Способ определения концентрации пожаротушащих веществ в воздухе мотогондол газотурбинных двигателей и устройство для его осуществления
METHOD FOR DETERMINING THE CONCENTRATION OF FIRE EXTINGUISHING AGENTS IN THE AIR OF ENGINE NACELLES OF GAS TURBINE ENGINES AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники.
Изобретения относятся к технике анализа воздуха мотогондол двигателей (ГТД) летательных аппаратов (ЛА) для исследования достаточности содержания паров пожаротушащих агентов (хладоны, углекислый газ, элегаз и другие) в воздухе мотогондолы при срабатывании системы пожаротушения и повышения точности их определения. Уровень техники
При срабатывании системы пожаротушения двигателя на ЛА в мотогондолу впрыскивается определенное количество пожаротушащего агента типа хладон и др. Нормативными документами определяется достаточность для пожаротушения концентрации этих веществ в гондоле двигателя во времени в зависимости от типа пожаротушащего вещества.
Предлагаемое устройство может быть использовано при заводских и сертификационных испытаниях ЛА на соответствие требованиям § 1195(b) АП-25 (Авиационные правила. Часть 25. Нормы летной годности самолетов транспортной категории. 2008 г.), аналогично АП-29 (Вертолеты) и АП-23 (Гражданские легкие самолеты).
Для воздуха рабочей зоны такой способ и устройства для его осуществления изложены в МУ №4768-88 «Методические указания по газохроматографическому измерению концентраций хладонов 11, 12, 113, 114 в воздухе рабочей зоны», вып. 23, «МУ по измерению концентраций вредных веществ в воздухе рабочей зоны», МЗ СССР, М., 1988 г. Воздух отбирается в стеклянные пробоотборники с жидким поглотителем. Последующий анализ выполняется на газовом хроматографе. В авиации такой способ отбора по соображениям техники безопасности реализован быть не может (легко разрушаемая конструкция пробоотборников и применение легковоспламеняющихся жидкостей).
Обычно в испытаниях п проверке системы пожаротушения используют металлические вакуумированные емкости с электромагнитными клапанами, собранные по несколько штук в контейнеры. Такие устройства описаны в ведомственной методике №12-16-III, разработанной АО «ЛИИ им. М.М. Громова». До настоящего времени именно эти конструкции используют при соответствующих испытаниях. Последующий анализ отобранных проб проводят в химической лаборатории на стационарных газовых хроматографах. При этом между отбором и анализом пробы должно пройти менее суток, что зачастую трудно выполнимо из-за удаленности заводов - изготовителей и испытательных аэродромов. Необходима методика, выполнимая непосредственно в месте проведения испытаний. К такой можно отнести методику, описанную в патенте FR 30021292 В1 «Способ и устройство для измерения концентрации огнетушащего вещества в зоне пожара», 27.10.2017 г., Airbus Operations SAS. Здесь используется фотоколориметрический метод в УФ диапазоне определения концентрации хладонов в воздухе, отбираемом вакуум-насосом из мотогондолы и пропускаемом через измерительную ячейку. К недостаткам такого метода можно отнести достаточно сложное аппаратурное решение (практически на мотогондоле нужно монтировать фотоколориметр или спектрофотометр, как бы просто авторы его не описывали) и плохую синхронизацию срабатывания системы пожаротушения и получения результатов по концентрациям (неопределенная задержка во времени).
Наиболее близким к предлагаемым способу и устройству является рекомендательный циркуляр АС 20-100 «General Guidelines For Measuring Fire Extinguishing Agent Concentrations In Powerplant Compartments», Department of Transportation. Federal Aviation Administration, 1977 г. Здесь используются не оптические, а вязкостные характеристики воздухо-хладоновой смеси. Как и в предыдущем аналоге предлагается отбирать воздух с помощью вакуум - насоса, но пропускать его через пористую пластинку. Достоинство в том, что измерения проводятся в режиме реального времени. Аппаратурное решение здесь достаточно простое, но тот же недостаток в отсутствии синхронизации делает эту методику недостаточно репрезентативной. Размещение измерительных ячеек рядом с работающим двигателем, отсутствие критериев оценки изменения температуры и давления на измеряемый параметр также снижают точность оценки концентрации пожаротушащих веществ в воздухе мотогондолы.
