Устройство для борьбы с кристаллическим обледенением двигателей ТРДД Российский патент 2024 года по МПК F02C7/47 F02C9/00 B64D15/22 

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности к системам защиты двигателей самолетов от кристаллического обледенения.

В начале 90-х годов произошел ряд авиационных происшествий с двигателями крупных транспортных самолетов на высотах выше 8500 м, при температурах окружающего воздуха -40°С и ниже. Происходило неуправляемое снижение тяги, вплоть до заглохания двигателя.

Обледенение в качестве причины этих происшествий вначале не рассматривались, так как обычно на таких высотах и при таких температурах обледенение самолетов не происходит.

Инциденты происходили на уровнях тяги от 90 до 100% от максимальной крейсерской мощности. Двигатель самопроизвольно снижал обороты до холостого хода и даже мог заглохнуть. Спад оборотов двигателя был также связан с повышением температуры газовой турбины (ТГТ) и отказом двигателя реагировать на команды пилота по управлению тягой. Это явление получило название "rollback (откат)" двигателя. При наземном осмотре заглохшего двигателя часто можно было обнаружить повреждение лопаток компрессора.

События с двигателями были распределены по разным районам земного шара: над центральной и юго-восточной частями Соединенных Штатов, центральной и восточной частями Южной Америки, в центральной Европе и в центральной Азии. Но чаще всего эти события случались в районе Юго-Восточной Азии. Было высказано предположение, что повышенная интенсивность происшествий в этих районах вызвана сочетанием метеорологических факторов и значительным трафиком воздушного движения. С 1990-х годов по 2006 г.насчитывалось более 240 случаев, связанных с нарушением работы двигателей («Core engine Icing Strikes Russian 747-8F», International research plan defined for icing study as Boeing and GE test countermeasures, Sep.2, 2013 Guy Norris, Aviation Week@ Space Technology).

В 2013 году произошло неожиданное повреждение трех из четырех двигателей на самолете Boeing 747-8F1 компании AirBridge Cargo во время полета на высоте 41000 футов вблизи города Чэнду, Китай, когда, как полагают, он испытал попадание в кристаллическое облако. В том же году авиакомпания Boeing сообщила о случаях перебоев в работе двигателей своих новых самолетов В747-8 и В787 Dreamliner с двигателями General Electric при пролете вблизи тропических штормов. Двигатели испытали временную потерю тяги при полете на высотах более 30000 футов.

Когда количество авиационных происшествий перевалило за сотню, были созданы международные рабочие группы по исследованию событий с нарушениями в работе авиадвигателей и рабочая группа по гармонизации двигателей (EHWG) для выработки рекомендаций по борьбе с этим явлением.

В результате проведенных исследований было выявлено, что происшествия с двигателями происходят в области больших скоплений кристаллов льда на больших высотах. Такие концентрации ледяных кристаллов могут образоваться в тропическом и субтропическом географических поясах вблизи районов штормов или циклонов при высокой конвективной турбулизации воздушных масс. Большое количество паров воды конвективным потоком выносится на высоту тропосферы и там образует так называемую «колокольню» облака -область высокой концентрации ледяных кристаллов.

Обычные кристаллические облака (перистые) имеют концентрацию ледяных кристаллов порядка 0,001-0,002 г/м³ и не представляют угрозы обледенения для воздушных судов. В области «колокольни» концентрация ледяных кристаллов может доходить теоретически до 8 г/м³, но чаще может составлять до 4 г/м³.

Считалось, что на высотах более 6000 м и при температурах ниже -30°С вся вода в облаках может находиться только в виде кристаллов льда и не представляет угрозы для самолетов, так как ледяные частицы отскакивают от холодных поверхностей самолета и не приводят к отложению и накоплению льда на них.

Однако, как было выявлено, при высоких концентрациях ледяных кристаллов (от 0,2 до 4 г/м³), характерных для районов рядом со штормами, ледяные кристаллы могут откладываться на начальных ступенях компрессора двигателя и вызывать нарушения в его работе. Нарушения происходят из-за образования ледяных наростов на статорных пластинах компрессора низкого давления. Такой вид обледенения, в отличие от обычного («классического»), в облаке из переохлажденных водных капель получил название «кристаллического».

