Устройство автоматического отбора проб воздуха для последующего анализа на содержание слабоадсорбирующихся газов в кабинах летательных аппаратов и от авиационных газотурбинных двигателей
DEVICE FOR AUTOMATIC SAMPLING OF AIR FOR FURTHER ANALYSIS FOR CONTENT OF WEAKLY ADSORBABLE GASES IN CABIN OF AIRCRAFT AND FROM AIRCRAFT GAS TURBINE ENGINES

Изобретение относится к технике получения и подготовки образцов для исследования в газообразном состоянии 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.
3
Основные токсичные компоненты в воздухе, отбираемом от ГТД и в кабинах ЛА, чье содержание нормируется как отечественными (нормы АП, СанПиН), так и международными требованиями (FAR, JAR и др.) - это окись углерода (угарный газ) и двуокись углерода (углекислый газ). В соответствии с  ч. 25 АП-25 установлена необходимость подачи системой вентиляции достаточного количества воздуха, не содержащего "вредных и опасных концентраций газов и паров". Это требование считается соблюденным, если концентрации следующих примесей не превышают ПДК: окись углерода - 60 мг/м, двуокись углерода - 0,5 об. %. При этом источником данных компонентов может служить для ГТД попадание эмиссионных газов и утечка масла с его разложением в компрессоре из передней опоры ротора. В кабину ЛА эти компоненты попадают из ГТД через СКВ, а также выделяются самими пассажирами и экипажем (антропотоксины - продукты дыхания), и при недостаточной степени поступления чистого (нерециркуляционного) воздуха или в застойных зонах они могут накапливаться и служить источником проявления аэротоксического синдрома (ухудшение состояния разной степени тяжести во время полета за счет отравления токсичными компонентами воздуха). Все устройства, используемые до настоящего времени на летающих лабораториях (ЛЛ), позволяют отбирать только разовые пробы на различных этапах полета (1 проба - 1 пробоотборник). Между тем для создания нормальной схемы вентиляции кабин ЛА требуется знание как распределения концентраций этих примесей в воздухе кабины, так и их распределение во времени полета.
Предлагаемое устройство может быть использовано при заводских и сертификационных испытаниях ГТД на (ЛЛ) на соответствие требованиям  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 для современных ГТД в дополнении к стендовым испытаниям, так как условия работы двигателя на стенде и в условиях реального полета сильно отличаются, что может приводить к ошибке в оценке чистоты воздуха, отбираемого от ГТД.
Известны устройства для отбора и хранения проб воздуха в виде стеклянных неградуированных газовых пипеток с двумя одноходовыми кранами, выполненных по ГОСТ 18954-73 «Прибор и пипетки стеклянные для отбора и хранения проб газа».
Аналогичные устройства выполняются в виде канистр, описанных в стандарте ASTM (2001): «Standard Test Method for Determination of Volatile Organic Chemicals in Atmospheres (Canister Sampling Methodology), West Conshohocken, PA, American Society for Testing and Materials (ASTM Standard D5466-01)». При этом канистра с запорным вентилем используется либо предварительно отвакуумированной, либо отбор производится методом газового обмена (продувка канистры большим количеством воздуха).
Известен патент US 5553508 от 10.09. 1996 г. «Portable intelligent whole air samplng system» («Портативная интеллектуальная система отбора проб всего воздуха»), содержащая пробоотборник из шприцов с поршнем внутри, установленных в съемные карусели с множеством съемных шприцов, в каждый пустой шприц путем вытягивания поршня через отверстие шприца поступает проба воздуха под управлением компьютерной программы системы отбора проб воздуха. С помощью блока управления, привода карусели, программируемого устройства осуществляется перемещение карусели электродвигателем посредством привода, также электрическая система управляет позиционированием шприцов и извлечением поршней из шприцов для отбора образцов воздуха. Карусель позволяет помещать съемные шприцы разного количества, размеров и типов.
Однако, сложность конструкции, множество элементов управления снижает надежность системы, а увеличение габаритов требует дополнительного места на борту для размещения системы.
Известен патент US 7824479 от 2.11.2010 г. «Apparatus And Method For Air Samplng» («Устройство и способ пробоотбора воздуха»), в котором устройство для отбора проб воздуха в салоне самолета содержит: датчик для обнаружения загрязнителей воздуха, процессор, регистратор данных, блок обнаружения нахождения устройства в воздухе (взлета самолета), блок управления регулировкой отбора проб и использованием адсорбирующих трубок, ручной триггер, множество адсорбирующих трубок, клапаны или другие блоки для изоляции адсорбирующих трубок от загрязнения и насос для всасывания воздуха через адсорбирующие трубки. В альтернативном устройстве используются мешки Tedlar их поливинилфторидной пленки для забора проб воздуха.