Предлагаемые изобретения направлены на достижение технического результата, заключающегося в повышении достоверности оценки концентрации пожаротушащих агентов в мотогондолах ГТД за счет применения вакуумированных пробоотборников с последующим анализом непосредственно после летной или наземной работы на мобильном устройстве для анализа, основанном на измерении времени опустошения шприца с пробой через капилляр при постоянном давлении с последующим сравнением этого времени с калибровочной кривой (зависимость времени опустошения шприца от концентрации пожаротушащего вещества в воздухе гондолы и определения ее достаточности).
Существенные признаки.
Для получения указанного технического результата в предлагаемом способе определения концентрации пожаротушащих веществ в воздухе мотогондол ГТД, включающем поочередную перекачку предварительно отобранного в герметичные пробоотборники воздуха в калиброванную емкость-шприц для проведения дальнейших измерений, измерения производятся удаленно сразу после выполнения наземной гонки или полета на простом и компактном оборудовании, которое можно легко перевезти и смонтировать в любом производственном помещении (самолетный ангар и др.), и определяются фактические концентрации пожаротушащих веществ. Измерительный узел, выполненный в виде шприца с мерной стеклянной емкостью, с выступающим контактом на штоке, располагают вертикально в емкости водяной бани в термостатируемым выше температуры кипения пожаротушащего вещества и не ниже комнатной температуры держателе. К шприцу подсоединяется термостатируемый капилляр, выбранный так, чтобы при давлении груза в 500 г на шток шприца полное его опустошение воздухом при подключенном капилляре-игле за 30- 50 сек, при том, что без капилляра это происходит за 2-3 сек. Опустошение заданного объема емкости с различными концентрациями пожаротушащих веществ производят между первой и второй метками заданного объема в цилиндрической емкости: от начала пропускания контрольного образца и до второй метки опустошения заданного объема. При этом выступающий контакт на штоке включает таймер через верхний выключатель и, пройдя вторую метку, выключает через нижний выключатель таймер. Время опустошения заданного объема фиксируют, определяют время пропускания контрольных объемов пробы, затем после анализа всех пробоотборов по смесям воздуха с известной концентрацией пожаротушащего контрольного образца и по полученным результатам строят калибровочный график по зависимости времени опустошения заданного объема шприца от концентрации контрольного образца, сравнивая данные по времени для исследованных проб воздуха мотогондолы с калибровочной кривой, получают значения концентрации в них пожаротушащего вещества и используют при сертификации летательного аппарата. Срабатывание верхнего выключателя таймера, отсчитывающего время опустошения, происходит после опустошения 40% калиброванной емкости для установления постоянного давления в ней на уровне 0,5-0,7 кг/см, что обеспечивает воспроизводимость результатов анализа.
Для достижения названного технического результата в предлагаемое устройство для определения концентрации пожаротушащих веществ в воздухе мотогондол газотурбинных двигателей, содержащее калиброванную цилиндрическую емкость и воздуховод для подключения к отобранной пробе, добавлены верхняя и нижняя крышки, емкость, выполненная из стекла с разметкой объемов. В верхней крышке, кроме отверстия для перемещения штока с поршнем, выполнено дополнительное отверстие для сброса воздуха, а в нижней крышке имеется конус с внешним клиновым зажимом для подключения и удержания капилляра с канюлей. При выполнении измерений емкость с капилляром термостатируются на водяной бане с регулируемой по датчику температурой и с подогревом электронагревательным элементом во избежание конденсации измеряемого вещества в капилляре. Водяная баня является частью подставки - штатива, где в прорезь крышки, выполненной в виде цилиндра с дополнительной прорезью для перемещения заглушки капилляра с держателем, вертикально устанавливается мерная емкость со свободно перемещающимся в ней поршнем со штоком. Верхняя площадка штока выполнена в виде диска с бортиками, являющегося держателем для гири, под давлением которой и происходит перемещение поршня. На штоке выполнен выступающий контакт, который поочередно включает верхний и нижний выключатели, фиксирующие время пропускания заданного объема в цилиндрической градуированной мерной емкости от начала до метки опустошения заданного объема, подключенные к фиксирующему время устройству-таймеру, расположенные на стержне, выполненном параллельно штоку для отсчета времени опустошения калиброванной емкости. Основание штатива выполнено в виде треноги с регулировочными винтами, обеспечивающими вертикальность калиброванной емкости по показанию уровня, расположенного на верхней крышке бани, что позволяет получить воспроизводимость градуировок, а, следовательно, и результатов анализа.
