СПОСОБ ОЦЕНКИ ЧИСТОТЫ ВОЗДУХА ГЕРМОКАБИН ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ, ПОСТУПАЮЩЕГО ОТ КОМПРЕССОРОВ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, НА СОДЕРЖАНИЕ ПРОДУКТОВ РАЗЛОЖЕНИЯ СМАЗОЧНЫХ МАСЕЛ
METHOD TO ESTIMATE CLEANLINESS OF AIR FED INTO AIRCRAFT SEALED CABIN FROM GAS TURBINE ENGINE COMPRESSORS FOR CONTENT OF LUBRICATION OIL DECOMPOSITION PRODUCTS

Область техники
Изобретение относится к области контроля чистоты воздуха кабин летательных аппаратов (ЛА), а именно к способам оценки чистоты воздуха гермокабин летательных аппаратов, поступающего от компрессоров газотурбинных двигателей, на содержание продуктов разложения смазочных масел, и может быть использовано при заводских и сертификационных испытаниях авиационной техники на соответствие требованиям §25.831 по авиационным правилам АП-25 в части проверки качества подаваемого на дыхание пассажирам и экипажу из системы кондиционирования воздуха, отбираемого от газотурбинных двигателей, и СанПиН 2.5.1.051-96.
Уровень техники
Основной источник загрязнения воздуха кабин ЛА - унос смазочного масла из передних опор двигателей с его последующим полным или частичным разложением в тракте компрессора ГТД (в зависимости от режима его работы). Сложная смесь, содержащая по данным ЛИИ, ЦИАМ, ГОСНИИГА и НИИАКМ пары и аэрозоли смазочного масла, пары алифатических углеводородов, акролеина, формальдегида, фенола, крезолов, уксусной кислоты, бензола, трикрезилфосфата (если он есть в рецептуре масла, а также в этом случае и диоктилсебацината), этилового, пропилового, бутилового, и изобутилового спиртов, ацетона, толуола, ксилолов, окиси и двуокиси азота, окиси и двуокиси углерода, поступает из системы кондиционирования воздуха (СКВ) в кабину ЛА. Для того чтобы оценить концентрации всех этих примесей в воздухе кабин ЛА на разных этапах полетов требуется проведение отбора и анализа большого количества проб воздуха. При этом речь в основном идет об оценке не превышения критических параметров (предельно допустимые концентрации - ПДК) и в итоге общий уровень загрязненности воздуха кабины ЛА оценивается весьма слабо, не смотря на большое количество отобранных полетных проб воздуха.
Между тем, примеси воздуха кабин ЛА влияют не только на состояние экипажа, но и неблагоприятно влияют на различные технические устройства, потребляющие воздух, отбираемый от ГТД, в частности катализаторы конвертеров озона отравляются серо- и фосфорсодержащими соединениями, а цеолиты, входящие в состав кислорододобывающих установок, могут необратимо сорбировать полярные органические соединения (спирты, кислоты, фенол и крезолы), что приведет к их неспособности разделять кислород и азот воздуха. Поэтому необходимо знание хотя бы примерных концентраций примесей воздуха кабин, пусть даже они не могут оказывать существенного влияния на экипаж и пассажиров (уровни концентраций ниже 0,5ПДК не требуют по санитарным нормам точной оценки).
3
3
По данным ЛИИ аэрозоль синтетического масла в концентрациях более 2 мг/м вызывает у испытуемых ощущение запаха гари, а при концентрации выше 50 мг/м визуально воспринимается как дым, что может послужить причиной возникновения стрессовой и далее аварийной ситуации. Анализ материалов летных испытаний показывает, что именно появление паров и аэрозолей масла в воздухе отвечает за большее количество летных происшествий, связанных с неблагоприятным воздействием примесей воздуха кабин ЛА на экипаж и пассажиров, поэтому особое внимание при проведении сертификационных испытаний обращают на определение в воздухе кабин ЛА содержания масла (тяжелых продуктов разложение с молекулярной массой более 300 у.е.).
