Устройство для отбора средней за полёт пробы воздуха от авиационных газотурбинных двигателей при проведении испытаний на летающих лабораториях
DEVICE FOR THE SELECTION OF AVERAGE FOR FLIGHT AIR SAMPLES FROM AIRCRAFT GAS TURBINE ENGINES WHILE TAKING TESTS ON FLYING LABORATORIES

Изобретение относится к технике отбора образцов проб воздуха, отбираемых от компрессора авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) для исследования степени загрязнения воздуха продуктами, поступающими вместе с воздухом в систему кондиционирования воздуха (СКВ), а также определения состава вредных примесей, опасных концентраций в воздухе газов и паров, с целью повышения чувствительности и точности определения оценки степени загрязнения воздуха.
Основной источник загрязнения воздуха кабин летательных аппаратов -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 углеводородов, акролеина, формальдегида, фенола и других продуктов разложения масла поступает из системы кондиционирования воздуха в кабину ЛА. Все устройства, используемые до настоящего времени на летающих лабораториях (ЛЛ), позволяют отобрать только разовые пробы на различных этапах полета. Между тем для проведения регулировок ГТД необходимы сведения о суммарном уносе масла из передней опоры ротора. Эти сведения представляют интерес и для токсикологов, так как в настоящее время рассматривается возможность о замене нормирования максимально разовых концентраций средними за полет концентрациями вредных примесей.
Предлагаемое устройство может быть использовано при заводских и сертификационных испытаниях ГТД на ЛЛ на соответствие требованиям §831 АП-25, §66 и §75 АП-33 (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.). Данный вид испытаний на ЛЛ проводится на современных ГТД в дополнении к стендовым, так как условия работы двигателя на стенде и в условиях реального полета сильно отличаются, что может приводить к ошибке в оценке маслозащищенности системы кондиционирования самолета от попадания масла двигателя.
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. Предложенное 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.
В методических указаниях МУ 1.1.258-99 (введены 01.07.2000 НИИСУ) описано устройство, выполненное в виде системы отбора проб воздуха авиационных ГТД (СОП), включающей диффузор, тройники с жиклерами, пробоотборники с концентраторами, электромагнитные клапана, вакуумированные емкости с датчиками давления, вакуумный насос и соединительные трубки. Воздух, отбираемый от ГТД, попадает на вход пробоотборников через передаточные устройства минимальных размеров и лишь незначительно снижает температуру до входа в концентратор. После отбора пробоотборники разбираются, концентраторы без разборки идут на хроматографический анализ методом десорбции примесей в испаритель хроматографа, после чего они снова пригодны для отбора без специальной очистки.
Недостатком этого устройства является достаточно громоздкая конструкция (вес более 50 кг) с большим количеством элементов, которые в условиях полета необходимо жестко фиксировать. В условиях полета ее также сложно использовать, так как электромагнитные клапана находятся сзади пробоотборников, а их вход постоянно соединен с трубопроводом от диффузора, что при постоянном изменении давления на входе в пробоотборник (условия полета) и в трубке между клапаном и пробоотборником приведет к дополнительной маятниковой прокачке некоторых нефиксируемых объемов воздуха от ГТД через концентратор пробоотборника. При длительных полетах такое загрязнение будет очень существенно, т.к. снять пробоотборники во время полета невозможно. Это искажает 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). Кроме того, одни и те же емкости в СОП обслуживают разные пробоотборники, что требует установку в системе вакуумного насоса для их периодического вакуумирования, а воздух самих емкостей после пробоотбора и измерения давления не идет на анализ, что сокращает перечень компонентов, на которые возможен контроль отбираемого воздуха. Существует и более усложненный вариант данного устройства, описанный в патенте РФ № RU 2494366 С2, с добавлением добавочных вакуумированных емкостей с датчиками, что еще более утяжеляет конструкцию и увеличивает ее габариты, а отличия не принципиальны, и здесь поэтому как прототип не рассматривается.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство, описанное в патенте РФ №2624159 от 30.06.2017 г. «Устройство для отбора проб воздуха от авиационных газотурбинных двигателей при проведении испытаний на летающей лаборатории», и изображенное на фиг. 2 (прототип). Устройство, изображенное на фиг. 2, выбранное в качестве прототипа, содержит диффузор 1 с внутренним соплом 2, ориентированным по потоку воздуха, отбираемого от ГТД, воздух от которого через плоский тройник 3 поступает на вход расширительного сопла 16, далее в расширительную камеру 17 электромагнитного клапана 18, сбрасывается через жиклер 4 выходного патрубка. Открывающийся электромагнитом 19 поршень клапана 20 открывает доступ воздуха (отбор пробы) в переходник 21, который с помощью контргайки 22 фиксируется на корпусе клапана и подает через входной патрубок воздух в - пробоотборник 5, который соединен с вакуумированной емкостью 23, на выходе из которой крепится вакуумный резиновый шланг 24 с заглушкой 25. Однако использование прерывающих клапанов и внешних побудителей расхода (вакуумированные емкости) утяжеляют конструкцию.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в уменьшении габаритов устройства без ухудшения его метрологических характеристик: отсутствие проскока и соблюдение принципа изокинетичности, для возможности установки на летающую лабораторию с целью непрерывного отбора средней за полет пробы воздуха без использования прерывающих клапанов и внешних побудителей расхода (вакуумированной емкости и аспиратора), а с использованием собственного избыточного давления воздуха, отбираемого от ГТД.