Недостатками данного устройства является использование адсорбирующих трубок, непригодных для забора проб слобоадсорбирующихся газов, и необходимость дополнительного места для размещения на борту аппаратуры забора проб воздуха.
Также недостатком всех этих и аналогичных устройств является то, что для использования таких устройств необходимо большое количество операторов, присутствие которых на борту не всегда возможно, и само их присутствие может вводить дополнительные погрешности в эксперимент. При этом сборка большого количества этих устройств в один блок с автоматическими запорами для авиации не подходит из-за больших габаритов получающихся модулей.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство, описанное в патенте US №2510657 от 6.06.1950 г. «Liqiud sampling device» («Пробоотборник жидкостей») и изображенное на фиг. 2 (прототип). Устройство, выбранное в качестве прототипа, содержит корпус, куда собираются отобранные пробы жидкости посредством перемещения шаров на гибкой сцепке в трубке пробоотборнике, сечение которого близко в диаметру шаров. Дно данное устройство не предназначено для непрерывного забора проб воздуха в кабине летательного аппарата.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в уменьшении габаритов устройства без ухудшения его метрологических характеристик для возможности установки на летающую лабораторию или в кабину ЛЛ с целью автоматического (без участия оператора) непрерывного отбора в течение полета проб воздуха без использования прерывающих клапанов.
Для достижения указанного технического результата в устройстве автоматического отбора проб воздуха для последующего анализа на содержание слабоадсорбирующихся газов в кабине летательного аппарата (ЛА) или от авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), содержащем цилиндрический корпус, соединенным с ним пробоотборник с установленным внутри них рабочим органом, представляющим собой выполненный из шаров на гибкой сцепке тросик для сбора проб в пробоотборнике, пробоотборник выполнен в виде трубки, сужающейся к ее концу, и уложенной вокруг вала в виде спирали, куда свободно транспортируется гибкая сцепка тросик с шарами, выполненными из ферромагнитного сплава, образуя пробоотборник для отбора множества проб воздуха. Соосно с валом установлены электродвигатель с редуктором и сцеплением, выполненными с возможностью наматывать тросик на вал для транспортирования проб воздуха в пробоотборник из цилиндрического корпуса. Цилиндрический корпус выполнен из жесткого пластика с низким коэффициентом трения. Сечение цилиндрического корпуса и пробоотборника близко к диаметру шаров с возможностью пропускать в
пробоотборнике тросик электродвигателем во время сбора отобранных проб до момента контакта первого шара на тросике с связанным с редуктором концевым выключателем, расположенным перед сужением трубки пробоотборника. Цилиндрический корпус выполнен с впускным и выпускным отверстиями, расположенными в одном сечении, перпендикулярном корпусу. Впускное отверстие корпуса соединено через обратный клапан с выходом аспиратора при отборе проб в кабине ЛА или с выходом дросселя с редуктором при отборе от компрессора ГТД для сброса проб воздуха в корпус цилиндра между шарами рабочего органа. Выпускное отверстие соединено с прямым клапаном для сброса избытка воздуха при отборе проб во время полета ЛА, В устройство введен блок, связанный с электродвигателем, для управления скоростью протяжки шаров на тросике в пробоотборнике. Блок также соединен с тремя ограничителями - кольцевыми электромагнитами, из которых для дозированного изъятия отобранных проб два электромагнита расположены на межосном (относительно осей электромагнитов) расстоянии друг от друга, равным диаметру шара, и жестко закреплены на корпусе цилиндра, а третий электромагнит находится на заданном расстоянии между шарами, необходимом для забора выбранного объема пробы, и закреплен при помощи винта с возможностью передвижения, с фиксацией натяжения тросика в корпусе во время обратной перемотки и выдавливания проб воздуха на анализ в анализирующее устройство - хроматограф через прямой клапан для последующего анализа на содержание слабоадсорбирующихся газов в кабине ЛА или ГТД.
Более того, в устройство дополнительно введен маховик с валом, выполненные с возможностью ручной обратной перемотки сцепки с шарами на второй вал.
Такая конструкция при отборе значительного количества проб 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 автоматического отбора проб воздуха для последующего анализа на содержание слабоадсорбирующихся газов в кабинах летательного аппарата и от авиационных газотурбинных двигателей.