Для этого предлагается упростить процедуру отбора и анализа и сократить их время для точечных анализов. Брать непрерывно пробу за полет для получения среднего значения концентрации масла в воздухе. Остальные компоненты на этапе сертификации предложено определять расчетным способом с помощью результатов стендовых исследований по разложению масла.
Отечественные требования к чистоте воздуха, подаваемого для вентиляции помещений для экипажа и пассажиров регламентированы в Авиационных правилах. Часть 25. «Нормы летной годности самолетов транспортной категории», АП-25, 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:
- ПДК окиси углерода - 1 часть на 20000 частей воздуха (b.1);
- ПДК двуокиси углерода - 0,5% по объему (эквивалент на уровне моря) (b.2);
- условие немедленного удаления опасных количеств дыма (d).
3
- ПДК других токсичных примесей, мг/м, (d*):
- 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.
2
Federal Aviation Regulations, FAR-25 регламентирует максимальное содержание в воздухе окиси и двуокиси углерода: СО - 1 часть на 20000 частей воздуха (по объему); СO - 3% (об.) - эквивалент на уровне моря, в воздухе, подаваемом в кабину (при использовании экипажем специальных средств защиты дыхания этот порог может быть повышен).
Известны способы отбора проб воздуха в газовые шприцы с последующим газохроматографическим анализом. Здесь число проб в одной точке будет равно числу нормируемых компонентов, что приводит к огромному суммарному количеству проб. Многие аналогичные методы изложены в справочнике по физико-химическим методам исследования объектов окружающей среды под редакцией Г.И.Арановича, изд-во «Судостроение», Ленинград, 1979 г., стр.166-211.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является методика, изложенная в отчете ФГУП ЛИИ им. М.М.Громова №170-06-III. «Разработка методики определения концентраций токсичных примесей в воздухе кабин ЛА и оценки источников его загрязнения в соответствие с требованиями АП-25 и международных нормативных документов». Здесь для оценки содержания в воздухе кабин ЛА нескольких десятков органических примесей предлагается параллельный отбор всего от 3 до 5 проб воздуха путем прокачивания через патроны с сорбентом с последующим газохроматографическим анализом на колонках разной селективности и полярности. Недостатком этого способа является то, что все эти пробы нужно отбирать в полете, что часто дорого и затруднительно, а по окончании полетной программы может оказаться, что для полной идентификации обнаруженных примесей отобранных проб недостаточно.
Технический результат, на решение которого направлен данный способ, заключается в уменьшении времени летного эксперимента по оценке чистоты воздуха кабины летательного аппарата за счет снижения общего количества отбираемых в полете параллельных проб воздуха, необходимых для идентификации компонентов примесей и времени наземного анализа проб за счет применения укороченной хроматографической колонки. При этом достоверность оценки загрязнения кабин не только не снижается, но и появляются дополнительные сведения для токсикологов - средние за полет концентрации токсичных примесей, расширение перечня токсикантов.
Существенные признаки.
Для получения указанного технического результата в предлагаемом способе, включающем проведение параллельных полетных отборов проб воздуха кабины путем его прокачки через патроны с сорбентом с последующим наземным газохроматографическим анализом на колонках разной селективности и полярности для идентификации компонентов-примесей, используют упрощенную модель поступления примесей в гермокабину, учитывающую только продукты разложения масла в газотурбинном двигателе. Для сокращения числа полетных проб, большую часть проб воздуха 95-97%, необходимых для идентификации и количественного определения примесей-продуктов разложения масла, отбирают на земле от устройства, имитирующего режимы разложения масла, в том числе температуру и давление воздуха в точке отбора от компрессора двигателя и время нахождения масла в горячей зоне, рассчитываемого как отношение объема горячей зоны компрессора двигателя - вычисляемого из геометрических параметров двигателя, где происходит разложение масла, к объемной скорости воздуха через заданную ступень. При этом время нахождения масла в камере моделирующего устройства регулируют с помощью изменения скорости воздуха проходящее через нее при заданных объеме и давлении в устройстве, равном давлению воздуха в ступени компрессора, от которой происходит отбор. Сходимость результатов моделирования проверяется сравнением результатов анализа 3-5% полетных проб воздуха и проб воздуха, отобранных от данного устройства. При этом 95-97% полетных проб, заданных требованиями заказчика, анализируют на укороченной с 2 до 1 м газохроматографической колонке только на суммарное, то есть общее содержание органических примесей с их идентификацией на компоненты масла и топлива. Каждой концентрации масла без отбора и анализа полетных проб находится после наземного моделирования условий разложения соответствующее содержание других компонентов-продуктов разложения масла. Кроме того, в течение всего полета производится отбор пробы воздуха на содержание масла с последующей идентификацией и количественным определением продуктов его разложения на этом же устройстве и получают значения средних за полет концентраций не только масла, но и продуктов его разложения. Если экспериментальные величины (несколько проб воздуха в полете отбиралось и анализировалось по полной программе) ни в одной точке не превышают расчетные более чем на удвоенную сумму допустимой погрешности (не более 50%), то использование упрощенной модели допустимо и летные исследования чистоты воздуха считаются законченными.
