдается сигнал "Обледенение" и автоматически включается противообледенительная система входного устройства газоперекачивающего агрегата (Патент РФ №2200860).
К недостатком этой системы нужно отнести то, что датчик водности не исключает возможности ложного срабатывания, т.к. при +5°С снаружи КВОУ и большой влажности воздуха датчик водности выдаст сигнал на срабатывание. Срыв воздушного потока зависит от скорости воздушного потока, поэтому датчик должен размещаться в местах, где скорость потока соизмерима со скоростью его во входном патрубке компрессора, т.е. превышать 25-40 м/с, в зависимости от типоразмера ГТУ. Допускаемое гидравлическое сопротивление воздухозаборной системы до входного патрубка компрессора не должна превышать 100 мм. вод. ст., при этом гидравлическое сопротивление КВОУ не должно
превышать 70 мм. вод. ст. Допускается только кратковременное увеличение сопротивления воздухозаборной системы до 150 мм. вод. ст., в экстремальных условиях.
Технической задачей предполагаемого изобретения является повышение достоверности определения момента начала процесса обледенения уже на входе КВОУ, чтобы предотвратить льдообразование на входном патрубке компрессора.
Технический результат достигается за счет того, что в известное устройство, содержащее горизонтальный воздушный канал, сигнализатор обледенения косвенного действия, включающий датчик температуры наружного воздуха, соединенный с электронным блоком, и второй датчик, который размещен внутри канала, причем выход сигнализатора соединен с системой автоматического управления работой антиобледенительной установки, внесены изменения, а именно:
- в качестве воздушного канала использован один из каналов для установки циклонов крайнего ряда блока инерционной очистки комплексного воздухоочистительного устройства (КВОУ) или специальный канал в нем;
- в качестве второго датчика сигнализатора обледенения косвенного действия применен датчик теплового потока, соединенный с дополнительным электронным блоком;
- чувствительная поверхность датчика теплового потока устанавливается перпендикулярно набегающему воздушному потоку;
- диаметр воздушного горизонтального канала определяется из условия обеспечения скорости потока в воздушном канале соизмеримой со скоростью его на входном патрубке компрессора.
Скорость воздушного потока в канале зависит от перепада давления на входе и выходе инерционного блока очистки, а также других факторов, являющихся функцией отношения площади чувствительной поверхности теплового датчика к площади сечения канала.
В качестве сигнализатора обледенения использован сигнализатор, состоящий из термоэлектрической части (первичный преобразователь) и платы сигнализации (электронный узел). В случае необходимости, изменяют площадь чувствительной поверхности датчика теплового потока.
В сигнализаторе для регистрации факта обледенения используется эффект скачка энтальпии воды при превращении ее в лея. Это свойство выражается в выделении сравнительно большой скрытой теплоты льдообразования. При образовании льда, особенно из воды, находящейся в метастабильном переохлажденном состоянии, происходит скачкообразное выделение теплоты льдообразования в количестве более 430 Дж/г. Чувствительная поверхность датчика является поверхностью фазового перехода вода - лед, которая должна располагаться перпендикулярно воздушному потоку иметь соответствующую форму,
тогда она является мощным источником теплового потока. В качестве измерителя этого потока используется датчик, включающий два полупроводниковых тепломера В1 и В2.
Тепломеры регистрируют как величину теплового потока, так и его знак. В момент обледенения в месте его установки в КВОУ, единственным активным источником тепла (со знаком «+») является образующийся лед. Все остальные источники - это зоны поглощения тепла (со знаком «-»).
Сигнализатор с помощью датчика температуры (терморезистора) регистрирует температуру воздуха на входе КВОУ. Достоверно можно утверждать, что процесс льдообразования начинается при выполнении следующих условий:
- если температура меньше 0°С;
- если произошел скачок сигнала выше некоторого порогового значения, и остается выше его в течение определенного промежутка времени (~10 с)
При логическом совпадении этих условий, сигнализатор вырабатывает информацию о начале льдообразования, путем замыкания контактов реле.
