МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОСИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ
КАФЕДРА ДВИГАТЕЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
ПОСОБИЕ К ЛАБОРАТОРНЫМ ЗАНЯТИЯМ НА ТЕХНИКЕ ПО АНАЛИЗУ КОНСТРУКЦИЙ УЗЛОВ ГТД
по дисциплине “Конструкция и прочность авиационных двигателей”
для студентов специальности 130300
по направлению
всех форм обучения
Москва – 2004
ПРОТИВОПОЖАРНАЯ И АНТИОБЛЕДЕНИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМЫ ГТД
1. Цель занятия
Изучение назначения основных параметров, условий работы и требований к системам пожаротушения и антиобледенения ГТД.
Ознакомление студентов с основными конструктивно-схемными решениями систем.
Изучение принципов подхода к инженерному анализу систем с учетом условий их работы и воздействия эксплуатационных факторов.
Ознакомление с методами анализа нарушения работоспособности, поиска причин отказов систем и разработки мер по их устранению и предупреждению.
Приобретение студентами навыков работы по самостоятельному анализу систем.
2. Методические основы построения занятия
Занятие проводится по подгруппам в течение четырёх часов учебного времени в помещениях специализированных классов учебной лаборатории, оснащённых образцами газотурбинных двигателей, их узлов и агрегатов.
Занятие состоит из рассказа преподавателя и последующей самостоятельной работы студентов под руководством преподавателя.
Преподаватель использует при проведении занятия макеты-разрезы двигателей, их узлы и агрегаты, а также видеотехнику, электронные носители, слайды, чертежи и плакаты.
Самостоятельная работа студентов проводится под руководством преподавателя группами численностью 5 – 6 человек. Каждая такая группа получает задание на самостоятельную работу по анализу системы пожаротушения или антиобледенения конкретного газотурбинного двигателя с использованием макета-разреза двигателя, его технического описания и чертежа. Задание содержит вопросы, на которые должны ответить студенты по результатам самостоятельного анализа конструкции.
2.3.СИСТЕМА ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ЗАЩИТЫ
2.3.1. О взрывоопасноСТИ смеси паров топлив с воздухом
Авиационное топливо представляет собой горючую и легковоспламеняющуюся жидкость, пары которой в смеси с воздухом взрывоопасны.
В условиях эксплуатации источником взрыва смеси паров топлива с воздухом могут быть:
1) открытое пламя;
2) электрическая искра;
3) разряд статического электричества;
4) самовоспламенение (в частности, от нагретых элементов, если температура их будет выше температуры самовоспламенения).
Взрывоопасность смеси паров топлива с воздухом оценивается следующими основными критериями:
1) температурными пределами взрывоопасности;
2) концентрационными пределами взрывоопасности.
Температурные пределы взрывоопасности.
Образование взрывоопасной смеси паров топлива с воздухом возможно только в определённых температурных пределах. В связи с этим принято рассматривать нижний и верхний температурные пределы взрывоопасности.
За нижний температурный предел взрывоопасности принимается та минимальная температура топлива, при которой давление паров топлива достигает такой величины, при которой в закрытом пространстве (баке) образуется взрывоопасная смесь. При дальнейшем охлаждении топлива смесь обедняется настолько, что становится трудновоспламеняющейся.
За верхний температурный предел взрывоопасности принимается та максимальная температура топлива, при которой смесь паров топлива с воздухом еще сохраняет взрывные свойства. При дальнейшем повышении температуры смесь настолько переобогащается парами топлива, что становится негорючей.
Таким образом нижний и верхний температурные пределы взрывоопасности образуют так называемую температурную зону взрывоопасности.
Температурная зона взрывоопасности с увеличением высоты полёта смещается в сторону более низких температур, так как вследствие уменьшения внешнего атмосферного давления испаряемость топлива увеличивается. По этой причине взрывоопасные смеси с увеличением высоты полёта образуются при более низких температурах, чем на земле.
На рис. 1, 2 и 3 представлены зависимости изменения температурных зон взрывоопасности с высотой полёта для смесей паров топлива Т-1, ТС-1 и Т-2 с воздухом [1].
Концентрационными пределами взрывоопасности принято называть. предельные концентрации паров топлива в воздухе, при которых возможно воспламенение смеси.