Для пояснения сущности изобретения на фиг.1 показано устройство для моделирования процессов разложения масел в авиационных газотурбинных двигателях, где 1 - электропривод штока шприца-дозатора, 2 - шприц-дозатор, 3 - масло, 4 - мембрана испарителя, 5 - теплоизолятор, 6 - термодатчик, 7 - термореле, 8 - нагреватель, 9 - стальные шарики, 10 - диафрагма, 11 - камера разложения масла, 12 - воздушный компрессор, 13 - манометр.
Способ осуществляется следующим образом.
В местах отбора, оговоренных программой испытаний, производится отбор проб воздуха (газов) путем его прокачивания с помощью электро- или ручных аспираторов любого типа с расходом воздуха от 0,02 до 0,5 л/мин (объем пробы 0,1-2 л) через трубки-концентраторы с сорбентом - мелонированным силохромом. При этом 3-5% проб отбираются параллельными для последующего анализа на колонках разной селективности и полярности для идентификации компонентов примесей, 95-97% без параллельности для последующего анализа только на масло. В течение всего полета производится отбор пробы воздуха на содержание масла с последующей идентификацией и количественным определением продуктов его разложения на этом же устройстве и получают значения средних за полет концентраций не только масла, но и продуктов его разложения. Трубки-концентраторы помещены в защитные чехлы, выполненные из куска трубки большего диаметра и размера. Заостренная часть трубки-концентратора с помощью резиновой муфты (кусок резиновой трубки) соединяется с защитным чехлом, а противоположный конец защитного чехла подсоединяется к входному патрубку аспиратора (побудителя расхода). Возможно применение аспираторов как с ручной, так и с автоматической сменой трубок-концентраторов. Номера трубок обозначаются на резиновой муфте. В планшете экспериментатор фиксирует номер трубки-концентратора, количество прокаченного через него воздуха (от 0,1 до 2 л) или данные, по которым эта величина может быть установлена (время аспирации и ее скорость по ротаметру, показания счетчика расхода воздуха и т.д.), режим полета и режимы работы двигателей, температуру и давление воздуха в гермокабине. По окончании полетов (гонок двигателей) производится анализ отобранных проб воздуха. Несколько проб (не более 5% от общего числа) анализируется на колонках разной полярности, а большая часть обрабатывается с использованием упрощенного метода анализа на масло с идентификацией компонентов пробы только на масло и керосин. Информацию о других примесях получают расчетно-экспериментальным путем.
Для анализа используют спиральную укороченную с 2 до 1 м газохроматографическую колонку из нержавеющей стали (внутренний диаметр и размер витка колонки зависит от марки хроматографа).
Колонка заполнена 5% масла OV-101 на инертном диатомитовом носителе. Стекловата для заглушек свободных концов колонок и пробоотборников приготавливается из отечественной стекловаты любого типа путем отмывания ее от ионов железа соляной кислотой или используют специальную стекловату для хроматографии.