Сигнализатор обеспечивает появление сигнала обледенение при температуре обдувающего воздуха от 0 до - 25°С.
3
Чувствительность сигнализатора обеспечивает сигнал обледенение при водности воздуха более 0,1 г/м (водность - масса капель воды в единице объема воздуха).
3
Время появления сигнала обледенение от момента скачкообразного изменения водности воздуха, обдувающего контрольную поверхность от 0 до 0,1 г/м при температуре подаваемого воздуха -10°С, не более 20 с.
Сигнализатор должен устанавливаться в воздушном потоке, имеющем скорость от 10 м/с и более до 150 м/с. Однако скорость воздушного потока в КВОУ не превышает 8-10 м/с, поэтому для обеспечения скорости соизмеримой со скоростью воздушного потока на входе компрессора, необходимо определить сечение воздушного канала, в котором устанавливается сигнализатор обледенения. Это определение осуществляется следующим путем.
В зависимости от типоразмера ГТУ задаются скоростью воздушного потока в воздушном канале и по известной зависимости определяют коэффициент сопротивления в нем.
где
д
W - заданная скорость потока в воздушном канале, где расположен датчик сигнализатора, м/с;
ΔР- перепад давления на входе и выходе инерционного блока, мм вод Ст;
g - ускорение свободного падения, м/с
3
р - удельный вес воздуха, кг/м;
ξ - коэффициент сопротивления прямого участка воздушного канала;
м
S - площадь чувствительной поверхности датчика теплового потока,
0
F - площадь поперечного сечения воздушного канала,
2
k - коэффициент, определяемый из справочника и равный 1,1;
k
с -из справочника, равна 0,67;
τ - из справочника равен 1,0.
Как правило, значения всех коэффициентов, входящих в формулу определяют из справочника, исходя из формы чувствительной поверхности, а далее по данным табл. 10.4 (Справочник по гидравлическим сопротивлениям, под ред. И.Е.Идельчика, М. «Машиностроение», 1992 г.). Далее определяют остальные величины, необходимые для расчета диаметра воздушного канала.
Конструкция устройства пояснена на фиг.1, а на фиг.2 приведена блок - схема сигнальной платы устройства.
На фигуре 1 показаны: горизонтальный воздушный канал 1, выполненный в блоке инерционной очистки 2, перпендикулярный ему канал 3, соединяющий канал 1 с внутренним пространством коробки 4, приваренной к корпусу блока 2, снабженной крышкой 5 с фланцем, к которому крепится крышка 5, снабженная уплотнением 6. Сигнализатор 7 размещается в коробке 4 таким образом, чтобы корпус сигнализатора опирался на крышку 5, а цилиндрическая часть 8 сигнализатора 7 могла крепится к ней гайками 9, путем перемещения их по резьбовой части цилиндрической поверхности сигнализатора, причем чувствительная поверхность 10 теплового датчика должна быть установлена в воздушном канале строго перпендикулярна набегающему воздушному потоку в канале 1и зафиксирована. Да фиг.1 приведен вид А, на котором показано сечение торцевой поверхности теплового датчика.
На фигуре 2 показаны: датчик температуры 11, датчик теплового потока 12, блок 13 задания пороговых напряжений, сравниваемых в соответствующих электронных преобразователей 14,15 с сигналами датчиков температуры и теплового потока, блок 17 «И», на входы которого поступают сигналы от указанных преобразователей, причем сигнал по второму каналу через блок задержки 16, а выход через усилитель 18 соединен с реле 19, которое выдает сигнал в систему контроля за работой антиобледенительной системы на отработку возмущения.
Работа устройства поясняется следующим конкретным примером.
Скорость воздушного потока на входе блока инерционной очистки не превышает 8-10 м/с, а на входном патрубке компрессора -25-40 м/с, поэтому за заданную скорость воздушного потока приняли величину, равную 45 м/с.