В табл. 1 приведены данные по концентрационным пределам взрывоопасности.
Таблица 1
Топливо | Плотность, г/см3 | Концентрационные пределы взрывоопасности | |
нижний | верхний | ||
Т-1 | 0,813 | 1,4 | 7,5 |
ТС-1 | 0,779 | 1,2 | 7,1 |
Т-2 | 0,765 | 1,1 | 6,8 |
2.3.2. Причины возникновения пожара
силовой установки
Основная причина возникновения пожара силовой установки — это воспламенение паров топлива или масла. Следовательно, в большинстве случаев пожар возникает в тех местах силовой установки, где находится топливо или масло, т. е. внутри топливных и масляных баков, а также в их отсеках, под капотом двигателя и внутри двигателя.
При соответствующих условиях пожар из указанных мест может распространиться на остальные элементы конструкции самолета. Пары топлива или масла могут образоваться в результате:
-пролива топлива или масла во время заправки;
-негерметичности элементов топливной или масляной систем;
-разрушения трубопроводов топливной или масляной системы;
-поражения элементов топливной или масляной системы при обрыве вращающихся частей двигателя;
Рис. 1. Зависимость изменения температурной зоны взрывоопасности смеси паров топлива Т-1 с воздухом по высоте полета (давление паров топлива 45 мм рт. ст. при температуре 38°С).
-удара самолета о землю (при аварии самолета);
- грубой посадки самолета (с убранными шасси) и в других случаях.
Рис. 2. Зависимость изменения температурной зоны взрывоопасности смеси паров топлива ТС-1 с воздухом по высоте полета (давление паров топлива 50 мм рт. ст. при температуре 38°С).
Источниками огня, приводящими к возникновению пожара, могут быть нагретые поверхности двигателя, выхлопная система, недопустимый нагрев подшипников, прогар элементов двигателя, факеление двигателя, электрическая искра, появляющаяся при неисправности или разрушении электропроводки, разряд статического электричества, который может возникнуть при движении топлива.
Рис. 3. Зависимость изменения температурной зоны взрывоопасности смеси паров топлива Т-2 с воздухом по высоте полета (давление паров топлива 100 мм рт. ст. при температуре 38°С).
По этим причинам противопожарная безопасность самолета зависит от целого комплекса мероприятий, в том числе от компоновки силовой установки, тщательности монтажа топливной и масляной систем, выхлопной системы и системы электропроводки, а также от качества и своевременности выполнения предполетных и регламентных работ.
Ликвидация очага пожара на самолете зависит от надежности функционирования противопожарной системы, специально предназначенной для этих целей.
Таким образом, система противопожарной защиты самолета — это комплекс мероприятий, в том числе профилактических, направленных на предупреждение возникновения пожара и заблаговременное ограждение от него наиболее воспламеняющихся элементов (профилактические противопожарные мероприятия), и специальных, направленных в случае возникновения пожара на его локализацию и ликвидацию (противопожарная система).
3. Профилактические противопожарные мероприятия
Профилактические мероприятия, направленные на предупреждение возникновения пожара и ограждения от него наиболее уязвимых в пожарном отношении элементов, весьма обширны и разнообразны. Определяются они, исходя из назначения самолета, типа и расположения на самолете двигателей, конструктивным выполнением топливной и масляной систем и совершенством их эксплуатации и обслуживания.
Однако имеется ряд общих рекомендаций, которых необходимо придерживаться как при проектировании, так и при эксплуатации силовых установок.