Для заполнения колонки выбранным адсорбентом один ее конец заглушают слоем стекловаты длиной около 1 см и подключают его к линии вакуума, а к другому концу подсоединяют воронку, через которую при мелком постукивании по виткам колонны резиновым шлангом насыпают сорбент. Далее конец колонки, на котором выполнено воронкообразное углубление для подстыковки пробоотборников, подключают к инжектору хроматографа, в который введен (для регулировки высоты погружения колонны в инжектор) концентратор. Колонки «тренируют», оставляя второй конец свободным, при 300°C в токе газа-носителя в течение 24-30 ч. Затем свободные концы колонок подключают к пламенно-ионизационному детектору (ПИД), зажигают водород, включают усиление (по описанию хроматографа) и несколько часов прописывают на рабочем диапазоне усиления сигнал ПИД, добиваясь его стабильности и компенсируемости. Температуры инжектора и ПИД - 300°C (для минеральных масел температуры инжектора - 230°C). Скорость газа-носителя (азот) для колонок с dy≤2 мм - 20 мл/мин (хроматографы типа «Кристалл»), а для колонок с dy=2-4 мм - 30 мл/мин (хроматографы типа «Цвет», ЛХМ, 3700).
Анализ проб заключается во вводе поглотительного патрона (острым концом по направлению к колонке) в нагретый инжектор хроматографа (см. ранее), к которому подключена колонна Все операции по извлечению и вводу концентраторов проводят в х/б перчатках. После закрытия инжектора включают отсчет времени (в современных хроматографах старт программы обработки и нагрева совмещены) и программированный нагрев колонок со скоростью 6°C/мин от 50°C до 300°C.
Задание температур, усиление сигнала и пр. Выполняют согласно инструкции по эксплуатации хроматографа.
Перед началом анализа проб воздуха следует произвести «холостой» эксперимент, т.е. произвести анализ пробоотборника без отбора на него пробы. В случае появления на хроматограмме ложных пиков, расчет которых показывает «наличие» в «пробах» примесей в концентрациях более 10% ПДК, необходимо повторить тренировку колонок и пробоотборников при максимальной их рабочей температуре, а если это не поможет, то следует установить дополнительные фильтры в линии водорода и газа носителя.
В вышеприведенных условиях производят анализ проб воздуха. В этих условиях компоненты топлива выходят в интервале 1-12 минут, а масел (в зависимости от марки) в интервале от 16 до 45 минут.
По окончании анализа серии проб воздуха производят количественную калибровку хроматографа. Количественные расчеты проводятся после калибровки прибора вводом в него патрона с 0,3 мкл масла.
м
Расчет концентраций паров и аэрозоля масла С следует производить по формуле:
м
γ - плотность масла, измеренная при градуировке хроматографа, мг/мкл;
м
S - сумма площадей пиков масла на хроматограмме пробы воздуха, условные ед.;
гр.м
S - среднее арифметическое значение сумм площадей пиков масла, полученное при градуировке хроматографа, условные ед.;
акт.пр.i
V - приведенный к нормальным условиям объем проб воздуха, пропущенный через соответствующие пробоотборники.
акт.пр.i
Расчет V производить по формуле
акт.i
3
V - объем проб воздуха, пропущенный через соответствующие пробоотборники, м;
1
2
P - давление воздуха в кабине при пробоотборе (при изменении во время отбора - среднее арифметическое), кгс/см;
1
Т - температура воздуха в кабине при пробоотборе (при изменении во время отбора - среднее арифметическое), °C;
0
2
Р=1,0332 кгс/см согласно ГОСТ 12.1.005;
0
T=20°C согласно ГОСТ 12.1.005-88.
В итоге, после окончания программы испытаний будут получены сведения о концентрациях масла в воздухе кабины ЛА на всех этапах полета и в среднем за полет во всех контрольных точках. Кроме того, по 3-4 контрольным точкам будут получены сведения по всем нормируемым компонентам. Если эти результаты (хотя бы по отдельным точкам) превышают ПДК, то дальнейшие исследования чистоты не проводятся до устранения причин загрязнения. Если полученные значения не превышают ПДК, то данные по маслу дополняют расчетными. Для этого моделируют условия разложения масла в ГТД (для каждого режима) на установке (фиг.1), от которой отбирают пробы воздуха, дополняющие полетные. Устройство работает следующим образом.