Перепад давления (ΔР) на входе и выходе блока инерционной очистки составляет 40 мм. вод. ст. Удельный вес воздуха известен, подставляя в левую часть формулы значения постоянных (g, γ), определяем коэффициент сопротивления (ξ) прямого участка воздушного канала, которое получилось равным 0,329.
м
0
2
х
Далее, используя полученную величину коэффициента сопротивления (ξ) определяем значение отношения чувствительной поверхности датчика теплового потока к сечению воздушного потока (S/F), подставляя значения k, c, и τ в левую часть формулы.
м
0
В результате решения этого уравнения получили, что S/F=0,223
м
0
2
2
2
Площадь чувствительной поверхности (S) известна и равна 32*35 (мм), т.е. 1120 мм, тогда площадь поперечного сечения воздушного канала F=0,785*D=5022,5 мм.
По полученному результату определили диаметр воздушного канала, который равен - 80 мм.
Сигнализатор обледенения 7 с датчиком температуры 11, размещенном в специальном пазе цилиндрической части 8 сигнализатора обледенения, вставляют в крышку 5 коробки 4 таким образом, чтобы головка сигнализатора опиралась на крышку 5. Оконечная часть сигнализатора, на которой выполнена чувствительная поверхность датчика 12 должна быть установлена в воздушном канале 1 перпендикулярно набегающему потоку, на глубину до горизонтальной оси канала 1 или несколько больше, т.е. на 40-45 мм и после этого сигнализатор фиксируется в этом рабочем положении с помощью гаек 9.
Датчики температуры 11 и теплового потока 12 электрически связаны с электронной платой, размещенной в головке корпуса сигнализатора обледенения. Сигнализатор предназначен для выдачи сигнала обледенение при температуре всасывающего воздуха ниже 0°С и значении выходного сигнала преобразователя теплового потока, превышающем 10 мВ. Электропитание сигнализатора осуществляется от системы агрегатной автоматики напряжением + 15В. Чувствительность электронных преобразователей 14 и 15
сигнализатора задается блоком 13 опорных напряжений. В электронных преобразователях осуществляется обработка сигналов, поступающих от соответствующих датчиков.
oп1
Выходной сигнал датчика температуры 11, включенного в одно из плеч моста, поступает на вход усилителя постоянного тока, выход которого соединен с инвертирующим входом компаратора, на неинвертирующий вход которого поступает напряжение V с выхода источника опорных напряжений 13. Выходной сигнал компаратора через делитель напряжения поступает на первый вход блока «И» 17.
oп2
Выходной сигнал преобразователя теплового потока 12 через фильтр усиливается МДМ - усилителем и поступает на инвертирующий вход компаратора, на неинвертирующем входе которого присутствует напряжение V с выхода источника опорных напряжений 13. Выход компаратора через диодную развязку и схему задержки 16, исключающую ложные срабатывания, соединен с вторым входом блока «И»17.
Только при наличии двух сигналов на входе блока «И» на его выходе появляется сигнал. Выходной сигнал блока 17 управляет работой исполнительного реле 19, выдающего сигнал обледенение при замкнутых контактах реле. Для надежности срабатывания реле выходной сигнал блока 17 усиливается усилителем 18.
Сигнал от реле поступает на пульт управления комплекса ГТУ и оператор включает систему антиобледенения. Теплый воздух поступает на вход КВОУ, чтобы предотвратить обледенение на его входе.
Таким образом, предлагаемая полезная модель обеспечивает достоверное определение момента обледенения на входе КВОУ и тем самым позволяет заранее включить исполнительные устройства обледенительной системы, тем самым, предотвращая процесс льдообразования на входном патрубке компрессора и повышая надежность работы энергетической установки (ГТУ).
Основным преимущество полезной модели перед известными техническими решениями является простата и надежность работы за счет выполнения сигнализатора и размещения его в инерционном блоке КВОУ.
Изготовление устройства не вызывает трудностей, т.к. используются серийно выпускаемые промышленностью элементы.
Предлагаемое устройство прошло опытно- промышленные испытания и внедряется, в настоящее время, при модернизации и изготовлении ГТУ различной мощностью.