СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ОБЛЕДЕНЕНИЯ НА АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЯХ
METHOD FOR REMOVING ICING ON AERODYNAMIC SURFACES

Изобретение относится к области мехатроники и касается способов защиты поверхностей конструкций от осадочных наслоений и может быть использовано для индикации, локации и удаления (в автоматическом режиме) присоединенных частиц и осадочных наслоений (например, в виде пыли, воды, инея, льда) в транспортной и нефте-газовой промышленности, в аэрокосмической технике для защиты от обледенения аэродинамических поверхностей авиационных конструкций.
Известен способ удаления обледенения на аэродинамических поверхностях (см. Патент RU №2453475, опубл. 20.06.2012). Способ использует устройство в виде гибкого покрытия, которое содержит одну или более пару подсетей проводящих элементов, которые образуют сеть емкостных датчиков. При этом проводящие элементы также являются резистивными нагревательными элементами для обеспечения средства для устранения обледенения. Проводящие элементы утапливаются в изоляционный материал и каждая подсеть проводящих элементов интегрируется в гибкую подложку. Устройство подсоединяют к находящейся в кабине экипажа приборной доске через коммуникационный блок для отображения рабочих параметров и для управления этим устройством.
Недостатком известного способа является низкая эффективность удаления обледенения на аэродинамических поверхностях.
Наиболее близким способом удаления обледенения на аэродинамических поверхностях является способ (см. Патент RU №2483000, опубл. 27.05.2013), который в качестве средства борьбы с обледенением элементов конструкции летательных аппаратов использует противообледенительное покрытие, нанесенное на аэродинамическую наружную поверхность конструкции, при этом связующая полимерная матрица противообледенительного покрытия содержит в себе один или более пьезоэлектрических элементов для создания управляемых вибраций наружной поверхности покрытия в силу воздействия на пьезоэлектрические элементы электрического поля от внешнего источника электроэнергии посредством устройства подачи электроэнергии, например, в виде электрического кабеля. При этом вибрация не должна приводить к повреждениям противообледенительного покрытия и конструкции в целом. Пьезоэлектрический элемент или элементы могут быть равномерно распределены по всей связующей матрице противообледенительного покрытия и/или непосредственно и независимо подключены к источнику электроэнергии. В качестве материала связующей матрицы противообледенительного покрытия выбраны полиуретановые или фторполиуретановые краски, смолы, или пластмассы, содержащие тефлон. Толщина противообледенительного покрытия составляет от 20 до 100 мкм. Противообледенительное покрытие позволяет добиться того, что максимальная толщина слоя льда, нарастающего на его наружной поверхности, не превышает 2 мм с учетом плохого сцепления противообледенительного покрытия со льдом, в результате чего для разрушения образовавшегося ледяного слоя требуется меньше энергии, чем это обычно необходимо. Вследствие тонкости слоя льда его разрушение и отделение от поверхности покрытия происходит в форме небольших частиц толщиной около 2 мм, не представляющих опасности для турбореактивного двигателя. Дополнительный защитный слой может также содержать составы, отличные от противообледенительного покрытия, например, углерод, стекло или любой другой материал, способный повысить стойкость покрытия к износу или удару. Данный способ удаления обледенения на аэродинамических поверхностях принят за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - способ удаления обледенения на аэродинамических поверхностях, при котором наносят на аэродинамическую наружную поверхность конструкции противообледенительное покрытие, включающее в себя связующую полимерную матрицу, пьезоэлектрический элемент, подают электрическое напряжение на пьезоэлектрический элемент от внешнего источника электроэнергии посредством устройства подачи электроэнергии для создания управляемых вибраций наружной поверхности покрытия.
Недостатками известного способа удаления обледенения на аэродинамических поверхностях, принятого за прототип, является низкая эффективность удаления обледенения на протяженных аэродинамических поверхностях, вследствие того, что здесь используется сложная квазираспределенная система из большого числа дискретных пьезоэлектрических элементов, включение и выключение которых для начала и завершения очистки поверхности от обледенения происходит не в автоматическом режиме без учета особенностей реальной неоднородности обледенения и без контроля результатов очистки протяженной аэродинамической поверхности.
