Устройство для отбора проб воздуха от авиационных газотурбинных двигателей при проведении испытаний на летающих лабораториях и высотных стендах Российский патент 2024 года по МПК G01N1/22 G01M15/14 

Изобретение относится к технике отбора образцов проб воздуха, отбираемых от компрессора авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) для исследования степени загрязнения воздуха продуктами, поступающими вместе с воздухом в систему кондиционирования воздуха (СКВ), а также определения состава вредных примесей, опасных концентраций в воздухе газов и паров с целью повышения чувствительности и точности определения оценки степени загрязнения воздуха.

Основной источник загрязнения воздуха кабин летательных аппаратов - унос смазочного масла из передних опор двигателей с его последующим полным или частичным разложением в тракте компрессора газотурбинного двигателя на разных режимах его работы. Сложная смесь, содержащая пары и аэрозоли смазочного масла, пары углеводородов, акролеина, формальдегида, фенола и других продуктов разложения масла поступает из системы кондиционирования воздуха в кабину ЛА.

Предлагаемое устройство может быть использовано при заводских и сертификационных испытаниях ГТД на летающих лабораториях (ЛЛ) на соответствие требованиям п. 25.831 НЛГ 25 и п.п. 33.66 и 33.75 НЛГ 33 (Авиационные правила. Часть 25. Нормы летной годности самолетов транспортной категории НЛГ 25, 2022; Часть 33. Нормы летной годности двигателей воздушных судов НЛГ 25, 2023). Данный вид испытаний на ЛЛ проводится на современных ГТД в дополнении к стендовым, так условия работы двигателя на стенде и в условиях реального полета сильно отличаются, что может приводить к ошибке в оценке маслозащищенности системы кондиционирования самолета от попадания масла двигателя.

Известен «Стенд для испытания газотурбинного двигателя» (патент на полезную модель Российской Федерации №44820, опубл. 27.03.2005 г.), который содержит устройство для отбора образцов проб газа и может быть использован при снятии экологических характеристик ГТД. Устройство для отбора образцов проб газа содержит прибор-анализатор, пробоотборники, размещенные на выходе двигателя, и трубопроводы с быстродействующими запорами и регулирующими органами, трубопровод, соединяющий прибор-анализатор с быстродействующими запорными органами, имеет обогреваемый участок, выполненный в виде теплообменника «труба в трубе», где для установки требуемой температуры пробы отобранного газа непосредственно перед отбором пробы газа вход в прибор-анализатор открывает регулирующий орган, а затем его закрывают быстродействующим запорным и регулирующим органом, при этом устройство снабжено датчиком температуры, подключенным к регистрирующему прибору,

Однако из-за особенностей технической компоновки данный стенд может быть использован преимущественно для отбора эмиссионных газов.

Известны устройства для отбора проб воздуха ГТД в виде длинного трубопровода (выходит за пределы бокса, где проходят испытания ГТД) и устройства для концентрирования примесей в виде поглотительных сосудов или патронов с адсорбентом, которые затем идут на проведение анализа (Методика по проверке чистоты воздуха, отбираемого для нужд ЛА, ФГУП «Завод им. В.Я. Климова», № Н28Ин161, 2005 г.).

Так как сброс давления и температуры воздуха здесь происходит в трубопроводе (это приводит к оседанию здесь большей части примесей воздуха и, соответственно, к ошибке анализа), то к конструкции устройств для концентрирования (пробоотборников) особых требований не предъявляется. Такие устройства до последнего времени использовались на большинстве предприятий авиационного двигателестроения.

Недостаток таких устройств - оседание примесей в трубопроводе до поглотительных патронов, длительное время отбора и необходимость перезарядки их свежей порцией сорбента, требующего специальной подготовки.

Известно устройство для отбора проб аэрозолей масла от ГТД, описанное в патенте США "Detection of oil in turbine engine bleed air" на способ определения утечек масла из ГТД №6957569 (опубл. 25.10.2005 г.). В описанном способе поток воздуха от компрессора ГТД поступает в металлическую камеру, где в режиме реального осуществляется счет аэрозольных частиц масла спектральным способом. Речь идет только об аэрозоле масла и собственно дискретного пробоотбора не производится. Нас же согласно Авиационным правилам интересует гораздо более широкий перечень загрязняющих воздух веществ, да и масло находится в воздухе как в виде аэрозоля, так и в виде паров, которые в настоящем способе вообще не определяются.

