УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ПРИМЕСЕЙ ВОЗДУХА АВИАЦИОННЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Предложенная полезная модель относится к области техники концентрирования примесей в пробах воздуха отбираемых от компрессора авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) для повышения чувствительности их определения, оценки степени загрязнения воздуха продуктами, поступающими вместе с воздухом в систему кондиционирования воздуха (СКВ) и исследования состава вредных примесей и опасных концентрации в воздухе газов и паров.
Основной источник загрязнения воздуха кабин летательных аппаратов ЛА унос смазочного масла из передних опор двигателей с его последующим полным или частичным разложением в тракте компрессора газотурбинного двигателя (ГТД) на разных режимах его работы. Сложная смесь, содержащая пары и аэрозоли смазочного масла, пары алифатических углеводородов, акролеина, формальдегида, фенола, крезолов, уксусной кислоты, бензола, трикрезилфосфата, этилового, пропилового, бутилового, и изобутилового спиртов, ацетона, толуола, ксилолов, окиси и двуокиси углерода, поступает из системы кондиционирования воздуха в кабину ЛА.
Предлагаемая полезная модель может быть использована при заводских и сертификационных испытаниях на соответствие требованиям §831 АП-250 §66 и §75 АП-33 (2). АП-25, (Авиационные правила. Часть 25. Нормы летной годности самолетов транспортной категории. 2008 г.), АП-33(Авиационные правила. Часть 33. Нормы летной годности двигателей воздушных судов. 2012 г.)
Отечественные требования к чистоте воздуха, отбираемого от авиационных ГТД и подаваемого для вентиляции помещений для экипажа и пассажиров регламентированы в АП-25 [1] и АП-33[2], В соответствии с §25.831 наряду с требованием о необходимости подачи системой вентиляции достаточного количества воздуха (а), не содержащего "вредных и опасных концентраций газов и паров" (b), установлена необходимость обеспечения следующих условий:
3
ПДК других токсичных примесей (кроме окиси и двуокиси углерода), мг/м:
пары топлива - 300;
пары и аэрозоль минеральных масел - 5;
пары и аэрозоль синтетических масел - 2;
акролеин - 0,2;
формальдегид - 0,5;
фенол - 0,3;
бензол - 5;
трикрезилфосфат - 0,5;
диоктилсебацинат - 5,0;
окислы азота - 5.
Известен стенд для испытания ГТД, который может быть использован при снятии экологических характеристик с устройством для отбора проб газа, имеющим прибор-анализатор, пробоотборники, размещенные на выходе двигателя, и трубопроводы с быстродействующими запорами и регулирующими органами, трубопровод, соединяющий прибор-анализатор с быстродействующими запорными органами, имеет обогреваемый участок, выполненный в виде теплообменника «труба в трубе», где для установки требуемой температуры пробы отобранного газа, непосредственно перед отбором пробы газа вход в прибор-анализатор открывает регулирующий орган, а затем закрывают быстродействующим запорным и регулирующим органом, снабженные датчиком температуры, подключенным к регистрирующему прибору (RU 44820 U1, G01M 15/00).
Однако из-за особенностей технической компоновки, данный стенд может быть использован преимущественно для отбора эмиссионных газов.
Известно устройство для концентрирования примесей в газах, содержащее трубку, слой частиц сорбента и снабженную нагревателем инертную насадку из проволочных спиралей, на поверхности которой расположены частицы сорбента для улучшения кинетики сорбции и десорбции, устройство позволяет улучшить основные эксплуатационные характеристики концентраторов с твердыми сорбентами.
Однако данное устройство по своим техническим характеристикам не подходит для отбора и последующего анализа воздуха, описанных в МУ 1.1.258-99, введено 01.07.2000 г., НИИСУ.
Известны устройства для отбора проб воздуха ГТД в виде длинного трубопровода (выходит за пределы бокса, где проходят испытания ГТД) и устройства для концентрирования примесей в виде поглотительных сосудов или патронов с адсорбентом, которые затем идут на проведение анализа (Методика по проверке чистоты воздуха, отбираемого для нужд ЛА №Н28Ин161 ФГУП «Завод им. В.Я.Климова», 2005 г.).
Так как сброс давления и температуры воздуха здесь происходит в трубопроводе (это приводит к оседанию здесь большей части примесей воздуха и, соответственно, к ошибке анализа), то к конструкции устройств для концентрирования (пробоотборников) особых требований не предъявляется. Такие устройства до последнего времени использовались на большинстве предприятий авиационного двигателестроения. Недостаток таких устройств - оседание примесей в трубопроводе до поглотительных патронов, длительное время отбора и необходимость перезарядки их свежей порцией сорбента, требующего специальной подготовки.
Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является устройство, описанное в МУ 1.1.258-99, введено 01.07.2000 НИИСУ (рис.Г-1 «Пробоотборник» в Приложении Г, на стр.55). Воздух, отбираемый в него, должен иметь температуру около 100°С (раздел 5.13 МУ), что с одной стороны лучше, чем у предыдущего, (степень оседания примесей до пробоотборника ниже), но все равно значительно ниже температуры воздуха при его отборе от ступени систем кондиционирования воздуха (СКВ) (250°С и более). Здесь конструкция устройства для концентрирования примесей воздуха авиационных ГТД (пробоотборника) включает корпус и концентратор с сорбентом, выполненный из заостренной стальной трубки с боковым отверстием и толкателем с регулировочным винтом. Концентратор центруется и герметизируется в корпусе с помощью двух резиновых втулок. После отбора пробоотборник разбирается, концентратор без разборки идет на хроматографический анализ методом десорбции примесей в испаритель хроматографа, после чего он снова пригоден для отбора без специальной очистки. Схема данного устройства изображена на фиг.2 (копия из МУ 1.1.258-99).
Недостатком этого устройства является достаточно сложная в изготовлении конструкция (боковой приваренный штуцер) с большим (7) количеством неделимых элементов. Основное ограничение по температуре входного воздуха вызвано конструкционными особенностями пробоотборника, где передняя резиновая втулка 4 находится под воздействием высокой температуры отбираемого воздуха, а при ее терморазложении в пробу могут попадать примеси, которые ошибочно будут приняты за загрязнение воздуха ГТД. Поэтому в разделе 5.13 МУ 1.1.258-99 предусмотрены сложные регулировочные процедуры, чтобы эта температура не только не превышала 100°С (чтобы не было выделений из резины), но и существенно не снижалась (чтобы примеси воздуха ГТД не оседали до концентратора). Это достаточно неудобно, т.к. температура отбора воздуха от двигателя на разных его режимах в ходе испытаний существенно меняется, а регулировку системы отбора (изменение доли воздуха на отбор) согласно МУ проводят подборкой жиклеров диффузора, что возможно только после остановки двигателя. Кроме того, фоновое загрязнение концентраторов выделениями из резиновых втулок возможно не только за счет их перегрева, но и за счет большой площади контакта с концентратором. Эти примеси не двигательного происхождения искажают результаты последующего газохроматографического анализа в сторону их значительного завышения, что может быть ошибочным основанием для браковки ГТД (согласно §75 АП-33 превышения ПДК приведенных во введении примесей в воздухе, отбираемом от ГТД, рассматривается как отказ двигателя).
Технический результат, на достижение которого направлен заявляемая полезная модель, заключается в уменьшение времени наземного и летного эксперимента по оценке чистоты воздуха, отбираемого от ГТД на нужды СКВ летательного аппарата, и повышении точности анализа, за счет уменьшения фонового загрязнения.
Для достижения этого технического результата в устройство для концентрирования примесей воздуха авиационных газотурбинных двигателей, содержащее цилиндрический корпус, входной и выходной штуцера, герметично установленный в корпусе концентратор, заполненной сорбентом, выполненный из заостренной стальной трубки с заглушками из стекловаты на концах трубки, с боковым отверстием в трубке и регулировочным винтом с толкателем для перемещения сорбента в трубке, размещенным между заглушками, корпус выполнен с патрубком. С торцов корпус снабжен двумя газоподводящими входным и выходным штуцерами, фиксирующими трубку концентратора в корпусе. Задний по направлению отбора пробы воздуха выходной штуцер, выполнен с входным патрубком, приваренным к корпусу. Передний установленный по направлению отбора пробы воздуха штуцер выполнен с радиатором на штуцере в виде массивной втулки с внешним диаметром превышающим размер диаметра корпуса, ввинченным с помощью выходного патрубка штуцера в патрубок корпуса до упора в цилиндрическое уплотнение корпуса. При этом в выходной патрубок на длину не менее 20 мм с минимальным технологическим зазором, равным сумме допусков диаметра концентратора и выходного отверстия штуцера, вводят заостренную часть трубки концентратора. Между упором и штуцером помещают втулку, выполненную из термостойкой силиконовой резины с осевым отверстием, в которое входит концентратор. Передний штуцер выполнен из цельного куска стали и является радиатором для уменьшения температуры газа в передней части концентратора и резиновой втулки.