Задачей изобретения является повышение эффективности удаления обледенения на аэродинамических поверхностях за счет возможности автоматического режима удаления обледенения на аэродинамических поверхностях с индикацией и локацией места обледенения, контроля качества очистки от обледенения для протяженных участков аэродинамических поверхностей,
Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе удаления обледенения на аэродинамических поверхностях, при котором наносят на аэродинамическую наружную поверхность конструкции противообледенительное покрытие, включающее в себя связующую полимерную матрицу, пьезоэлектрический элемент, подают электрическое напряжение на пьезоэлектрический элемент от внешнего источника электроэнергии посредством устройства подачи электроэнергии для создания управляемых вибраций наружной поверхности покрытия, согласно изобретению противообледенительное покрытие выполняют в виде полимерного слоя с размещенным в нем пьезоэлектролюминесцентным оптоволоконным датчиком (см. Патент RU №2698958. Сенсорная система / Паньков А.А., опубл.: 02.09.2019 Бюл. №25, далее [1]), включающим в себя оптическое волокно и расположенные вокруг него электролюминесцентный и пьезоэлектрический цилиндрические слои, при этом устройство подачи электроэнергии выполняют в виде двухпроводной электрической линии, протяженной вдоль цилиндрических поверхностей пьезоэлектрического слоя, регулируют амплитуду вибраций противообледенительного покрытия посредством задания значений для частоты и амплитуды гармонической составляющей управляющего электрического напряжения внешнего источника электроэнергии на входе двухпроводной линии:
- задают значение для частоты гармонической составляющей управляющего электрического напряжения внешнего источника электроэнергии на входе двухпроводной линии равное собственной частоте вибраций противообледенительного покрытия при наличии на его внешней поверхности присоединенного критического слоя льда с максимально допустимым значением толщины, которое обусловлено конкретными условиями эксплуатации противообледенительного покрытия; в результате, при образовании и достижении толщиной слоя льда этого максимального значения наступает в автоматическом режиме резонансный режим вибраций противообледенительного покрытия и, как следствие, отслоение и/или разрушение слоя льда,
- задают значение для амплитуды гармонической составляющей управляющего электрического напряжения внешнего источника электроэнергии на входе двухпроводной линии из требования отслоения и/или разрушение слоя льда с учетом неповреждения противообледенительного покрытия и, в целом, конструкции, на которой покрытие установлено, в частности, при резонансном режиме вибраций;
осуществляют индикацию и локацию участков появления обледенения и диагностирование неоднородности распределения толщины обледенения, контроль качества очистки от обледенения по протяженной аэродинамической поверхности посредством регистрации на выходе из оптического волокна амплитудно-частотного спектра интегрального светового сигнала при различных значениях частоты гармонической составляющей задаваемого управляющего электрического напряжения на входе двухпроводной линии с учетом считающейся известной зависимости резонансной частоты противообледенительного покрытия от значений толщины присоединенного к внешней поверхности противообледенительного покрытия слоя льда, при этом в качестве регистратора используют приемник анализатор интенсивности оптических сигналов.