Известно «Устройство для отбора проб воздуха от авиационных газотурбинных двигателей при проведении испытаний на летающих лабораториях» (патент Российской Федерации №2624159, опубл. 30.06.2017 г.). Здесь для уменьшения габаритов уменьшено количество отбираемых параллельных проб, что часто бывает невыполнимо (ограничение по количеству полетов). Также используются вакуумированые емкости, вакуум в которых должен сохраняться длительное время во время значительных вибрационных нагрузок (необходимо размещение рядом с работающим двигателем), что часто затруднительно.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство, описанное в МУ 1.1.258-99 (введено 01.07.2000 НИИСУ), выполненное в виде системы отбора проб воздуха авиационных ГТД (СОП), включающей диффузор, тройники с жиклерами, пробоотборники с концентраторами, электромагнитные клапана, вакуумированные емкости с датчиками давления, вакуумный насос и соединительные трубки. Воздух, отбираемый от ГТД, попадает на вход пробоотборников через передаточные устройства минимальных размеров и лишь незначительно снижает температуру до входа в концентратор. После отбора пробоотборники разбираются, концентраторы без разборки идут на хроматографический анализ методом десорбции примесей в испаритель хроматографа, после чего они снова пригодны для отбора без специальной очистки. Недостатком этого устройства является достаточно громоздкая конструкция (вес более 50 кг) с большим количеством элементов, которые в условиях полета необходимо жестко фиксировать. Кроме того, одни и те же емкости в СОП обслуживают разные пробоотборники, что требует установку в системе вакуумного насоса для их периодического вакуумирования, а воздух самих емкостей после пробоотбора и измерения давления не идет на анализ, что сокращает перечень компонентов, на которые возможен контроль отбираемого воздуха. Существует и более усложненный вариант данного устройства, описанный в патенте Российской Федерации №2494366 «Комплекс для отбора проб воздуха», опубл. 27.09.2013, а также в статье «О вопросах отбора и газохроматографического анализа проб воздуха при стендовых испытаниях газотурбинных двигателей» (Чулин И.Н., Методы и приборы контроля и диагностики материалов, изделий, веществ и природной среды, doi: https://doi.org/10.23670/iri.2023.128.68., 2023 г.) с добавлением дополнительных вакуумированных емкостей с датчиками, что еще более утяжеляет конструкцию и увеличивает ее габариты, а отличия не принципиальны, и здесь поэтому как прототип не рассматривается.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в уменьшении габаритов устройства без ухудшения его метрологических характеристик для возможности установки на летающую лабораторию и высотные стенды.

Для достижения этого технического результата в устройстве для отбора проб воздуха от авиационных газотурбинных двигателей при проведении испытаний на летающих лабораториях, содержащем диффузор с внутренним соплом, ориентированным по направлению потока, отбираемого от газотурбинного двигателя воздуха, тройник, электромагнитные клапаны, электромагнитные клапаны, запитываемые через выключатели с пульта управления, пробоотборники с встроенными концентраторами с сорбентом и емкость с встроенными датчиками температуры и давления, параметры которых передаются на измерительный пульт, единственная в данном устройстве емкость не вакуумируется, а внутри емкости расположен свободно перемещающийся поршень, т.е. расход воздуха через концентраторы происходит не за счет ваккумирования, а за счет поступления воздуха с избыточным давлением от двигателя, приводящего в движение внутренний поршень. Воздух после пробоотборника поступает через электромагнитный клапан и пробоотборник с одной стороны поршня и выпуск воздуха при перемещении поршня через электромагнитный клапан из емкости через электромагнитный клапан с другой стороны поршня. Каждый пробоотборник содержит три концентратора с сорбентом, сопротивление прокачиванию воздуха которых регулируется на каждом ввинчиванием в хвостовике конического стержня с шаровым окончанием для обеспечения дросселирующего эффекта до одинаковых значений на всех концентраторах. На торцах емкости выполнены дополнительные штуцера с заглушками для подготовительного перемещения поршня в исходное положение (крайне левое) с помощью вводимого в них стержня и промывки емкости.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства для отбора проб воздуха авиационных газотурбинных двигателей при проведении испытаний на летающих лабораториях, где:

1 - диффузор,

2 - сопло,

3 - тройник,

4 - жиклер,

5 - пробоотборник,

6 - концентратор с хвостовиком,

7 - конический стержень с шаровым окончанием для обеспечения дросселирующего эффекта,

8-10 - электромагнитные клапана,

11 - пульт управления,

12 - тумблера,

13 - емкость,

14 - поршень,

15 - датчики температуры и давления,

16 - дополнительные штуцера с заглушками,

17 - измерительное устройство,

18 и 19 - электромагнитные клапана.

Предлагаемое устройство содержит диффузор 1 с внутренним соплом 2, ориентированным по потоку воздуха, отбираемого от ГТД, воздух от которого через тройник 3 с жиклером 4 может поступать через пробоотборник 5 (в устройстве три пробоотборника) через концентраторы с сорбентом 6 и с коническим стерженем с шаровым окончанием для обеспечения дросселирующего эффекта 7 (в каждом пробоотборнике три концентратора) через электромагнитные клапана 8-10, которые запитываются от пульта управления 11 с тумблерами 12 в емкость 13, выполненную в форме цилиндра с внутренним свободно передвигающимся внутри него поршнем 14. С обеих сторон цилиндра размещены датчики температуры и давления 15 и дополнительные штуцера с заглушками 16 для начального перемещения поршня в исходное состояние и промывки емкости. Датчики подключены к измерительному пульту 17, на котором высвечиваются показания по каждому датчику. Воздух из нерабочего пространства (куда не поступает воздух из пробоотборника) при перемещении поршня сбрасывается наружу через клапана 18 или 19. Пульт управления и измерительный пульт расположены в безопасной зоне, где располагается оператор.

