УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОНОМНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАЛИЧИЯ УСЛОВИЙ ОБЛЕДЕНЕНИЯ ВХОДНЫХ УСТРОЙСТВ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ Российский патент 2003 года по МПК F02C9/00 F02C7/47 

Изобретение относится к технике контроля работы газоперекачивающих агрегатов, в частности к средствам определения наличия условий обледенения входных устройств газоперекачивающих агрегатов.

В настоящее время в авиации широко применяются сигнализаторы обледенения прямого и косвенного действия [1]. Датчики сигнализаторов обледенения прямого действия реагируют непосредственно на лед, который образуется на чувствительном элементе. Если толщина льда превышает некоторое пороговое значение, то сигнализатор выдает сигнал об обледенении.

Датчики сигнализаторов обледенения косвенного действия включают в себя датчик водности и датчик температуры наружного воздуха. При наличии водности, превышающей некоторое пороговое значение, и при наличии температуры наружного воздуха ниже 0^oС сигнализатор выдает сигнал об обледенении. Датчики водности могут реагировать либо только на капельно-жидкую влагу, либо на капельно-жидкую влагу и кристаллы льда (датчики полной водности).

Авиационные сигнализаторы обледенения не могут быть использованы для сигнализации об обледенении входных устройств газоперекачивающих агрегатов (ГПА) по причинам, вытекающим из физики их обледенения и особенностей конструкции. Как показано на фиг.1, входное устройство ГПА является воздухоочистительным устройством и состоит из ряда воздухоочистительных элементов, расположенных симметрично по боковым сторонам шахты всасывания в ее верхней части. Воздухоочистительные элементы представляют собой сепараторы инерционно-жалюзийного типа, выполненные в виде вертикальных клинообразных сужающихся коробов (5). Их вертикальные стенки имеют направляющие лопатки (1), развернутые в обратном направлении относительно потока всасываемого воздуха (V_п) и образующие тонкие щели (2...3 мм), благодаря чему частицы пыли пролетают по инерции мимо щелей и попадают в воздухоотсасывающий короб (2) в узкой части воздухоочистительных элементов. Пыль отсасывается осевым вентилятором (3) и сбрасывается в пыленакопительный бокс. Очищенный воздух проходит в щели и поступает в камеру всасывания (6) силового двигателя. Для устранения обледенения элементов входного устройства через трубопроводы (4) подается горячий воздух, отбираемый от компрессора двигателя. Излишний отбор горячего воздуха снижает ресурс двигателя и увеличивает расход горючего. Несвоевременное включение подачи горячего воздуха может привести к полному зарастанию льдом щелей, что вызовет необходимость остановки газоперекачивающего агрегата для ручного механического удаления льда.

Как показала практика эксплуатации входных устройств ГПА, наблюдается 2 вида их обледенения.

Первый вид обледенения связан с наличием у земли капельно-жидкой влаги (тумана) при температуре наружного воздуха t_нв≤+5^oС. Развитие процесса обледенения при t_нв≤+5^oС, а не при t_нв≤0^oС связано с тем, что в щелях из-за увеличения скорости движения воздуха происходит понижение температуры воздуха максимум на 5^oС. В этом случае на направляющих лопатках оседают мелкие капли воды, замерзают и через некоторое время образовавшийся лед полностью перекрывает щели. При отрицательной температуре наружного воздуха небольшое количество льда образуется и в воздухоотсасывающем коробе.

Второй вид обледенения происходит при наличии в атмосфере мокрого снега при t_нв= -2...+2^oС. В этом случае кристаллы льда налипают внутри воздухоотсасывающего короба и на вертикальных стенках сужающихся коробов. Суточные колебания температуры наружного воздуха при наличии снегопада приводят к образованию ледяной корки и к перекрыванию щелей и воздушных каналов.

Таким образом, для выявления всех случаев обледенения датчики авиационных сигнализаторов обледенения прямого и косвенного действия должны устанавливаться внутри щелей между поворотными лопатками. Это условие выполнить практически невозможно, так как по конструктивным особенностям датчики сигнализаторов имеют размеры, в десятки раз превышающие размеры щелей. Кроме того, датчики сигнализаторов прямого действия не реагируют на налипающий снег, а датчики сигнализаторов косвенного действия не могут регистрировать понижение статической температуры в щелях при увеличении в них скорости движения воздуха. Установка же датчиков сигнализаторов вне щелей приводит к случаям, когда они не регистрируют обледенение при его фактическом наличии. Такое явление наблюдалось при применении сигнализатора, представленного в авторском свидетельстве 1135690 [2].