Таким образом, без регулировочных процедур радиатор в устройстве создает заданные ограничения температуры воздуха на входе в концентратор, повышает точность анализа за счет уменьшения фонового загрязнения концентраторов выделениями из резиновых втулок. Кроме того сокращается время наземных и особенно летных испытаний, за счет того, что не требуется смена жиклеров продувки диффузора на разных режимах работы двигателя.
На фиг.1 представлен чертеж предлагаемого устройства для концентрирования примесей воздуха авиационных газотурбинных двигателей.
Устройство для концентрирования примесей воздуха авиационных ГТД содержит 1 - концентратор, 2 - корпус, 3 - резиновую мембрану, 4, 6 - выходной и входной штуцеры, 5 - упор для штуцера.
На фиг.2 представлен чертеж известного устройства пробоотборника (МУ 1.1.258-99).
Устройство пробоотборника содержит: 1 - концентратор, 2 - корпус, 7, 8 - резиновые втулки, 5 - упор, 9 - гайка, 4, 6 - выходной и входной штуцеры.
На фиг.3 представлен чертеж известного концентратора, показанного в МУ 1.1.258-99.
Концентратор содержит заостренную стальную трубку 15 с заглушками из стекловаты 10, размещенными в концах трубки 15, боковое отверстие 11 в трубке 15, сорбент 12 между заглушками 10, регулировочный винт 14 с толкателем 13 для перемещения сорбента внутри трубки.
Предлагаемое устройство содержит цилиндрический корпус  с патрубком, концентратор 1, снабжено двумя газоподводящими входным и выходным штуцерами 6, 4, фиксирующими трубку концентратора в корпусе 2. Концентратор 1, выполнен из заостренной на конце стальной трубки 15 с боковым отверстием 11, заглушками 10 из стекловаты в концах трубки и регулировочным винтом 14 с толкателем 13 в трубке 15 для перемещения в ней сорбента 12, размещаемым между заглушками 10. Задний по направлению отбора пробы воздуха выходной штуцер 4, выполнен с входным патрубком, приваренным к корпусу 2, а передний по направлению отбора пробы воздуха штуцер 6 выполнен с радиатором в виде массивной втулки на штуцере 6.
Выходной патрубок штуцера 6 ввинчен в патрубок корпуса 2 до упора в цилиндрическое уплотнение 5 корпуса, при этом в выходной патрубок на длину не менее 20 мм с минимальным технологическим зазором, равным сумме допусков диаметра трубки концентратора и выходного отверстия штуцера, вводят заостренную часть трубки концентратора 1. Между упором 5 и штуцером 6 помещают втулку 3, выполненную из термостойкой силиконовой резины с осевым отверстием, в которое входит трубка концентратора. Передний штуцер 6 выполнен из цельного куска стали и является радиатором для уменьшения температуры газа в передней части концентратора 1 и резиновой втулки 3.
Работа устройства.
Устройство работает в составе единой системы отбора проб воздуха авиационных ГТД согласно действующему МУ 1.1.258-99, где воздух от ГТД в количестве не менее 70% от поступающего в СКВ, проходит через диффузор для сброса давления (на фиг. не показан), и через тройник от сопла диффузора поступает во входной (передний) штуцер 6, а далее через концентратор с сорбентом 1 и выходной (задний) штуцер 4 корпуса 2 поступает в измерительную вакуум-камеру (на фиг. не показана), являющеюся побудителем расхода. Затем после получения пробы воздуха от двигателя ГТД проводят анализ примесей воздуха ГТД. Концентратор снимают и устанавливают его заостренной частью трубки в инжектор хроматографа или через переходник к хроматографической колонне, а другой конец трубки используют для ввода газа - носителя. Смесь веществ вместе с потоком нейтрального газа поступает в хроматографическую колонку. При этом, применяемая в данном устройстве совокупность элементов: передний штуцер-радиатор, резиновая мембрана и упор в корпусе, позволяет крепить концентратор без дополнительных резиновых вкладышей увеличивающих погрешность анализа за счет фоновых выделений, со специальной системой центровки, а выполненный из цельного куска стали передний штуцер, является радиатором для передней части концентратора и резиновой мембраны во избежание их перегрева (время отбора пробы не более 1 мин, поэтому количество тепла в воздухе пробы не позволяет существенно увеличить температуру радиатора), вследствие чего ограничения по температуре воздуха на входе в устройство для концентрирования не накладываются.
Таким образом, уменьшается фоновое загрязнение. Кроме того сокращается время наземных и особенно летных испытаний, за счет того, что не требуется смена жиклеров продувки диффузора на разных режимах работы двигателя.