Характерные нарушения в работе двигателей при кристаллическом обледенении: помпаж, «откат», повышение температуры воздуха в турбине, срыв пламени. Таким нарушениям подвержены турбовентиляторные двигатели.

При классическом обледенении переохлажденные водные капли, сталкиваясь с холодной поверхностью, практически мгновенно замерзают и образуют различной формы ледяные наросты, ухудшающие аэродинамические качества самолета. При кристаллическом обледенении двигателя ледяные кристаллы не пристают к холодным поверхностям воздухозаборника и вентилятора, а проходят внутрь компрессора. В процессе сжатия воздуха в компрессоре и повышении его температуры до положительных значений кристаллы начинают плавиться и образовывать пленку воды на статорных лопатках компрессора. К этой пленке воды начинают прилипать следующие ледяные кристаллы и образовывать ледяные наросты, перекрывающие проходное сечение компрессора, инициируя возникновение «отката» и остановку двигателя.

Проблема кристаллического обледенения усугубляется тем, что оно происходит внезапно, без видимых причин его приближения. Большинство штатных датчиков обледенения транспортных самолетов - вибрационного принципа действия. Они сообщают экипажу о начале обледенения, когда на чувствительном элементе датчика (штыре или мембране) образуется ледяная корка толщиной более 0,5 мм. Но в кристаллическом облаке на чувствительных элементах датчиков, также как и на других внешних поверхностях самолета, ледяная корка не образуется, так как кристаллы льда сдуваются с них воздушным потоком, и поэтому отсутствуют видимые признаки обледенения. Кристаллическому обледенению подвержены только внутренние элементы двигателя (статорные пластины компрессора) в области положительных температур, где происходит плавление ледяных кристаллов.

Непосредственным предвестником останова двигателя является самопроизвольное снижение оборотов N1 вентилятора и снижение тяги двигателя. При этом обороты компрессора высокого давления N2 некоторое время остаются неизменными. При самопроизвольном снижении оборотов N1 на 30÷40% происходит переход двигателя в режим холостого хода или даже останов двигателя.

Необходимо было срочно найти меры борьбы с кристаллическим обледенением. До решения проблемы с кристаллическим обледенением пилотам транспортных самолетов было рекомендовано избегать потенциальных зон высотного скопления ледяных кристаллов (в районе штормов) на расстоянии не менее 20 морских миль.

По предложению созданных рабочих групп EHWG условия кристаллического обледенения были введены в нормативные документы по сертификации воздушных судов. В 2014 году в американские нормы летной годности FAR-25, FAR-33 было введено Приложение О: условие обледенения «Смешанная фаза и кристаллы льда». В 2015 эта норма была введена в европейские CS-25. В 2019 г. эти условия обледенения были введены в российские нормы АП-25 и АП-33 в виде Дополнения 9.

Ученые и авиационные инженеры начали искать пути решения проблемы кристаллического обледенения.

Рассмотрим некоторые из них.

Уровень техники.

Компания Боинг в качестве борьбы с кристаллическим обледенением двигателей GEnx предложила так называемую «перегазовку» («Anti-core icing strategies emerge as FAA relaxes restrictions on GEnx-powered 747-8 and Higher Altitudes Cleared For GE-Powered 787», 747-8 In Icing, February 27, 201, 787, www.GenxIcingProblem-PPRuneForum). Эта процедура заключается в сбросе части воздуха через отверстия в корпусе между компрессорами низкого (КНД) и высокого (КВД) давления. Эта процедура применяется для предотвращения помпажа двигателя при высоких оборотах ротора компрессора на низких высотах, например, при наземной гонке двигателя или на режиме взлета. Помпаж случается от рассогласования работы компрессоров низкого и высокого давления, когда компрессор высокого давления не может пропустить через себя весь объем воздуха, нагнетаемого компрессором низкого давления. На этот случай в корпусе двигателя между компрессорами низкого и высокого давления имеются специальные окна, которые открываются, и избыток воздуха от КНД сбрасывается наружу.