Для пояснения сущности изобретений на фиг.1 показано устройство для определения концентрации пожаротушащих веществ в воздухе мотогондол газотурбинных двигателей.
Предлагаемый способ осуществляют в следующей последовательности.
2
Пробы воздуха, отобранные в вакуумированные емкости в мотогондоле ГТД во время наземных или летных испытаний, поочередно перекачивают в калиброванную емкость - шприц для проведения дальнейших измерений. К шприцу подсоединяют капилляр с канюлей, которую фиксируют муфтой с клиновой резьбой. Капилляр блокируют заглушкой с держателем и все это устройство в сборе помещают вертикально до упора в держатель на крышке водяной бани с подогревом и регулировкой температуры выше температуры кипения пожаротушащего вещества и не ниже комнатной температуры. Капилляр выбирают так, чтобы при давлении груза в 500 г на шток шприца полное его опустошение воздухом без капилляра происходило за 2-3 сек, а при подключенном капилляре - за 30-50 сек. Время опустошения заданной верхним и нижним выключателями таймера емкости сравнивают с калибровочной кривой, полученной при опустошении емкости с различными известными концентрациями пожаротушащего вещества. По полученной кривой и рассчитывают концентрацию в пробе воздуха мотогондолы ГТД, отобранной при срабатывании системы пожаротушения. Для стабилизации давления в емкости и потока через капилляр срабатывание верхнего выключателя, запускающего отсчет времени опустошения, происходит после опустошения 40% калиброванной емкости для установления постоянного давления в калиброванной емкости на уровне 0,5-0,7 кг/см.
Предлагаемое устройство (фиг.1) состоит из калиброванной цилиндрической емкости 1, выполненной из стекла с разметкой объемов, и воздуховода 2 (после перекачки пробы он заменяется на измерительный капилляр меньшего сечения) для подключения к отобранной пробе, с верхней 3 и нижней 4 крышками, в верхней крышке кроме отверстия для перемещения штока с поршнем выполнено дополнительное отверстие для сброса воздуха, а в нижней крышке имеется конус с внешним клиновым зажимом 5 для подключения и удержания капилляра с канюлей, водяной бани 6 с регулируемой по датчику 7 с термореле 8 температурой и с подогревом электронагревательным элементом 9 водой 10. Баня является частью подставки - штатива, выполненным в виде треноги с регулировочными винтами 11, обеспечивающими вертикальность калиброванной емкости по показанию уровня 12, расположенного на верхней крышке 13 бани, где в прорезь крышки, выполненной в виде цилиндра с дополнительной прорезью для перемещения заглушки капилляра с держателем 14, вертикально устанавливается данная емкость со свободно перемещающимся в ней поршнем 15 со штоком 16, верхняя площадка 17 которого выполнена в виде диска с бортиками, являющегося держателем для гири 18. На штоке выполнен выступающий контакт 19, который поочередно включает верхний и нижний выключатели 20 и 21, подключенные к фиксирующему время устройству-таймеру 22, расположенные на стержне 23, выполненном параллельно штоку, для отсчета времени опустошения калиброванной емкости.