К числу таких профилактических мероприятий относятся:
разделение подкапотного пространства в гондолах двигателей при помощи противопожарных перегородок на отдельные зоны для обеспечения возможности предотвращения и распространения пожара, а также для ликвидации его в случае возникновения;
разделение пространства, занимаемого топливными баками на отдельные отсеки, изолированные между собой герметическими перегородками, исключающими растекание топлива;
установка огнестойких герметических перегородок, отделяющих отсеки двигателя от отсеков топливных баков;
расположение топливных и масляных трубопроводов вдали от выхлопной системы двигателя;
обеспечение необходимой вентиляции, т. е. обеспечение надежного удаления паров топлива и масла из мест, где они образуются, через выводы, расположенные вдали от выхлопа;
обеспечение тщательной герметизации мотогондолы, так как в случае пожара негерметичность её повышает скорость распространения пламени;
нежелательность размещения топливных баков внутри фюзеляжа и фюзеляжной части центроплана, т. е. вблизи размещения пассажиров;
Сведение в надтопливное пространство баков и полости, где могут скапливаться пары топлива, инертных газов (азота, углекислоты и т. п.);
размещение точек аварийного слива топлива таким образом, чтобы исключалось попадание топлива в струю горячих газов двигателя;
применение электрической, тепловой, звуковой и других изоляций, исключающих впитывание ими топлива и масла;
.нежелательность перекрещивания топливных и масляных коммуникаций воздушными;
расположение в пожароопасных зонах топливных и масляных коммуникаций ниже выхлопных и электрических коммуникаций;
расположение выхлопных трубопроводов в специальных защитных кожухах;
бронирование тех мест силовой установки, через которые возможно поражение элементов топливной системы, в том числе баков, в случае разрушения вращающихся элементов двигателя (лопаток и дисков турбины и компрессора и др.);
обеспечение достаточной вибростойкости трубопроводов и баков (применение гибких трубопроводов и упругой подвески баков);
применение металлизации трубопроводов для избежания скопления статического электричества;
применение в топливных магистралях противопожарных кранов, предназначаемых для быстрого (в случае необходимости) прекращения подачи топлива к двигателям;
применение жаростойких материалов при изготовлении элементов силовой установки, наиболее подверженных воздействию паров топлива и масла и высокой температуры;
исключение, по возможности, применения легкоплавких материалов, в том числе электрона;
применение в приводах агрегатов предельно-предохранительных муфт, отключающих агрегаты при их разрушении (из-за чрезмерного трения может возникнуть очаг пожара);
обеспечение пассажирской кабины и кабины экипажа самолета переносными огнетушителями с расположением их в легкодоступных местах и по возможности с постоянной температурой окружающего воздуха;
установка в пассажирских кабинах и грузовых отсеках самолета сигнализаторов появления дыма;
возможность включения противопожарной системы при посадке самолета с убранными шасси; расположение противопожарного оборудования в зонах, наиболее безопасных в пожарном отношении.
4. Противопожарная система
Для локализации и ликвидации пожара применяется противопожарная система, включающая в себя сигнальную и управляющую аппаратуры (средства обнаружения пожара и управления его тушением) и противопожарное оборудование, (средства подавления пожара).
Основные требования, предъявляемые к противопожарной системе. Противопожарная система должна:
1) быть надежной в работе на всех режимах и высотах полета самолета;
2) быстро подавать сигналы о возникновении пожара, быстро приводить в действие противопожарное оборудование и эффективно тушить пожар;
3) обеспечивать подачу огнегасительного состава в любой из защищаемых отсеков, включая мотогондолу и внутренние наиболее уязвимые в пожарном отношении полости двигателя (подшипники ТРД и ДТРД, подшипники и редуктор ТВД);
4) иметь запас огнегасительного состава, достаточный для тушения нескольких пожаров;
5) обеспечивать в защищаемых от пожара отсеках быстрое создание концентрации огнегасительного состава, достаточной по величине и времени ее поддержания;
6) быстро приводить противопожарное оборудование в состояние готовности после очередного к последующему срабатыванию;
7) автоматически приводится в действие от срабатывания сигнала «пожар» и в последующем вручную по усмотрению экипажа;
8) иметь управление, автоматически переключающееся с основной электросети на аварийную;
9) иметь специальное устройство, автоматически приводящее противопожарное оборудование в действие при посадке самолета с убранными шасси;
10) располагаться в местах, защищенных элементами конструкции от повреждения при посадке с убранными шасси;
11) быть герметичной и иметь устройство, предохраняющее ее от разрушения при повышении давления в огнетушителях выше допустимого;
12) иметь приборы сигнализации управления и контроля, сосредоточенные в одном месте на приборной доске и позволяющие легко определить место возникновения пожара и управлять его тушением;
13) быть малой по весу и размерам, стойкой против коррозии, простой в управлении и удобной при эксплуатации.