Боинг предложил использовать такую «перегазовку» для сбрасывания образовавшихся на пластинах КНД при кристаллическом обледенении ледяных наростов наружу через отверстия в корпусе. При этом кристаллическое обледенение не предотвращается, а образовавшиеся на лопатках компрессора низкого давления ледяные наросты сбрасываются наружу через межкомпрессорные окна увеличенным воздушным потоком. Но при этом часть ледяных кусков может попасть в компрессор высокого давления и повредить его лопатки или же привести к срыву пламени при попадании их в камеру сгорания. Кроме того, кристаллическое обледенение двигателей может происходить на крейсерском режиме работы двигателя, когда межкомпрессорные окна закрыты.

По патенту США №9642190 «Встроенная противообледенительная система турбовентиляторного двигателя» известно устройство для борьбы с кристаллическим обледенением двигателей ТРДД (турбовентиляторного двухконтурного двигателя) большой степени двухконтурности. По этому патенту в двигатель ТРДД встраивается противообледенительная система (embedded turbofan deicer system (ETDS)). Противообледенительная система ETDS, по замыслу авторов, должна предупреждать кристаллическое обледенение лопаток компрессора с помощью нагревательных элементов, прикрепленных к вращающимся частям двигателя. Нагрев элементов производится с помощью электроэнергии, а устройством для выработки электроэнергии является генератор на постоянных магнитах (permanent magnet electric generator (PMEG)), преобразующий энергию вращения ротора двигателя в электричество. Постоянные магниты закреплены на корпусе компрессора, а на лопатках компрессора закреплены катушки, образуя таким образом электромагнитную систему, вырабатывающую электроэнергию.

Предлагаемое в патенте США устройство слишком усложняет конструкцию ТРДД. По сути, это новый двигатель, вернее гибрид ТРДД с электрогенератором. А если учесть, что кристаллическое обледенение при всей его опасности не такое уж частое явление на фоне нескольких миллионах авиарейсов в год, то предлагаемое предложение явно нерационально и экономически нецелесообразно.

Известно также устройство для защиты от обледенения авиационного двигателя по патенту США №7921632 «Устройство защиты от обледенения авиационных двигателей и соответствующий способ противообледенительной защиты».

Борьба с обледенением в этом устройстве также предполагает сброс наростов льда за счет его центрифугирования при повышенных оборотах двигателя.

Устройство для защиты от обледенения двигателя содержит расположенный в воздухозаборнике двигателя чувствительный к количеству скопившегося льда датчик в виде вибрирующего пальцевого зонда, средство измерения температуры воздуха на впуске двигателя, систему измерения упомянутого количества льда и сравнения этого количества льда с заданным порогом, а также систему реагирования, предназначенную для инициирования реакции на обнаружение превышения заданного порога. Ответом системы реагирования может быть аварийный сигнал, увеличение оборотов двигателя или подача горячего воздуха на вход двигателя.

Предпочтительный вариант способа по этому патенту включает увеличение скорости вращения вентилятора двигателя N1 до 70% от номинальной, обеспечивая тем самым сброс льда за счет центробежной силы.

Альтернативным вариантом устройства является устройство по п.1 этого патента, отличающееся тем, что включает систему возврата части горячего воздуха от компрессора на вход двигателя в качестве защиты от обледенения.

Для борьбы с кристаллическим обледенением действительно, наверное, самым эффективным способом является подогрев до положительных температур воздуха на всасывании двигателя.

Но в устройстве по патенту США №7921632 горячий воздух подается на вход двигателя перед вентиляторной ступенью. При кристаллическом обледенении вентилятор двигателя не подвержен обледенению, так как кристаллы льда не пристают к его холодной поверхности. Кристаллическое обледенение происходит в компрессорной части двигателя.

В турбовентиляторном двигателе с высокой степенью двухконтурности большая часть воздуха (до 80%) проходит через вентиляторную (или в английской транскрипции - байпасную) линию, и лишь малая часть (около 20%) идет через компрессор. При подаче горячего воздуха от ступеней компрессора высокого давления на вход вентиляторной ступени будет происходить подогрев всего входящего в двигатель воздуха. Чтобы нагреть до положительной температуры весь входящий в двигатель потока воздуха, никакого горячего воздуха из компрессора не хватит, на полезную работу (вращение вентилятора и создание тяги) ничего не останется.

