СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ И УДАЛЕНИЯ ЛЬДА С КОМПОЗИТНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗУЮЩЕЕ
METHOD OF PREVENTION OF FORMATION AND REMOVAL OF ICE FROM COMPOSITE STRUCTURAL ELEMENTS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к защите от обледенения конструктивных элементов, работающих в воздушных потоках, в частности к противообледенительным системам летательных аппаратов (ЛА), ветряных электростанций, и может быть использовано для предотвращения образования и удаления льда на внешних поверхностях крыльев самолета, лопастях винтов вертолетов, лопастях воздушных винтов (движителей) ветряных электрогенераторов и т.п.
Из известных способов борьбы с обледенением, таких как механический, физико-химический, тепловой, наиболее эффективным и широко распространенным является электротепловой [Ahmed Shinkafi, Craig Lawson. Enhanced Method of Conceptual Sizing of Aircraft Electro-Thermal Deicing System. World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Mechanical, Aerospace, Industrial and Mechatronics Engineering Vol: 8 No: 6, 2014], который заключается в обеспечении удаления льда или предотвращении его образования путем нагрева поверхности летательного аппарата.
Известные аналоги способа предотвращения обледенения конструктивных элементов летательного аппарата основаны:
- на использовании противообледенительного покрытия, нанесенного на часть наружной поверхности летательного аппарата [Пат. 2492115 Российская федерация, МПК B64D 15/12. Кромка воздухозаборника гондолы турбореактивного двигателя. Роже К.; заявл. 12.03.2009; опубл. 10.09.2013]. Суть изобретения заключается в том, что средства устранения обледенения содержат противообледенительное покрытие, нанесенное, по меньшей мере, на часть наружной поверхности, причем связующая матрица противообледенительного покрытия содержит, по меньшей мере, один пьезоэлектрический активный элемент;
- на использовании гидрофобного материала, нанесенного на защищаемую поверхность [Пат. 2027640 Российская федерация, МПК 6 B64D 15/00. Устройство для защиты конструкции летательного аппарата от обледенения. Егоршев А.В., Комаров В.А.; заявл. 27.11.1991; опубл. 27.01.1995]. Суть изобретения заключается в том, что устройство снабжено размещенными без зазора на защищаемой поверхности отдельными профилированными секциями, каждая из которых содержит металлическую накладку из материала, идентичного материалу защищаемой поверхности, скрепленную посредством слоя токонепроводящего герметика с слоем из гидрофобного материала, внутренняя поверхность которого металлизирована, при этом в гидрофобный слой встроено N плоских электромагнитных катушек, связанных между собой в пределах каждой секции, причем катушки каждой секции подключены к источнику тока через переключатель каналов;
- на способе предотвращения обледенения крыльев летательных аппаратов [Пат. 2504502 Российская федерация, МПК 8 B64D 15/00. Способ борьбы с обледенением крыльев летательных аппаратов / Потапов Ю.Ф., Миллер А.Б.; заявл. 28.11.12; опубл. 20.01.2014], выбранном в качестве прототипа способа предотвращения образования и удаления льда с композитных конструктивных элементов. Суть способа заключается в том, что поверхности, подверженные обледенению, нагревают до температуры таяния льда и образовавшуюся после таяния льда воду для предотвращения ее замерзания в виде барьерного льда собирают в емкости, установленные в полости крыла;
- на использовании электротепловой противообледенительной системы [Пат. 2226481 Российская федерация, МПК 7 B64D 15/00, B64D 15/12, Н05В 3/84. Электротепловая противообледенительная система, например, для лопастей вертолета / Блутштейн Г.Г., Бусыгин Е.В., Гольберг С.Г., Нам В.В., Шершуков В.Д.; заявл. 19.07.2002; опубл. 10.04.2004], выбранной в качестве прототипа устройства предотвращения образования и удаления льда с композитных конструктивных элементов. Прототип устройства предотвращения образования и удаления льда с композитных конструктивных элементов содержит теплоэлектрические нагреватели, подключенные к трехфазному источнику переменного тока через коммутирующие элементы, трансформаторы тока, обмотками которых охвачены питающие провода теплоэлектрических нагревателей, блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами коммутирующих элементов, а входы - с обмотками трансформаторов тока, также в систему введены операционные усилители, через которые обмотки трансформаторов тока соединены с входами блока управления, при этом нагреватели выполнены попарно, каждая пара которых соединена перемычкой в концевой части лопасти с охватом внутренней пары нагревателей.
Приведенные в качестве прототипов способ и устройство предотвращения образования и удаления льда с композитных конструктивных элементов имеют ряд недостатков. Основными недостатками являются:
- высокое удельное энергопотребление, обусловленное большой площадью нагрева защищаемых поверхностей;
- высокая вероятность перегрева и прогара конструктивных элементов, выполненных из композитных материалов;
- высокая вероятность образования барьерного льда на поверхности конструктивных элементов в зонах, прилегающих к краям зоны нагрева;
- высокая вероятность возникновения внутренних напряжений в конструктивных элементах из-за разницы коэффициентов температурного расширения материалов нагревательных элементов и элементов защищаемых поверхностей.
Решаемая техническая задача изобретения заключается в создании интегральной противообледенительной системы, работающей как в пассивном, так и в активном режимах и обеспечивающей снижение удельного энергопотребления за счет снижения средней температуры нагревательных элементов при защите от обледенения конструктивных элементов, снижение вероятности образования барьерного льда, снижение вероятности перегрева и прогара конструктивных элементов, выполненных из композитных материалов, снижение вероятности возникновения внутренних напряжений в конструктивных элементах за счет использования материалов с близкими по значению коэффициентами температурного расширения.