Сигнальная и управляющая аппаратура. Сигнальная и управляющая аппаратура предназначена подавать сигналы о возникновении пожара и управлять подачей огнегасительного состава к очагу пожара. Сигнальная и управляющая аппаратура включает в себя следующие основные элементы (рис. 4):
1) датчики (термоизвещатели), устанавливаемые в защищаемых от пожара отсеках и предназначенные для подачи сигнала о пожаре при повышении в окружающем их пространстве температуры свыше допустимой;
2) блоки электромагнитных кранов, предназначенные открывать доступ огнегасительного состава к очагам пожара;
3) сигнальные лампы (табло), тумблеры, кнопки контроля и управления, устанавливаемые на щитке в кабине экипажа и предназначенные для. оповещения о пожаре (иногда световая сигнализация о (пожаре дублируется звуковой).
Сигнальная и управляющая аппаратура должна:
1) быть надежной в действии, то есть полностью исключать ложные срабатывания;
2) подавать сигнал «пожар» и приводить в действие противопожарное оборудование за минимально возможное время с момента возникновения пожара;
3) обеспечивать многократность действия, то есть автоматическое повторное приведение противопожарного оборудования в рабочее состояние за минимально возможное время с момента ликвидации пожара;
4) обладать необходимой механической прочностью и стойкостью при действии нагрузок и огня.
Чувствительным элементом любой сигнальной и управляющей аппаратуры являются датчики, которые могут действовать по одному из следующих принципов:
воспламенение горючего элемента датчика;
расширение металла под действием высокой температуры;
плавление металла под действием высокой температуры;
Рис. 4. Принципиальная схема сигнальной и управляющей аппаратуры противопожарной системы: / — автомат защиты сети; 2 — реле включения баллонов огнетушителей первой очереди; 3 — кнопка включения баллонов огнетушителей второй очереди; 4—кнопка проверки системы сигнализации; 5 — лампа-кнопка; 6 — блок электромагнитных кранов; 7 — термодатчик сигнализации о пожаре; 8 — усилитель; 9 — реле включения противопожарной системы; 10 — реле для проверки исправности сигнальной лампы; // — пиропатроны затворов баллонов; — баллоны огнетушителей.
изменение температуры при помощи термопары.
Датчики, в которых используются первые три принципа, в том числе датчики-термоизвещатели мембранного типа (типа ТИ) из-за часто появляющихся в них дефектов, приводящих к ложному срабатыванию системы, в настоящее время не применяются.
В противопожарных системах современных самолетов в основном применяются датчики, действующие по последнему из отмеченных принципов. Эти датчики основаны на использовании термоэлектродвижущей силы, возникающей в них при изменении температуры окружающей среды.
Используются они, в частности, в системе сигнализации о пожаре ССП-2А, получившей широкое распространение во внешних противопожарных системах отечественных пассажирских самолетов (Ту-104, Ту-134, Ту-114, Ил-18, Ан-10 и Ан-24).
Несколько иной конструкции, но основанные на том же принципе, используются датчики в системе сигнализации ССП-7, применяемой во внутренних противопожарных системах (например, для тушения пожаров в зоне трансмиссии ротора турбины и в зоне лобового картера двигателя АИ-20).
В комплект сигнализации пожара ССП-2А входят датчики пожарной сигнализации ДПС-1АГ и исполнительный блок БИ-ПАД. Дифференциальный малоинерционный датчик ДПС-1АГ предназначен для создания термо-эдс. При возрастании температуры среды, окружающей датчик, со скоростью, превышающей скорость изменения температуры в нормальном рабочем режиме. Чувствительным элементом датчика является дифференциальная батарея, собранная из 8 хромель-копелевых термопар, сваренных последовательно. Исполнительный блок БИ-ПАД предназначен принимать сигналы от датчиков и подавать питание на реле противопожарной системы соответствующего отсека, из которого получен сигнал о пожаре.
Поляризованные низкоомные реле типа РПС-5 смонтированы непосредственно в исполнительном блоке. В исполнительном блоке смонтированы также электрические сопротивления, предназначенные для тарировки общего сопротивления цепи датчиков с целью обеспечения заданной температуры срабатывания системы ССП-2А.
Принцип действия системы в целом заключается в следующем.
При охвате датчиков воздушной средой, температура которой изменяется со скоростью не ниже 2 град/с, в термобатареях этих датчиков возникает термоэлектродвижущая сила, вызывающая в обмотке поляризованного реле ток, достаточный для срабатывания этого реле.