До положительной температуры нужно подогреть только ту часть воздушного потока, которая входит в компрессор (20% от общего потока воздуха через двигатель).

Теперь рассмотрим противообледенительную систему (ПОС) самолета Ил-76 (Противообледенительная система самолета Ил-76, studopedia.su). Это наиболее близкий аналог предлагаемого устройства.

В воздушно-тепловой ПОС самолета Ил-76 с помощью горячего воздуха от компрессора высокого давления происходит обогрев передних кромок крыльев, хвостового оперения и воздухозаборника. Часть горячего воздуха поступает на обогрев лопаток входного направляющего аппарата компрессора.

ПОС Ил-76 нацелена на защиту от «классического» обледенения, когда обледенение происходит от переохлажденных водяных капель. Это составляет, наверное, более 99% всех случаев обледенения воздушных судов. И только в 1% случаев обледенения воздушных судов самолет может попасть в условия кристаллического обледенения.

При «классическом» обледенении основной расход горячего воздуха направляется на обогрев внешних поверхностей самолета: передних кромок крыльев, хвостового оперения, воздухозаборника.

При «кристаллическом» обледенении, как уже было выше сказано, внешние поверхности самолета обледенению не подвержены, и поэтому весь располагаемый запас горячего воздуха можно употребить на подогрев воздуха, идущего в компрессор низкого давления. Для этого нужно изменить схему подачи горячего воздуха в соответствии с предлагаемым устройством.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в предотвращении кристаллического обледенения лопаток компрессора низкого давления путем подогрева входящего в компрессор воздуха, содержащего кристаллы льда, до температуры расплавления этих кристаллов.

Для достижения указанного технического результата в устройстве для предупреждения кристаллического обледенения турбореактивного двухконтурного двигателя, содержащее основной трубопровод отвода горячего воздуха от ступеней компрессора высокого давления и подвода его через установленные на указанном трубопроводе заслонку и регулятор давления к передним кромкам воздухозаборника двигателя, передним кромкам крыльев и хвостового оперения, на основном трубопроводе отвода горячего воздуха дополнительно установлен вспомогательный трубопровод, идущий от основного трубопровода на вход компрессора низкого давления. На основном и вспомогательном трубопроводах установлены первый и второй отсечные клапаны соответственно, к которым подключен блок управления отсечными клапанами, обеспечивающий работу клапанов в противофазе - при открытом первом клапане второй клапан закрыт и наоборот. Блок управления отсечными клапанами содержит модуль сигнализации о кристаллическом обледенении, который сравнивает обороты вентилятора N1 и компрессора высокого давления N2 и при обнаружении рассогласования оборотов N1 и N2 между собой и несогласованном их реагировании на положение РУДа и при непреднамеренном снижении оборотов N1 более, чем на 30%, выдает сигнал на модуль переключения блока управления отсечными клапанами на переключение положения отсечных клапанов из положения основного режима - первый клапан открыт, второй закрыт, когда горячий воздух подается к передним кромкам воздухозаборника, крыльев и хвостового оперения, на дополнительное - первый клапан закрыт, второй открыт, когда весь располагаемый расход горячего воздуха подается непосредственно на всасывание компрессора низкого давления.

Сущность изобретения

Работа устройства поясняется фигурой 1.

Предлагаемое устройство содержит основной трубопровод 1 для отвода горячего воздуха от ступеней компрессора высокого давления (КВД) 11 и подвода его через установленные на указанном трубопроводе заслонку 2 и регулятор давления 3 с датчиком давления 4 к передней кромке воздухозаборника 5. На трубопроводе 1 установлен первый отсечной клапан 6. Кроме того, имеется еще один - вспомогательный трубопровод 7 с установленным на нем вторым отсечным клапаном 8 для подачи горячего воздуха на всасывание компрессора низкого давления (КНД) 10. Блок управления отсечными клапанами 9 обеспечивает работу отсечных клапанов 6 и 8 в противофазе: когда один клапан открыт, второй клапан закрыт и наоборот.