В шприц дозатор 2 набирают масло 3, идентичное применяемому в двигателе. Игла шприца прокалывает мембрану 4 и теплоизолятор 5 испарителя, совмещенного с камерой разложения масла 11 с помещенными внутри для регулирования объема стальными шариками 9. В камере разложения с помощью нагревателя 8, термодатчика 6 и термореле 7 создается температура, равная температуре заданной ступени отбора компрессора. Давление воздуха в камере, равное давлению в ступени отбора ГТД, создают с помощью компрессора 12 и контролируют по манометру 13. Расход воздуха регулируют с помощью подбора сечения диафрагмы 10 для имитации времени нахождения масла в горячей зоне двигателя. Время нахождения масла в горячей зоне, рассчитываемого как отношение объема горячей зоны компрессора двигателя, вычисляется из геометрических параметров двигателя, где происходит разложение масла, к объемной скорости воздуха через данную ступень.
Данную процедуру можно проводить для разных режимов ГТД и масел, составляя справочные таблицы, и в дальнейшем пользоваться ими без проведения экспериментальных исследований. Для подбора условий разложения масла в моделирующей установки нужно иметь следующие сведения по двигателю:
- марка масла,
- параметры воздуха на входе в ГТД (температура давление, скорость),
- температура воздуха ступени компрессора ГТД, от которой на данном режиме полета проходит отбор воздуха,
- давление воздуха на ступени компрессора ГТД, от которой на данном режиме полета проходит отбор воздуха,
- объем ступени компрессора ГТД, от которой на данном режиме полета проходит отбор воздуха,
- объем трубопровода между системой отбора воздуха (СОВ) и системой подготовки воздуха (СПВ),
- скорость воздуха в трубопроводе между системой отбора воздуха (СОВ) и системой подготовки воздуха (СПВ).
Объем трубопровода и скорость воздуха в трубопроводе необходимы, т.к. разложение масла начинается в двигателе и продолжается в горячем воздуховоде (температура капель масляного аэрозоля снижается медленнее, чем воздуха). Расчеты показывают, что именно здесь и происходят основные процессы разложения масла.
Имитация условий разложения масла в данной установке (фиг.1) проводится путем подбора соотношений скорости прокачки воздуха и рабочего объема камеры разложения для достижения времени нахождения масла в горячей зоне соответствующему на реальном ГТД (остальные условия разложения - температура и давление, естественно, также должны соответствовать). Отбор и анализ проб воздуха от этой установки производится как от ГТД согласно МУ 1.1.258-99.
В результате каждому значению концентрации масла в воздухе данной точке кабины ЛА подбирается значение сопутствующих продуктов разложения масла. Сходимость результатов моделирования проверяется сравнением результатов анализа 3-5% полетных проб воздуха и проб воздуха, отобранных от данного устройства. Если экспериментальные величины (несколько проб воздуха в полете отбиралось и анализировалось по полной программе) ни в одной точке не превышают расчетные более чем на удвоенную сумму допустимой погрешности (не более 50%), то использование упрощенной модели допустимо и летные исследования чистоты воздуха считаются законченными. Данные получаются в виде табличных значений для разных типов масел и условий их разложения на специальной установке. Здесь пробы отбираются согласно МУ 1.1.258-99 «Методические указания. Двигатели газотурбинные авиационные. Порядок отбора и газохроматографического анализа проб воздуха из компрессора двигателя при стендовых испытаниях». Анализы воздуха, отобранного от установки, имитирующей разложение масла в ГТД, проводят согласно расширенного метода, изложенного в отчете ФГУП ЛИИ им. М.М.Громова №170-06-III «Разработка методики определения концентраций токсичных примесей в воздухе кабин ЛА и оценки источников его загрязнения в соответствии с требованиями АП-25 и международных нормативных документов». В течение полета отбирается несколько проб на все нормируемые компоненты по расширенной методике. Если экспериментальные величины хотя бы в одной точке превышают расчетные более чем на удвоенную сумму допустимой погрешности (более 50%), то использование упрощенной модели недопустимо и летные исследования необходимо проводить по полной программе (в каждой точке кабины ЛА по типовой программе исследований отбирается не 1, а 3 пробы воздуха для анализа на все токсичные компоненты).