Поляризованное реле срабатывает и своими контактами замыкает цепь реле противопожарной системы самолета. Последнее своими концами включает световой (сигнальное табло) и одновременно звуковой сигналы в кабине экипажа о возникновении пожара в соответствующем отсеке. Одновременно с подачей сигнала автоматически включаются и средства пожаротушения, т. е. подается импульс к соленоиду электромагнитного крана, который замыкает цепь электрозапала пиропатрона головки-затвора огнетушителя. Головка-затвор огнетушителя при этом вскрывается и находящийся в баллоне огнегасительный состав под давлением углекислоты и воздуха выбрасывается по трубопроводу через коллектор в зону пожара.
Таким образом, срабатывает первая, т. е. автоматическая очередь огнетушителей. Если пожар потушен от первой очереди огнетушителей, то сигнальное табло гаснет.
Если через определённое время (указываемое в инструкции по эксплуатации системы) сигнальное табло не погасло, то необходимо вручную включить вторую очередь огнетушителей. При этом произойдет разряд остальных огнетушителей.
После тушения пожара при резком снижении температуры среды, окружающей датчики, сигнал о пожаре снимается и система сигнализации возвращается в состояние готовности к действию.
Рассмотренную систему сигнализации можно отнести к разряду так называемых точечных систем сигнализации, в которых датчики сигнализации располагаются в заранее определенных пожароопасных зонах и, следовательно, каждый в отдельности датчик реагирует на температуру определенного замкнутого объема воздуха, который его окружает. По этой причине количество точечных датчиков в каждом защищаемом от пожара отсеке приходится устанавливать по несколько штук (например, в комплексе системы ССП-2А имеется 20 датчиков).
В последнее время в противопожарных системах самолетов начинает находить широкое применение так называемая линейная система сигнализации о пожаре. Основу системы составляет термочувствительный провод, представляющий собой коаксиальный кабель, внешняя оболочка которого (диаметром 1,8—2,3 мм) изготовлена из нержавеющей стали и заполнена керамическим полупроводниковым материалом с большим отрицательным коэффициентом электрического сопротивления. Внутри кабеля (строго по его геометрической оси) помещается тонкий проводник, изготовленный из металла, обладающего хорошей сцепляемостью с полупроводником.
Кабель монтируется петлями, охватывающими весь защищаемый от пожара отсек (к примеру, для двигательного отсека требуется кабель длиной 90—100 м). Концы провода присоединяются к исполнительному блоку.
При возникновении пожара кабель в зоне пожара нагревается, сопротивление полупроводникового материала падает, в результате чего замыкается электрическая цепь центрального провода и трубки. Замыкание цепи приводит к срабатыванию поляризованного pivie и, следовательно, к действию сигнальной и исполнительной аппаратуры.
После ликвидации пожара система возвращается в исходное положение. Эта система обладает рядом преимуществ, в числе которых:
-значительное увеличение зоны, находящейся под пожарным контролем;
-высокая надежность действия;
-высокая живучесть (система функционирует даже при разрушении отдельных участков кабеля);
-малый вес;
-высокая экономичность;
-простой и удобный монтаж и уход в эксплуатации.
К недостаткам системы можно отнести:
-сложность технологии изготовления термочувствительного провода;
-ограниченная температура нагрева термочувствительного провода;
-сравнительно длительное время запаздываний (2 с и более).
Системой сигнализации о возникновении пожара линейного типа оборудованы силовые установки с двигателями Пратт-Уитни j-57 на самолетах «Боинг-707» и «Дуглас ДС-8», с двигателями Роллс-Ройс «Эвон» на самолетах «Комета» и «Каравелла», с двигателями Роллс-Ройс «Дарт» на самолетах «Вайкаунт».
В настоящее время на большинстве пассажирских самолетов наряду с датчиками, действующими непосредственно при возникновении пожара, устанавливаются датчики инерционного типа, срабатывающие при определенных перегрузках и приводящие в действие противопожарное оборудование при аварийной посадке самолета.
На некоторых заграничных самолетах система предупреждения пожара при аварии включает также средства для тушения нормального пламени в камере сгорания и для охлаждения водой горячих деталей тракта двигателя.
Дело в том, что разлившееся при аварии топливо может вместе со всасывающимся воздухом попасть в двигатель. Проникшая таким образом в двигатель топливовоздушная смесь может воспламениться от пламени камеры сгорания или от нагретых деталей тракта двигателя. Возникшее пламя, выходя из реактивного сопла, может зажечь разлитое по самолету топливо и этим вызвать пожар.