Устройство работает следующим образом.
y
y
Сначала производят подготовительные работы. Пробы воздуха мотогондол по действующим в РФ методическим документам отбираются в вакуумированные пробоотборники. Каждый пробоотборник состоит из емкости на 0,3 л, выполненной из нержавеющей стали 12X18Н9Т по ГОСТ 5632-72, электромагнитного клапана типа 772 (рабочее напряжение клапана от 15 до 30В, ток под нагрузкой - 0,4А), трубопровода с накидной гайкой на dy 4 (при ограничении по установочным габаритам трубопровод может не монтироваться и воздух отбирается непосредственно в клапан). Для того, чтобы избежать процедуры измерения давления в пробоотборнике, которая может привести к разбавлению пробы воздухом из манометра, перевод газа из пробоотборника в шприц на калиброванную цилиндрическую емкость 1 (далее по тексту - шприц) производится по следующей технологии. На шприц вместо иглы крепится микровентиль фирмы Супелко. С пробоотборника снимается накидная гайка с трубкой d4, через которую производился отбор проб, и с помощью такой же накидной гайки и резиновой прокладки под диаметр гайки крепится металлический капилляр d 0,5 длиной 5-7 см. Он подсоединяется с помощью резиновой муфты к капиллярному тройнику. Конец тройника подсоединяется через резиновую муфту и короткий капилляр к входу микровентиля шприца, а на свободный конец тройника надевается резиновая муфта с пружинным (или винтовым) зажимом для сброса продувочного газа. Микровентиль открывается. На клапан подается напряжение, и шток шприца выдвигается на максимальную отметку. Клапан закрывается, нажатием открывается пружинный зажим с одновременным вводом поршня шприца до упора. Зажим закрывается, и процедуру продувки переходников повторяют еще два раза. На третий раз сброс пробы не производят, а при всех закрытых клапанах и вентиле вводят шток шприца до слабого сопротивления (создание избыточного давления). Такую пробу и используют для анализа. Предыдущий капилляр для перекачки заменяют на измерительный капилляр 2, который устанавливают с помощью внешнего клинового зажима (муфты с резьбой для фиксации выступов канюли). На свободный кончик капилляра ставят заглушку с держателем 14. В качестве такого капилляра для прокачки фиксированного объема в 2 мл (общий объем шприца - 5 мл) подходит игла от газоплотного шприца длиной 55 - 60 мм и с внутренним диаметром 0,25 мм. Эта конструкция представляет собой собранный измерительный узел.
В водяную баню 6 заливают воду 10 на 1-2 см ниже максимального объема. Винтами 11 выставляют горизонтальное положение его верхней крышки 13 по уровню 12. На термореле 8 выставляют необходимую для устранения конденсации хладона температуру (для наиболее часто применяемого хладона 114 В2 это от +45 до +50°С) и включают нагреватель 9. После выхода на режим измерительный узел помещают в цилиндрический держатель верхней крышки бани 13 (плотно, до упора), при этом держатель заглушки должен совпасть с прорезью в крышке для его свободного снятия с капилляра. Включают таймер в ждущий режим для фиксации времени в секундах пропускания контрольного объема пробы (здесь -2 мл). На площадку 17 штока 16 шприца 1 помещают гирю в 500 г, дожидаясь остановки движения штока (в шприце устанавливается избыточно давление примерно 0,6 кг/см2). Далее надавливанием на держатель 14 снимают заглушку с капилляра. Так начинается процесс анализа. Выступающий контакт 19 штока 16 при этом, задевая верхний выключатель 20 на стержне 23, запускает таймер, а пройдя метку в 2 мл задевает нижний выключатель 21 и выключает таймер. Время опустошения заданного объема фиксируется в журнале. После анализа всех проб производится калибровка прибора по смесям воздуха с известной концентрацией хладона (от 0,5 до 10,0 об.%). По полученным результатам строится калибровочный график (зависимость времени опустошения заданного объема шприца от концентрации хладона). Сравнивая данные по времени для проб воздуха мотогондолы с калибровочной кривой, получают значения концентрации в них хладона. Полученные результаты оформляют в виде таблиц и протоколов, которые и используют при сертификации ЛА.