В частности, пьезоэлектролюминесцентный оптоволоконный датчик размещают в объеме противообледенительного покрытия в виде непрерывной спирали для охвата большей площади протяженной аэродинамической поверхности.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - противообледенительное покрытие выполняют в виде полимерного слоя с размещенным в нем пьезоэлектролюминесцентным оптоволоконным датчиком, включающим в себя оптическое волокно и расположенные вокруг него электролюминесцентный и пьезоэлектрический цилиндрические слои, при этом устройство подачи электроэнергии выполняют в виде двухпроводной электрической линии, протяженной вдоль цилиндрических поверхностей пьезоэлектрического слоя, регулируют амплитуду вибраций противообледенительного покрытия посредством задания значений для частоты и амплитуды гармонической составляющей управляющего электрического напряжения внешнего источника электроэнергии на входе двухпроводной линии;
- задают значение для частоты гармонической составляющей управляющего электрического напряжения внешнего источника электроэнергии на входе двухпроводной линии равное собственной частоте вибраций противообледенительного покрытия при наличии на его внешней поверхности присоединенного критического слоя льда с максимально допустимым значением толщины, которое обусловлено конкретными условиями эксплуатации противообледенительного покрытия; в результате, при образовании и достижении толщиной слоя льда этого максимального значения наступает в автоматическом режиме резонансный режим вибраций противообледенительного покрытия и, как следствие, отслоение и/или разрушение слоя льда,
- задают значение для амплитуды гармонической составляющей управляющего электрического напряжения внешнего источника электроэнергии на входе двухпроводной линии из требования отслоения и/или разрушение слоя льда с учетом неповреждения противообледенительного покрытия и, в целом, конструкции, на которой покрытие установлено, в частности, при резонансном режиме вибраций;
осуществляют индикацию и локацию участков появления обледенения и диагностирование неоднородности распределения толщины обледенения, контроль качества очистки от обледенения по протяженной аэродинамической поверхности посредством регистрации на выходе из оптического волокна амплитудно-частотного спектра интегрального светового сигнала при различных значениях частоты гармонической составляющей задаваемого управляющего электрического напряжения на входе двухпроводной линии с учетом считающейся известной зависимости резонансной частоты противообледенительного покрытия от значений толщины присоединенного к внешней поверхности противообледенительного покрытия слоя льда, при этом в качестве регистратора используют приемник анализатор интенсивности оптических сигналов;
пьезоэлектролюминесцентный оптоволоконный датчик размещают в объеме противообледенительного покрытия в виде непрерывной спирали для охвата большей площади протяженной аэродинамической поверхности.
Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют диагностировать появление обледенения, проводить локацию участков обледенения и толщину слоя льда на каждом из локальных участков внешней протяженной поверхности противообледенительного покрытия, в автоматическом режиме активизировать функцию очистки от обледенения лишь на тех локальных участках протяженного противообледенительного покрытия, на внешних поверхностях которых толщина слоя льда достигла установленного (заданного с учетом особенностей эксплуатации конструкции) критического значения, диагностировать качество очистки от обледенения внешней протяженной поверхности противообледенительного покрытия. В результате достигается повышение эффективности удаления обледенения на аэродинамических поверхностях, особенно для случая протяженных поверхностей, при этом повышается энергоэффективность процесса удаления обледенения из-за снижения энергопотребления процесса очистки от обледенения.
Способ удаления обледенения на аэродинамических поверхностях иллюстрируется чертежем.
На чертеже изображен представительный элемент противообледенительного покрытия с присоединенным слоем льда.
Противообледенительное покрытие (см. чертеж) выполнено в виде полимерного слоя с размещенным в нем пьезоэлектролюминесцентным оптоволоконным датчиком, который включает в себя оптическое волокно 1 и расположенные вокруг него электролюминесцентный слой 2 и пьезоэлектрический слой 3, при этом датчик расположен в материале связующей матрицы 4, к которой присоединен слой льда 5, аэродинамическая поверхность - это межфазная поверхность «противообледенительное покрытие/лед 5».
Нижняя грань представительного элемента противообледенительного покрытия на чертеже закреплена на аэродинамической поверхности (на чертеже не показана).
Электроды двухпроводной электрической линии (на чертеже не показаны) размещены на межфазных поверхностях: «оптоволокно 1/электролюминесцентный слой 2» и «пьезоэлектрический слой 3/связующая полимерная матрица 4».
Пьезоэлектролюминесцентный оптоволоконный датчик может быть размещен в объеме противообледенительного покрытия в виде непрерывной спирали для охвата большей площади протяженной аэродинамической поверхности.
В качестве материала связующей матрицы противообледенительного покрытия могут быть выбраны полиуретановые или фторполиуретановые краски, смолы, или пластмассы, содержащие тефлон.
Противообледенительное покрытие может иметь дополнительный защитный слой (на чертеже не показан) для механической защиты от внешних воздействий, например: износа и/или удара.