Пример.
Для оценки чистоты воздуха гермокабины среднемагистрального самолета Мс-21 на взлете (наибольшие трудности с отбором проб воздуха) отбирают пробы воздуха только на масло по упрощенной методике. Так как табличных значений по составу продуктов разложения пока нет, их необходимо получить экспериментально.
Для получения точных результатов при эксперименте на устройстве для разложения масел необходимо путем расчетов установить время нахождения масла в зоне с рабочей температурой ~500°C (5 ступень компрессора двигателя и трубопровод, соединяющий систему отбора воздуха и систему подготовки воздуха).
Условия:
Двигатель: ПД-14 (типовой)
Режим полета: Взлет
Рабочая температура: 500°C
Степень увеличения давления:
Путем предварительных расчетов и получения сведений о технических характеристиках двигателя получены:
-5
1. Время нахождения масла в зоне отбора воздуха от двигателя с рабочей температурой ~500°C равно ~2,8*10 с.
3
3
2. Температура масла в трубопроводе будет равно температуре на момент отбора. Средний объем трубопровода от системы отбора воздуха до системы подготовки воздуха равен 0,002 м. Для условий нормальной эксплуатации, согласно п.831 АП-25, система вентиляции должна обеспечивать каждому лицу, находящемуся на борту, подачу свежего воздуха в объеме не менее 0,28 м в минуту. При данных условиях время, за которое масло пройдет данный участок трубопровода, составляет ~0,006 с.
2
3. Суммируя и округляя эти значения в строну ужесточения условий разложения, получаем время нахождения масла в горячей зоне для последующего моделирования - 0,01 с при температуре 500°C и давлении 15 кг/см.
Расчеты показывают, что в установке при рабочем объеме камеры 11 для разложения масла в 1 мл для создания этих условий необходимо прокачивать воздух со скоростью 50 л/мин.
Установка для моделирования процессов разложения масел в авиационных газотурбинных двигателях, как предварительный макет, была создана на базе хроматографа ЛХМ-8МД (использовался испаритель хроматографа с линией регулированного нагрева и подвода газов). Ввод масла 3 (0,3 мкл) осуществлялся вручную в течение минуты микрошприцем 2 фирмы Гамильтон на 1,0 мкл через охлаждаемую воздухом мембрану из силиконовой резины 4.
3
3
В таблице 1 приведены усредненные данные по составу воздуха, загрязненного продуктами терморазложения масла ВНИИНП-50-1-4Ф при температуре 500°C с содержанием масла в них около 5,0 мг/м (максимальное загрязнение кабин современных самолетов, экспериментально зафиксированное менее чем в 1% проб воздуха). Их можно считать максимальными для современных ЛА РФ (обычно возникают на переходных режимах работы двигателя). При снижении содержания масла соответственно будет снижаться и содержание его продуктов разложения (зависимость в интервале концентраций масла от 0,1 до 50,0 мг/м практически линейная).
Таблица 1.
Экспериментальные данные по составу летучих продуктов термоокислительного разложения масла ВНИИНП-50-1-4Ф при температуре - 500°C, давлении - 15 кг/см<sup>2</sup> за 0,01 с
Компонент-продукт разложения масла
Концентрация в потоке воздуха (мг/м<sup>3</sup>)
Масло (основа)
5,0
Трикрезилфосфат
0,001
Формальдегид
0,02
Ацетальдегид
0,006
Бутаналь
0,005
Акролеин
0,02
Ацетон
0,01
Бутанон
0,04
Метанол
0,007
Этанол
0,01
Н-пентанол
0,04
Спирты С<sub>6</sub>-C<sub>8</sub>
0,2
Фенол
0,02
Крезолы
0,06
Органические кислоты С<sub>2</sub>-C<sub>7</sub>
0,09
Бензол
0,01
Толуол
0,03
Этилбензол
0,04
Ксилолы
0,04