Работа устройства.

До начала испытаний происходит регулировка динамического сопротивления воздушному потоку концентраторов 6 с помощью ввинчиваемых в них конических стержней 7. При этом добиваются одинакового расхода воздуха через все концентраторы при одинаковом давлении (обычно 1,5-2,0 атм), а поршень 14 при открытых заглушках патрубков 16 переводится вводимым через правый штуцер стержень в крайне левое положение.

Устройство, отрегулированное как сказано выше, монтируется в пилоне или проставке испытуемого двигателя на летающей лаборатории (или на высотном стенде). Воздух от фланца отбора ГТД постоянно при работе двигателя поступает в диффузор 1 и сбрасывается за борт. Часть его через сопло 2 и тройник 3 поступает на вход пробоотборника 5 (на все три) и, соответственно, в концентраторы с сорбентом при одновременном включении с пульта 11 тумблерами 12 (двух из 5, подключенных к соответствующим нормально закрытым электромагнитным клапанам). Первоначально на выбранном режиме работы ГТД включаются клапана 8 (отбор) и 19 (сброс). Под давлением отбираемого воздуха после прохождения через пробоотборник и клапан внутри емкости 13 начинается движение поршня 14. Температура и давление при этом фиксируются датчиками 15 на измерительном пульте 17. При перемещении поршня в крайне правое положение давление начинает расти. При его стабилизации в течение 5-10 сек отбор прекращается (тумблеры выключаются), и показания датчиков записываются оператором. На следующем режиме аналогичный отбор проводят включением клапанов 10 и 18, а затем 9 и 19.

После полета все устройство кроме диффузора и тройника демонтируется с самолета или стенда и отправляется в лабораторию. В лаборатории из пробоотборников извлекаются концентраторы, и далее согласно МУ 1.1.258-99 проводится их газохроматографический анализ на содержание органических примесей с учетом приведенного к нормальным условиям объемов отобранных проб воздуха.

Отсутствие в устройстве заранее отвакуумированных емкостей, чей вакуум трудно контролировать и избежать незапланированного пробоотбора и сокращение их количества до одной рабочей емкости существенно снижает габариты устройства и повышает точность проводимых измерений.

Изобретение относится к отбору образцов проб воздуха. Раскрыто устройство для отбора проб воздуха от авиационных газотурбинных двигателей при проведении испытаний на летающих лабораториях и высотных стендах, содержащее диффузор с внутренним соплом, ориентированным по направлению потока отбираемого от газотурбинного двигателя воздуха, тройник, электромагнитные клапаны, запитываемые через выключатели с пульта управления, пробоотборники с встроенными концентраторами и емкость с встроенными датчиками температуры и давления, параметры которых передаются на измерительный пульт, где единственная в данном устройстве емкость не вакуумируется, а внутри емкости расположен свободно перемещающийся поршень за счет поступления воздуха через электромагнитный клапан и пробоотборник с одной стороны поршня и выпуска воздуха при перемещении поршня через электромагнитный клапан из емкости через электромагнитный клапан с другой стороны поршня, на торцах емкости выполнены дополнительные штуцера с заглушками для подготовительного перемещения поршня и промывки емкости, пробоотборники выполнены с одновременным размещением трех концентраторов с вкручиваемыми в хвостовике коническими стрежнями с шаровым окончанием для обеспечения дросселирующего эффекта. Изобретение обеспечивает уменьшение габаритов устройства без ухудшения его метрологических характеристик для возможности установки на летающую лабораторию и высотные стенды. 2 ил., 1 пр.

Устройство для отбора проб воздуха от авиационных газотурбинных двигателей при проведении испытаний на летающих лабораториях и высотных стендах, содержащее диффузор с внутренним соплом, ориентированным по направлению потока отбираемого от газотурбинного двигателя воздуха, тройник, электромагнитные клапаны, запитываемые через выключатели с пульта управления, пробоотборники с встроенными концентраторами и емкость с встроенными датчиками температуры и давления, параметры которых передаются на измерительный пульт, отличающееся тем, что единственная в данном устройстве емкость не вакуумируется, а внутри емкости расположен свободно перемещающийся поршень за счет поступления воздуха через электромагнитный клапан и пробоотборник с одной стороны поршня и выпуска воздуха при перемещении поршня через электромагнитный клапан из емкости через электромагнитный клапан с другой стороны поршня, на торцах емкости выполнены дополнительные штуцера с заглушками для подготовительного перемещения поршня и промывки емкости, пробоотборники выполнены с одновременным размещением трех концентраторов с вкручиваемыми в хвостовике коническими стрежнями с шаровым окончанием для обеспечения дросселирующего эффекта.