Способ удаления обледенения на аэродинамических поверхностях осуществляется с использованием противообледенительного покрытия в виде полимерного слоя с размещенным в нем пьезоэлектролюминесцентным оптоволоконным датчиком, включающим в себя оптическое волокно 1 и расположенные вокруг него электролюминесцентный 2 и пьезоэлектрический 3 цилиндрические слои, при этом устройство подачи электроэнергии выполняют в виде двухпроводной электрической линии, протяженной вдоль цилиндрических поверхностей пьезоэлектрического слоя [1]. Механолюминесцентный эффект возникает в результате взаимодействия между собой электролюминесцентного 2 и пьезоэлектрического 3 слоев при вынужденных электромеханических колебаниях (вибрациях) датчика и противообледенительного покрытия в целом (см. чертеж). Информативные световые сигналы возникают в электролюминесцентном слое 2 и, далее, проникают через светопрозрачный электрод (на чертеже не показан), расположенный на межфазной поверхности «оптоволокно 1/электролюминесцентный слой 2», внутрь оптического волокна 1 и распространяются по нему к приемнику-анализатору интенсивности световых сигналов на выходе из оптического волокна 1.
Способ удаления обледенения на аэродинамических поверхностях осуществляется следующим образом;
1) Регулируют амплитуду вибраций противообледенительного покрытия посредством задания значений для частоты и амплитуды гармонической составляющей управляющего электрического напряжения внешнего источника электроэнергии на входе двухпроводной линии:
- задают значение для частоты гармонической составляющей управляющего электрического напряжения внешнего источника электроэнергии на входе двухпроводной линии равное собственной частоте вибраций противообледенительного покрытия при наличии на его внешней поверхности присоединенного критического слоя льда 5 (присоединенной массы) с максимально допустимым значением толщины, например, 2 мм которое обусловлено конкретными условиями эксплуатации противообледенительного покрытия; в результате, при образовании и достижении толщиной слоя льда этого максимального значения наступает в автоматическом режиме резонансный режим вибраций противообледенительного покрытия и, как следствие, отслоение и/или разрушение слоя льда,
- задают значение для амплитуды гармонической составляющей управляющего электрического напряжения внешнего источника электроэнергии на входе двухпроводной линии из требования отслоения и/или разрушение слоя льда 5 с учетом неповреждения противообледенительного покрытия и, в целом, конструкции, на которой покрытие установлено, в частности, при резонансном режиме вибраций.
В результате, при отсутствии или «малом» значении (т.е. меньше критического значения) толщины (присоединенной массы Δm) слоя льда на некотором локальном участке противообледенительного покрытия для него реализуются незначительные «малые», а при критическом значении толщины слоя льда имеем «большие» резонансные значения амплитуды вибраций этого участка противообледенительного покрытия, что приводит к разрушению и удалению слоя льда 5 с этого локального участка аэродинамической поверхности.
*
0
*
0
v
*
0
v
h
v
2) Осуществляют индикацию и локацию участков появления обледенения и диагностирование неоднородности распределения толщины обледенения, контроль качества очистки от обледенения по протяженной аэродинамической поверхности посредством регистрации на выходе из оптического волокна амплитудно-частотного спектра интегрального светового сигнала при различных значениях частоты гармонической составляющей задаваемого управляющего электрического напряжения на входе двухпроводной линии с учетом считающейся известной зависимости резонансной частоты противообледенительного покрытия от значений толщины присоединенного к внешней поверхности противообледенительного покрытия слоя льда, при этом в качестве регистратора используют приемник анализатор интенсивности оптических сигналов. Для решения этой задачи возможно использование известных (см. A.A. Pankov «Piezoelectroluminescent optical fiber sensors for diagnostics of deformation and temperature fields in composite constructions», AIP Conference Proceedings, 2018, vol. 2053, pp. 040068-1-040068-5, далее [2]) алгоритмов: «резонансного диагностирования», «импульсно-резонансного сканирования», заменив в них диагностируемую в [2] величину изменения температуры (нагрев) на толщину (присоединенную массу) льда. В результате по алгоритму «резонансного диагностирования» [2] осуществляют расчет производной по частоте для измеряемой зависимости интенсивности светового потока на выходе из оптического волокна для определения «спектра толщины (присоединенной массы) обледенения» - функции плотности распределения толщины (присоединенной массы) обледенения по