Для достижения этого технического результата в устройстве для отбора проб воздуха от авиационных газотурбинных двигателей при проведении испытаний на летающих лабораториях, содержащем диффузор с одним внутренним соплом, ориентированным по направлению потока отбираемого от компрессора газотурбинного двигателя воздуха, пробоотборник с встроенными концентраторами, тройник, на выходе из сопла установлен сменный жиклер, ограничивающий расход воздуха через линию отбора пробы воздуха, на выходе которого установлен тройник, к первому его патрубку подключен пробоотборник с концентратором, а к второму патрубку подключен регулируемый клапан сброса избытка воздуха, выполненный в виде цилиндра с прорезью, закрываемой подпружиненным поршнем, что создает в подпоршневом пространстве заданное давление, пружина поршня упирается в наконечник винта, перемещаемого вращением головки внутри гайки, закрывающей этот клапан. На выходе из концентратора в воздуховоде установлен датчик температуры, подключенный к записывающей аппаратуре. Выход воздуховода заканчивается выпускным клапаном, выполненным аналогично клапану сброса избытка воздуха, регулирующим давление на выходе из пробоотборника. При этом регулировки клапанов сброса, выпуска и сечения сменного жиклера должны обеспечивать постоянный расход отбираемого воздуха, независимо от сопротивления концентраторов прокачиванию воздуха.
Это позволяет отказаться от применения электромагнитных клапанов и вакуумированных емкостей, а следовательно, существенно сокращает габариты устройства, что особенно важно для летных испытаний авиационных двигателей.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства для отбора средних за полет проб воздуха авиационных газотурбинных двигателей при проведении испытаний на летающей лаборатории. Устройство содержит диффузор 1 с внутренним соплом 2. Сопло диффузора снабжено сменным жиклером 4, ограничивающим расход воздуха через линию отбора, на выходе из которого установлен тройник 3, к одному его патрубку подключен пробоотборник с концентратором 5, а к другому патрубку подключен регулируемый клапан сброса избытка воздуха 6, состоящий из цилиндра с прорезью 7, закрываемой подпружиненным поршнем 8, что создает в подпоршневом пространстве заданное давление. Пружина 9 упирается в наконечник винта 10, перемещаемого вращением головки 11 внутри гайки 12, закрывающей этот клапан 6. На выходе из пробоотборника в воздуховоде установлен датчик температуры 13, подключенный к записывающей аппаратуре 14 (КЗА). Выход воздуховода из пробоотборника заканчивается регулируемым выпускным клапаном 15, выполненным аналогично клапану сброса избытка воздуха. Работа устройства.
Устройство предназначено для монтажа непосредственно в пилоне или проставке испытуемого двигателя на летающей лаборатории (ЛЛ). Воздух от фланца отбора ГТД поступает в диффузор 1 и сбрасывается за борт или поступает в систему подготовки воздуха (СПВ). Часть его через сопло 2 и жиклер 4 поступает в тройник 3 и далее в пробоотборник с концентратором 5. Избыток воздуха сбрасывается через регулируемый клапан сброса 6 за борт через прорезь 7, которая частично или полностью закрывается свободно перемещаемым поршнем 8 пружиной 9, сжатие которой осуществляют регулировочным винтом 10 с головкой 11, которые перемещаются при вращении в гайке 12 для обеспечения нужного противодавления для открытия клапана. Температура в исходящей из пробоотборника с концентратором 5 части воздуха фиксируется датчиком 13 и контрольная записывающая аппаратура (КЗА) 14. Воздух через регулируемый выпускной клапан 15, выполненный аналогично клапану 6, сбрасывается за борт.
До начала установки на борт выполняются регулировки клапанов 6 и 15 и подбор сечения жиклера 4. Для этого пробоотборник с концентратором и выпускным жиклером 4 подключают к регулируемому источнику чистого воздуха. Он должен обеспечивать регулировку в диапазоне рабочих давлений СПВ (например от 3 до 10 атм). На вход собранной установки подается давление на 10-15% меньше минимального рабочего для СПВ. Замеряется расход воздуха на выходе из выпускного клапана 15. Сечение жиклера 4 должно обеспечивать при минимальном рабочем давлении СПВ расход в 15-20 раз больший, чем из выпускного клапана 15. Далее собирается все устройство, на вход жиклера 4 подается минимальное рабочее давление СПВ, и вращением головки 11 винта 10, расположенных в клапане 6, обеспечивается сброс излишков воздуха при сохранении выбранного расхода на выпускном клапане 15. Устройство с установленными регулировками монтируется на ЛЛ. Во время полета фиксируется температура на входе в клапан сброса и время работы СПВ. Расход воздуха через пробоотборник 5 устанавливают, зная расход через выпускной клапан с поправкой на измеренную температуру.
Из пробоотборников 5 извлекаются концентраторы, и далее согласно МУ 1.1.258-99 проводится их газохроматографический анализ на содержание органических примесей с учетом ранее определенного объема прокачанного через него воздуха. Такое устройство с постоянным заранее выбранным расходом воздуха содержит минимум комплектующих деталей и имеет минимальные габариты, что позволяет легко монтировать его на ЛЛ с любыми двигателями.