В условиях обычного («классического») обледенения устройство работает в обычном типовом режиме, обогревая передние кромки воздухозаборника, крыльев и хвостового оперения. При этом клапан 6 открыт, а клапан 8 - закрыт. Горячий воздух по трубопроводу 1 подается к передним кромкам воздухозаборника, крыльев и хвостового оперения, обеспечивая их нагрев.

При попадании самолета в условия кристаллического обледенения блок управления 9 дает команду на закрытие клапана 6 и открытие клапана 8. При этом весь поток горячего воздуха по трубопроводу 7 пойдет на всасывание компрессора низкого давления 10 и подогреет воздушный поток, идущий в компрессор, до положительных температур, предотвращая тем самым кристаллическое обледенение лопаток компрессора.

Блок управления 9 выдает команду на переключение клапанов 6 и 8 в зависимости от соотношения оборотов N1 вентилятора и оборотов N2 компрессора высокого давления, поступающих с датчиков оборотов N1 и N2 (не показаны).

Как было выше сказано, в качестве сигнализаторов обледенения в настоящее время в основном применяются датчики обледенения вибрационного типа, которые не реагируют на условия кристаллического обледенения. Поэтому о начале кристаллического обледенения пилот может судить только по косвенным признакам, например, по непреднамеренному снижению оборотов двигателя N1, когда кристаллическое обледенение уже произошло.

Заглоханию двигателя предшествует рассогласование оборотов N1 и N2. Обычно эти обороты коррелируют между собой и согласованно реагируют на положение РУДа. При кристаллическом обледенении происходит рассогласование оборотов N1 и N2.

Модуль сигнализации о кристаллическом обледенении (не показан) блока управления 9 отслеживает обороты N1 и N2, и при непреднамеренном снижении оборотов N1 более, чем на 30%, выдает сигнал модуль переключения (не показан) блока 9 на переключение устройства предупреждения кристаллического обледенения в режим кристаллического обледенения, т.е. дает команду на закрытие клапана 6 и открытие клапана 8. Весь располагаемый расход горячего воздуха при этом направляется на вход компрессора низкого давления 10.

При этом обледенения холодных внешних аэродинамических поверхностей самолета и вентилятора двигателя не происходит, так как кристаллы от них отскакивают, не задерживаясь, а обледенения лопаток КНД не будет происходить потому, что температура воздуха на входе в КНД и далее по тракту компрессора будет положительной, и кристаллы льда будут плавиться.

Рассчитаем необходимый расход горячего воздуха из компрессора высокого давления для нагрева воздуха на входе в КНД до положительной температуры.

Обозначим соотношение между количеством горячего воздуха, отбираемого от КВД и количеством холодного воздуха G, поступающего на вход в КНД как g/G, и определим это соотношение.

Предположим, что турбореактивный двухконтурный двигатель имеет степень двухконтурности 4,0. Это значит, что через ступень вентилятора в байпасную линию проходит 80% общего воздушного потока через двигатель, который и создает основную часть реактивной тяги двигатель, а через сердечник двигателя, т.е. через компрессор и его горячую часть, проходят остальные 20% воздушного потока.

В воздушно-тепловую противообледенительную систему из КВД может отбираться до 13% воздушного потока.

Предположим, что самолет летит со скоростью 850 км/час на высоте 8500 м при температуре окружающего воздуха -50°С.

После вентилятора температура воздухаТ2 несколько повысится:

T₂=T₁*p₂/p₁

где р₂/p₁ - степень повышения давления в вентиляторной ступени, обычно это примерно 1,13.

Т₂=223°К * 1,13=252°К=-21°С.

Температура все еще остается отрицательной, даже с учетом температуры торможения.

При допущении, в первом приближении, что процесс смешения холодного и горячего воздуха будет происходить без теплообмена с корпусом компрессора и окружающей средой, уравнение теплового баланса при смешении горячего и холодного воздуха можно записать:

Qгв=Qхв,

где Qгв - количество теплоты, отбираемое от горячего воздуха КВД,

Qхв - количество теплоты, перешедшее к холодному воздуху на входе в КНД.

Qхв=ср* G (tвх- t0)

Qгв=cp* g (t2 - t0), где

ср - удельная теплоемкость воздуха,

G - расход воздуха через компрессор ТРДД,

tвх - температура воздуха, поступающего на вход КНД после вентилятора,

t2 - температура горячего воздуха, поступающего на вход КНД от КВД, t0=0°С.