аэродинамической поверхности из решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода. По алгоритму «импульсно-резонансного сканирования» [2] осуществляют подачу на вход двухпроводной электрической линии видеоимпульса электрического напряжения при установившихся (стационарных) вынужденных электромеханических колебаниях противообледенительного покрытия для определения реального неоднородного распределения значений толщины обледенения по аэродинамической поверхности, Алгоритмы «резонансного диагностирования», «импульсно-резонансного сканирования» заявленного способа индикации, нахождения характеристик и реального распределения толщины (присоединенной массы) льда по аэродинамической поверхности с использованием противообледенительного покрытия основаны на считающейся известной амплитудно-частотной характеристике представительного элемента противообледенительного покрытия (см. чертеж) и зависимости его резонансной частоты v от измеряемых значений толщины Δh присоединенного слоя (присоединенной массы Δm) льда, известное значение резонансной частоты v без обледенения при Δh=0. При изменении толщины Δh присоединенного слоя график амплитудно-частотной характеристики датчика смещается по оси частоты v на величину изменения резонансной частоты Δ≡v-v≈kΔh пропорционально изменению толщины Δh. Неоднородность по продольной координате z датчика диагностируемых толщин Δh(z) присоединенного слоя льда обуславливает соответствующую информативную неоднородность амплитуд  гармонических (с частотой v) составляющих электрических напряжений на электролюминесцентном слое датчика в результате связи Δ(z)=v(z)-v≈kΔh(z) толщин Δh(z) присоединенного слоя льда со смещениями резонансных частот Δ(z) и, как следствие, смещениями по оси частот амплитудно-частотных характеристик  для различных локальных участков датчика. По алгоритму «резонансного диагностирования» искомый «спектр толщины (присоединенной массы) обледенения» ƒ(τ) - функции плотности распределения толщины Δh (присоединенной массы) обледенения по аэродинамической поверхности находим из решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода  по результатам измеряемых значений производной  амплитуды интенсивности свечения  на выходе из оптического волокна по частоте v гармонической составляющей электрического напряжения на управляющих электродах датчика, где  ядро Фредгольма рассчитывается  через известную амплитудно-частотную характеристику  фрагмента датчика длиной  длина датчика  коэффициент пропорциональности k. Алгоритм «импульсно-резонансного сканирования» позволяет найти реальное распределение диагностируемых толщин Δh(z) присоединенного слоя льда по противообледенительному покрытию (на аэродинамической поверхности) через нахождение совокупности распределений амплитудных значений  электрического напряжения на электролюминесцентном слое для различных значений частоты гармонической составляющей управляющего электрического напряжения на электродах датчика посредством использования сканирующего видеоимпульса, «бегущего» по электродам вдоль датчика.
Преимущества заявленного способа удаления обледенения на аэродинамических поверхностях состоят в том, что способ позволяет диагностировать появление обледенения, проводить локацию участков обледенения и толщину слоя льда на каждом из локальных участков внешней протяженной поверхности противообледенительного покрытия,
в автоматическом режиме активизировать функцию очистки от обледенения лишь на тех локальных участках протяженного противообледенительного покрытия, на внешних поверхностях которых толщина слоя льда достигла установленного (заданного с учетом особенностей эксплуатации конструкции) критического значения, диагностировать качество очистки от обледенения внешней протяженной поверхности противообледенительного покрытия.
В результате достигается повышение эффективности удаления обледенения на аэродинамических поверхностях, особенно для случая протяженных поверхностей, при этом повышается энергоэффективность процесса удаления обледенения из-за снижения энергопотребления процесса очистки от обледенения.
Указанный технический результат подтвержден результатами численного моделирования решения задачи о стационарных вынужденных электромеханических колебаниях представительного элемента противообледенительного покрытия (см. чертеж) и анализом закономерностей влияния толщины Δh присоединенного слоя льда 5 на амплитудно-частотную характеристику представительного элемента противообледенительного покрытия и численным анализом амплитуд интенсивности свечения на выходе из оптоволокна датчика противообледенительного покрытия для различных модельных и реальных законов распределения толщины слоя льда на поверхности противообледенительного покрытия по длине датчика.