Устройство автоматического отбора проб воздуха для последующего анализа на содержание слабоадсорбирующихся газов в кабине летательного аппарата или от авиационных газотурбинных двигателей содержит цилиндрический корпус 1 для сбора пробы посредством перемещения шаров 2 на гибкой сцепке - тросике 3 в трубке 4 пробоотборника, сечение которого близко в диаметру шаров, концевой выключатель 5. Корпус 1 выполнен с выпускным и впускным отверстиями. Впускное отверстие соединено через обратный клапан 6 с выходом аспиратора 7 при отборе проб в кабине ЛА или с выходом дросселя с редуктором (не показаны) при отборе проб от компрессора ГТД для сброса проб воздуха в цилиндрический корпус 1 между шарами 2 рабочего органа. Сброс избытка воздуха происходит через прямой клапан 8. Пробоотборник 4 выполнен в виде трубки, уложенной вокруг вала 15 в виде спирали с сужением к ее концу, куда свободно проходит тросик 3, но не проходят шары 2. Перед сужением трубки пробоотборника расположен концевой выключатель 5, соединенный с редуктором электродвигателя 9. Соосно с валом 15 для намотки свободного конца тросика установлен приводом 9, содержащий электродвигатель с редуктором и сцеплением. Также устройство содержит второй вал 10 с маховиком 11, три ограничителя - кольцевые электромагниты 12 (№1-3), из которых для дозированного изъятия отобранных проб два электромагнита расположены на межосном расстоянии друг от друга (относительно осей электромагнитов), равным диаметру шара, и жестко закреплены на цилиндрическом корпусе 1, а третий электромагнит №3 находится на заданном расстоянии между шарами 2, необходимом для забора пробы, закреплен при помощи винта 13 с возможностью передвижения, с фиксацией натяжения тросика 3 в корпусе 1 во время обратной переметки и выдавливания проб воздуха на анализ через прямой клапан 8 крайне правый
электромагнит и пульт управления 14, электрически (не показаны)связанный с кольцевыми электромагнитам 12 и приводом 9.
Работа устройства.
Устройство предназначено для отбора проб воздуха в кабине самолета или испытуемого двигателя на летающей лаборатории (ЛЛ). Отбор пробы происходит путем прокачивания воздуха (фиг. 1) через корпус 1 для сбора пробы посредством перемещения шаров 2 на гибкой сцепке - тросике 3, в трубке 4 пробоотборника, сечение которого близко в диаметру шаров. Отбор проб из кабины ЛА или от компрессора ГТД происходит непрерывно во время полета в корпус 1, продуваемого воздухом кабины через обратный клапан 6 аспиратором 7 или продуваемое воздухом через обратный клапан 6 через дроссель с редуктором компрессором ГТД, так как используется при этом избыточное давление воздуха ГТД. Сброс избытка воздуха происходит через прямой клапан 8. Шары на гибкой сцепке перемещаются в направлении пробоотбора (по часовой стрелке) путем наматывания тросика гибкой сцепки на вал 15 приводом 9 с изменяемой скоростью вращения, управляемой с пульта управления приводом 9. При касании первого шара концевой выключатель 5 отключает редуктор привода 9, после чего можно выполнять обратную перемотку. Ввод проб в анализирующее устройство (хроматограф) осуществляется с помощью ручной намотки в сторону, противоположную первоначальной намотки, цепочки шаров, выходящих из корпуса 1 для сбора проб, на вал 10 с маховиком 11. Шары 2 металлические, выполненные из ферромагнитного сплава, а корпус цилиндра выполнен из жесткого пластика с низким коэффициентом трения (тефлон). Ограничителями при обратной перемотке для дозированного изъятия отобранных проб служат три кольцевых электромагнита, два из которых - №1 и №2 размещаются на межосном расстоянии друг от друга, равным диаметру шара, и жестко закреплены на корпусе цилиндра, а третий электромагнит №3 находится на заданном расстоянии между шарами, необходимом для забора выбранного объема пробы, например, (5 диаметров шара) и крепится с возможностью передвижения, с фиксацией во время отбора проб с помощью винта 13. При
этом пульт управления задает двигателю такую скорость перемещения шаров, которая обеспечивает непрерывный отбор проб за все время полета, а концевой выключатель 5 при нажатии передним шаром 2 сцепки останавливает двигатель, т.е. отбор проб - перемещение шаров и выключает сцепление редуктора. Подачу отобранных проб из пробоотборника 4 на анализ осуществляют вручную вращением маховика 11 с валом 10 для намотки сцепки с шарами, при этом проба воздуха, ограниченная включением по очереди кольцевых электромагнитов 12 (№1-3) выдавливается через прямой клапан 8 перемещением вдоль оси подвижного электромагнита №3 после выкручивания винта-фиксатора 13. Электромагнит №2 включением фиксирует первый (левый) шарик цепочки. Далее дополнительно включается электромагнит №3. Шар, захваченный им, перемещается по оси цилиндра в направлении первого шарика. При этом проба воздуха выдавливается через прямой клапан 8 в дозатор хроматографа (не показан), где в последующем происходит ее анализ. Электромагниты при этом выключены. После окончания анализа включается магнит №1, и трос накручивается на вал 10 маховиком 11, после чего следующий шар фиксируется. Далее повторяются процедуры по выдавливанию следующей пробы воздуха, и так до окончания всей цепочки проб.