Тогда

g/G=(t2 - t0)/ (tвx - t0)

При температуре горячего воздуха от КВД 450°С:

g/G=0,047=4,7%.

То есть для нагрева окружающего воздуха от -50°С до 0°С на входе в КНД потребуется около 5% горячего воздуха от КВД.

Это значительно меньше, чем расход воздуха, потребляемого на противообледенительную систему при «классическом» обледенении.

Таким образом, предлагаемое устройство для предупреждения кристаллического обледенения двигателя позволяет обеспечить защиту от обледенения как при классическом (капельном) обледенении, так и при кристаллическом обледенении.

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности к системам защиты двигателей самолетов от кристаллического обледенения. Устройство для предупреждения кристаллического обледенения турбореактивного двухконтурного двигателя содержит основной трубопровод отвода горячего воздуха от ступеней компрессора высокого давления и подвода его через установленные на указанном трубопроводе заслонку и регулятор давления к передним кромкам воздухозаборника. На вентиляторе и компрессоре высокого давления установлены датчики оборотов вентилятора и компрессора высокого давления. В устройстве дополнительно установлен еще один вспомогательный трубопровод, идущий от основного трубопровода, обеспечивающий подачу горячего воздуха при кристаллическом обледенении непосредственно на всасывание компрессора низкого давления. На основном и вспомогательном трубопроводах установлены первый и второй отсечные клапаны соответственно, к которым подключен блок управления отсечными клапанами, обеспечивающий работу клапанов в противофазе - при открытом первом клапане второй клапан закрыт и наоборот. Блок управления отсечными клапанами содержит модуль сигнализации о кристаллическом обледенении, обеспечивающий сравнение оборотов вентилятора N1 и компрессора высокого давления N2 и при обнаружении рассогласования оборотов N1 и N2 между собой и несогласованном их реагировании на положение РУДа и при непреднамеренном снижении оборотов N1 более чем на 30% выдающий сигнал на модуль переключения блока управления отсечными клапанами на переключение положения отсечных клапанов из положения основного режима - первый клапан открыт, второй закрыт, когда горячий воздух подается к передним кромкам воздухозаборника, крыльев и хвостового оперения, на дополнительное - первый клапан закрыт, второй открыт, когда весь располагаемый расход горячего воздуха подается непосредственно на всасывание компрессора низкого давления. Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в предотвращении кристаллического обледенения лопаток компрессора низкого давления путем подогрева входящего в компрессор воздуха, содержащего кристаллы льда, до температуры расплавления этих кристаллов. 1 ил.

Устройство для предупреждения кристаллического обледенения турбореактивного двухконтурного двигателя, содержащее основной трубопровод отвода горячего воздуха от ступеней компрессора высокого давления и подвода его через установленные на указанном трубопроводе заслонку и регулятор давления к передним кромкам воздухозаборника двигателя, передним кромкам крыльев и хвостового оперения, отличающееся тем, что на основном трубопроводе отвода горячего воздуха дополнительно установлен вспомогательный трубопровод, идущий от основного трубопровода на вход компрессора низкого давления, и на основном и вспомогательном трубопроводах установлены первый и второй отсечные клапаны соответственно, к которым подключен блок управления отсечными клапанами, обеспечивающий работу клапанов в противофазе - при открытом первом клапане второй клапан закрыт и наоборот; при этом блок управления отсечными клапанами содержит модуль сигнализации о кристаллическом обледенении, обеспечивающий сравнение оборотов вентилятора N1 и компрессора высокого давления N2 и при обнаружении рассогласования оборотов N1 и N2 между собой и несогласованном их реагировании на положение РУДа и при непреднамеренном снижении оборотов N1 более чем на 30% выдающий сигнал на модуль переключения блока управления отсечными клапанами на переключение положения отсечных клапанов из положения основного режима - первый клапан открыт, второй закрыт, когда горячий воздух подается к передним кромкам воздухозаборника, крыльев и хвостового оперения, на дополнительное - первый клапан закрыт, второй открыт, когда весь располагаемый расход горячего воздуха подается непосредственно на всасывание компрессора низкого давления.