Решаемая техническая задача в способе предотвращения образования и удаления льда с композитных конструктивных элементов, в котором поверхности, подверженные обледенению, нагревают до температуры таяния льда, достигается тем, что нагревательные элементы для нагрева поверхностей, подверженных обледенению, выполняют из электропроводящих полимерных материалов и располагают в зонах обледенения непосредственно на наружной поверхности конструктивных элементов, отделенных от них электротеплоизолирующим слоем, сверху часть конструктивных элементов, содержащих нагревательные элементы, и одновременно прилегающие к нагревательным элементам зоны покрывают гидрофобной электроизолирующей фторопластовой пленкой, предотвращая образование барьерного льда, при этом управление нагревом осуществляют при помощи блока управления на основании данных, которые получают с помощью датчиков, расположенных на элементах конструкции в зонах обледенения и на основании данных, относящихся к условиям обледенения элемента конструкции.
Предложенный способ предотвращения образования и удаления льда с композитных конструктивных элементов реализуется устройством предотвращения образования и удаления льда с композитных конструктивных элементов. Решаемая техническая задача в устройстве предотвращения образования и удаления льда с композитных конструктивных элементов, состоящее из нагревательных элементов, подключенных к источнику тока через коммутирующие элементы, блока управления, выходы которого соединены с управляющими входами коммутирующих элементов, а входы с датчиками, достигается тем, что содержит электротеплоизолирующий слой, предназначенный для расположения на наружной поверхности конструктивных элементов в зонах обледенения, поверх которого размещены нагревательные элементы, поверх которых размещена гидрофобная электроизолирующая фторопластовая пленка, одновременно закрывающая прилегающие к нагревательным элементам зоны конструктивных элементов, на которых возможно образование барьерного льда.
Устройство предотвращения образования и удаления льда с композитных конструктивных элементов, изображенное на чертеже, содержит гидрофобную электроизолирующую фторопластовую пленку 1, предотвращающую образование барьерного льда и выполняющую роль пассивного противообледенительного покрытия, которая посредством теплопроводящего клеевого соединения 2 крепится к нагревательным элементам 3, которые посредством электротеплоизолирующего клеевого соединения 4 крепятся к наружной поверхности конструктивных элементов 5 в зонах обледенения, например на передней кромке крыла летательного аппарата, нагревательные элементы 3 подключены через коммутирующие элементы 6 к источнику тока 7, блок управления 8, выходы которого подключены к управляющим входам коммутирующих элементов 6, а входы к датчикам 9.
Зона обледенения - участок поверхности, где происходит образование льда.
Условия обледенения - совокупность атмосферных условий (водности, температуры, диаметра капель, атмосферного давления, а также скорости полета), при которых наблюдается обледенение.
Барьерный лед - обледенение в форме валиков или отдельных затеков за зоной обогрева поверхности.
Рассмотрим реализацию способа предотвращения образования и удаления льда с композитных конструктивных элементов на примере летательного аппарата и работу устройства предотвращения образования и удаления льда с композитных конструктивных элементов летательного аппарата, изображенного на чертеже.
При скорости летательного аппарата менее 0,3 М (М-скорость Маха) защиту наружных элементов конструкции летательного аппарата от обледенения выполняет гидрофобная электроизолирующая фторопластовая пленка 1 [Паншин Ю.А. и др. Фторопласты. Л.: Химия, 1978]. Переохлажденные капли, содержащиеся в атмосфере и попадающие на фторопластовую пленку, из-за низкой адгезии сбрасываются с элементов конструкции летательного аппарата под действием набегающего потока. В условиях образования льда или при образовании льда на поверхности конструктивных элементов летательного аппарата датчик 9 [ПУ 3.390.252 ТО Сигнализатор обледенения типа СО - 1. Техническое описание] выдает сигнал в блок управления 8 [Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. М.: Энергоатомиздат, 1995], который запускает противообледенительную систему по циклограмме с выдержкой времени между циклами, зависящий от условий обледенения. С выхода блока управления 8 подаются сигналы на коммутирующие элементы 6 [Волошин С. Современные полупроводниковые коммутаторы нагрузок. Компоненты и технологии, №7, 2003], которые подключают группы нагревательных элементов 3 [Петров Ю.Б. Основы электронагрева: текст лекций / Л.: СПбГЭТУ, 1990. - 47 с.]. В зависимости от температуры наружного воздуха, длительность и период подключения нагревательных элементов 3 меняется. Чем ниже температура наружного воздуха, тем большая длительность и меньший период подключения нагревательных элементов 3. Образующиеся на поверхности гидрофобной электроизолирующей фторопластовой пленки 1 капли и остатки льда в результате подтаивания льда сбрасываются с элементов конструкции летательного аппарата под действием набегающего потока. За счет того, что зона конструктивных элементов, на которой возможно образование барьерного льда, закрыта гидрофобной электроизолирующей фторопластовой пленкой 1, интенсивность формирования барьерного льда снижается.
Таким образом, гидрофобное электроизолирующее фторопластовое наружное покрытие препятствует образованию барьерного льда на элементах конструкции, что позволяет сократить площадь нагрева, занимаемую нагревательными элементами, тем самым снизить энергозатраты на противообледенительную систему, а также совместно с нагревательными элементами из полимерных материалов снизить вероятность перегрева и прогара конструктивных элементов, выполненных из композитных материалов, снизить вероятность возникновения внутренних напряжений в конструктивных элементах за счет использования материалов с близкими по значению коэффициентами температурного расширения.