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство [3] для обнаружения наличия условий обледенения элементов газотурбинных двигателей, испытываемых на наземных стендах. Устройство основано на том, что в специально профилированном воздушном канале в его широкой и узкой частях устанавливают датчики сигнализаторов обледенения прямого действия. С помощью вентилятора создают воздушный поток в канале и засасывают капли воды, которые при определенных условиях могут содержаться в атмосфере. При образовании льда на чувствительных элементах датчиков сигнализаторов выдается сигнал "Обледенение". Известное устройство не может быть применено для обнаружения условий обледенения входных устройств газоперекачивающих агрегатов, поскольку, во-первых, конфигурация воздушного канала и его размеры подбираются под каждый двигатель, чтобы процессы обледенения одинаково протекали в воздушных каналах двигателя и устройства. Поскольку входные устройства различных ГПА могут конструктивно отличаться, то это потребует существенной переделки воздушных каналов сигнализаторов под каждую конструкцию входных устройств ГПА.

Во-вторых, поскольку в известном устройстве применяются сигнализаторы прямого действия, о чем свидетельствует отсутствие в описании [3] канала измерения температуры наружного воздуха, то известное устройство не будет определять наличие второго вида обледенения входных устройств ГПА.

Технической задачей изобретения является повышение достоверности обнаружения указанных двух видов обледенения входных устройств ГПА. Это достигается тем, что в устройстве для автоматического определения наличия условий обледенения входных устройств газонеперекачивающих агрегатов, содержащем воздушный канал с всасывающим вентилятором и регулируемым электрическим приводом, сигнализатор обледенения с датчиком, расположенным внутри канала, нагреватель воздуха перед вентилятором, воздушный канал между входной частью и вентилятором имеет прямолинейный участок, расположенный горизонтально, в котором размещен датчик сигнализатора обледенения.

Перед вентилятором устанавливают электротермический датчик сигнализатора косвенного действия, реагирующий как на капельно-жидкую, так и на кристаллическую фазы облачной воды [4]. Электротермические датчики таких сигнализаторов включают в себя датчик полной водности и датчик температуры наружного воздуха. Принцип работы датчика водности основан на использовании разности температур между двумя обогреваемыми термочувствительными элементами, на один из которых (рабочий чувствительный элемент) попадают облачные частицы, а на другой (компенсирующий чувствительный элемент) не попадают, поскольку от их попадания, но обдувается воздушным потоком и выполняет роль компенсации конвективной составляющей теплосъема. Поскольку рабочий и компенсирующий элементы обдуваются воздушным потоком по-разному, то при отсутствии облачных частиц и наличии воздушного потока также возникает некоторая разность температур, которая меняется в определенных пределах в зависимости от условий обдува (скорости, температуры и плотности воздуха в потоке). Эта разность температур определяет чувствительность датчика водности и является пороговой. То есть сигнал о наличии капельно-жидкой влаги или кристаллов льда появляется только в том случае, если разность температур на чувствительных элементах превысит пороговое значение.

При исследованиях процессов обледенения входных устройств ГПА было получено, что эти процессы развиваются, с одной стороны, при температуре наружного воздуха ниже +5^oС, с другой стороны, при водности, равной и превышающей 0,05 г/м³, причем такая минимальная водность имеет место в капельно-жидком облаке (тумане). Поскольку перед входной частью воздушного канала, который находится в атмосферных условиях, меняются температура окружающего воздуха, скорость и направление ветра, то это приводит к тому, что пороговая разность температур соответствует водности, в несколько раз превышающей минимальное значение, равное 0,05 г/м³. В связи с этим, для обеспечения требования по реакции датчика водности на минимальное значение, равное 0,05 г/м³, в устройство вводится концентратор капель, который обеспечивает периодическое попадание на рабочий чувствительный элемент достаточно крупных капель воды, которые вызывают резкое увеличение разности температур на чувствительных элементах и выход этой разности температур за пороговое значение.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг.2, на которой показано сечение воздушного канала по оси симметрии. Воздушный канал, расположенный горизонтально, имеет входной участок (1), выполненный по лемнискате, и прямолинейный участок (2), внутри которого по оси симметрии канала установлены датчик сигнализатора обледенения (3) и концентратор водяных капель. Концентратор капель установлен между входным участком канала и датчиком водности сигнализатора и представляет из себя обогреваемый электричеством стержень (4), на котором установлен датчик температуры (5) поверхности стержня. Основание стержня закреплено в верхней части канала и его поверхность наклонена по направлению воздушного потока (V_п) в сторону рабочего чувствительного элемента (10) датчика водности так, чтобы свободный конец стержня (6) находился на уровне центра рабочего чувствительного элемента. На конце воздушного канала установлен всасывающий вентилятор (7) с регулируемым электрическим приводом, который создает воздушный поток в канале и обеспечивает засасывание облачных частиц в канал. На входном участке канала (1) и между датчиком сигнализатора обледенения и вентилятором установлены электрические нагреватели соответственно (8) и (9), которые обеспечивают периодическое удаление льда с элементов канала и вентилятора. Нагреватель стержня (4), нагреватели (8) и (9), датчик температуры (5), датчик сигнализатора обледенения и вентилятор связаны между собой через электронные блоки, которые обеспечивают их функционирование по заданному алгоритму и настроены на выделение максимальной температуры +5^oС, ниже которой происходит процесс обледенения агрегатов.

Функционирование устройства происходит следующим образом.

При температуре наружного воздуха ниже +5^oС, которая регистрируется датчиком температуры (11) сигнализатора обледенения, происходит автоматическое включение сигнализатора обледенения, нагревателя стержня концентратора капель и привода вентилятора на номинальную мощность, при этом в канале создается воздушный поток, который обеспечивает засасывание в канал различных мелких частиц, находящихся в атмосфере. Поверхность стержня концентратора капель разогревается на 2...5^oС выше точки замерзания воды (0^oС) и температура поверхности стержня поддерживается на данном уровне с помощью электронного блока и датчика температуры (5). Когда у земли в районе расположения устройства происходит снегопад или имеется туман, то кристаллы льда или капельки воды под действием воздушного потока попадают на рабочий чувствительный элемент датчика водности и на поверхность стержня концентратора капель (снежинки при этом растапливаются). Капельки воды диаметром от единиц до нескольких сотен микрон сливаются на поверхности стержня в более крупные капли, которые под действием собственного веса и составляющей вектора скорости потока, направленной вдоль поверхности стержня вниз, стекают на свободный конец стержня, еще более укрупняются, затем срываются в воздушный поток и попадают на рабочий чувствительный элемент. Далее происходит очередное накапливание воды на конце стержня и процесс попадания крупных капель воды на рабочий чувствительный элемент периодически повторяется. Периодическое резкое охлаждение рабочего чувствительного элемента датчика водности выводит разность температур чувствительных элементов за пороговое значение уже при водности 0,05 г/м³, что в свою очередь вызывает появление сигнала о наличии условий обледенения.

После появления сигнала об обледенении выдается сигнал на включение противообледенительной системы ГПА, затем привод вентилятора включается кратковременно при пониженной мощности всасывания воздуха и нагреватели входной части канала и воздуха перед вентилятором включаются кратковременно при пониженной мощности всасывания воздуха, на которую переводят вентилятор после появления условий обледенения и на период достижения положительной температуры на элементах канала и вентилятора.

Время включения нагревателей функционально связано с температурой наружного воздуха для обеспечения полного очищения поверхностей ото льда. После этого вентилятор снова переводится на номинальный режим всасывания и процесс регистрации наличия условий обледенения повторяется. Сигнал "Обледенение" и сигнал на включение противообледенительной системы имеют временную задержку, превышающую максимальное время удаления льда с поверхностей устройства сигнализации, что обеспечивает непрерывную выдачу сигналов в непрерывных условиях обледенения. Периодический перевод вентилятора на пониженную мощность всасывания обеспечивает возможность удаления льда при относительно небольших мощностях нагрева, что экономит затраты энергии и повышает надежность нагревателей.

Если температура наружного воздуха поднимается выше +5^oС, то автоматически произойдет отключение вентилятора и после отработки временной задержки снимется сигнал об обледенении.

Поскольку стержень концентратора капель частично затеняет рабочий чувствительный элемент датчика водности, в результате чего на него в единицу времени будет меньше попадать капель, то толщина стержня не должна превышать десятой части ширины миделевого сечения рабочего чувствительного элемента датчика водности. Кроме того, температура поверхности стержня выбрана из тех соображений, чтобы на его поверхности, с одной стороны, не замерзала вода и расплавлялись кристаллы снега, а с другой стороны, не было сильного испарения воды, что может снизить чувствительность системы сигнализации об обледенении.

Источники информации
1. Р.Х. Тенишев, Б.А. Строганов и др. Противообледенительные системы летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1967, стр.219-221.

2. Авторское свидетельство СССР 1135690, кл. В 64 D 15/20, 1983, опубликовано в бюл. 3 от 23.01.1985 г.

3. Willcocks H.J. Icing conditions on sea level gas turbine engine test stands. AIAA Paper, 1082, 1237 (Условия обледенения при стендовых испытаниях газотурбинных двигателей, стр.33-34).

4. Авторское свидетельство СССР 1016936, кл. В 64 D 15/20, 1983.

Устройство предназначено для автономного определения наличия условий обледенения входных устройств газоперекачивающих агрегатов. Технической задачей изобретения является повышение достоверности обнаружения обледенения входных устройств ГПА. Это достигается тем, что в горизонтальном воздушном канале, установленном на входе всасывающего вентилятора, помещают датчик сигнализатора обледенения косвенного действия, состоящего из датчика полной водности и датчика температуры наружного воздуха. Между входной частью канала и датчиком водности помещают концентратор капель, состоящий из обогреваемого стержня, датчика температуры поверхности стержня и электронного блока, который обеспечивает поддержание на поверхности стержня температуры, равной +2. . . +5^oС. Основание стержня закреплено в верхней части канала, а свободный конец расположен на уровне центра чувствительного элемента датчика водности с наклоном в его сторону. Концентратор капель в условиях обледенения обеспечивает накапливание воды на поверхности стержня, течение ее на свободный конец, периодический срыв в воздушный поток в виде крупных капель и попадание на датчик водности, на который, кроме того, непрерывно попадают мелкие капли воды или кристаллы льда (снега), находящиеся в потоке. При появлении сигналов о том, что водность превышает некоторое пороговое значение и температура наружного воздуха ниже, например, +5^oС выдается сигнал "Обледенение" и автоматически включается противообледенительная система входного устройства газоперекачивающего агрегата. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для автономного определения наличия условий обледенения входных устройств газоперекачивающих агрегатов, содержащее воздушный канал с всасывающим вентилятором и регулируемым электрическим приводом, сигнализатор обледенения с датчиком, расположенным внутри канала, нагреватель воздуха перед вентилятором, отличающееся тем, что воздушный канал между входной частью и вентилятором имеет прямолинейный участок, расположенный горизонтально, в котором размещен датчик сигнализатора обледенения, содержащий датчик полной водности и датчик температуры наружного воздуха, причем на прямолинейном участке между входной частью канала и датчиком водности размещен концентратор водяных капель, содержащий обогреваемый стержень с датчиком температуры его поверхности, при этом основание стержня закреплено в верхней части канала, свободный конец расположен на уровне центра чувствительного элемента датчика водности с наклоном в его сторону и по направлению воздушного потока, а толщина стержня не превышает десятой части ширины миделевого сечения чувствительного элемента датчика водности и на поверхности стержня поддерживают температуру нагрева на 2-5^oС выше точки замерзания воды. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что датчик температуры наружного воздуха соединен с электронным блоком, настроенным на выделение максимальной температуры +5^oС, ниже которой происходит процесс обледенения агрегатов. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на входной части воздушного канала установлен нагреватель. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нагреватели входной части канала и воздуха перед вентилятором включают кратковременно при пониженной мощности всасывания воздуха, на которую переводят вентилятор после появления условий обледенения и на период достижения положительной температуры на элементах канала и вентилятора.