Противопожарное оборудование предназначено для хранения огнегасительного состава и распыливания его на очаг пожара, т. е. предназначено непосредственно для подавления пожара.
Противопожарное оборудование включает в себя следующие основные элементы (рис. 5):
1) огнетушители, предназначенные для хранения и подачи огнегасительного состава;
2) трубопроводы, предназначенные для транспортировки огнегасительного состава от баллонов к распылительным коллекторам;
3) распылительные коллекторы, предназначенные для раапыливания огнегасительного состава на очаг пожара.
Рис. 5. Принципиальная схема противопожарного оборудования двухдвигательного самолета: / — баллоны с огнегасительной жидкостью (огнетушители); 2 — затворы огнетушителей; 3 —сигнальные диски; 4 .— обратный клапан; 5 —распылительный коллектор двигательного отсека;5 — блоки электромагнитных кранов; 7 — распылительный коллектор отсека топливных баков.
Противопожарное оборудование действует на очаг пожара посредством распыливания химических веществ, которые при испарении образуют газы, изолирующие зону огня от воздуха. Вследствие недостатка кислорода горение при этом прекращается.
Применяемые химические вещества должны быть:
1) достаточно эффективными и готовыми к действию независимо от атмосферных условий;
2) химически нейтральными относительно материалов, из которых изготовлены двигатель и самолет;
3) не ядовиты, т. е. при взаимодействии с огнем не должны выделять ядовитых соединений (газов, жидкостей и др.);
4) малого удельного веса.
Этим требованиям удовлетворяет химический состав, условно обозначаемый «3,5», состоящий из 95,8% бромистого этила и 4,2% хлороформа.
В последнее время начинает находить применение новый огнегасительный состав «Фреон 114В2». Этот состав по сравнению с составом «3, 5» имеет следующие преимущества:
1) более высокую (примерно на 80%) огнегасительную эффективность;
2) в два раза меньшую токсичность;
3) практически коррозионно не активен по отношению к алюминию и магниевым аплавам;
4) прост в хранении и зарядке им огнетушителей. Переход на новый состав осуществляется простой заменой в огнетушителях состава «3, 5» на «Фреон 114В2».
В заряд огнетушителя, кроме состава «3, 5», входит одновременно углекислота и сжатый воздух. Выбрасывание из огнетушителя огнегасительного состава происходит под давлением углекислоты и сжатого воздуха.
В противопожарном оборудовании наших отечественных пассажирских самолетов используются специальные огнетушители 0С8М, заряженные огнегасительным составом «3, 5». Огнетушитель 0С8М состоит из следующих основных частей:
1) баллона АРХ8;
2) головки-затвора типа ГЗСМ;
3) манометра;
4) сифонной трубки.
Затвор состоит из следующих основных частей:
1) клапанного устройства;
2) запорного устройства;
3) пиротехнического пускового устройства типа ПП-3;
4) сигнально-предохранительного устройства.
В противопожарных системах, применяемых для тушения пожаров во внутренних пожароопасных зонах двигателя, используются 2-литровые огнетушители типа ОС-2 такой же, примерно, конструкции, что и конструкция огнетушителей 0С8М.
Для распыливания огнегасительного состава на очаг пожара служат распылительные коллекторы, которые выбрасывают огнегасительный состав в виде мелких струек. Это облегчает и ускоряет процесс испарения огнегасительного состава и, следовательно, повышает эффективность тушения пожара.
Распылительные коллекторы устанавливаются в зонах наиболее вероятного возникновения пожара и выполняются в виде перфорированных трубок с отверстиями в стенках диаметром приблизительно 1,5 мм.
Иногда распылительные коллекторы заменяют системой специальных насадков в виде сопел, обеспечивающих повышенный расход огнегасительного состава. Это также повышает эффективность тушения пожара.
5. СИСТЕМЫ ПОЖАРОТУШЕНИЯ АВИАДВИГАТЕЛЕЙ
Представление об устройстве и работе систем пожаротушения газотурбинных двигателей поясняется на основе противопожарной системы двигателей Д-ЗОКУ и Д-ЗОКП, выполняемой по единой схеме и включающей в себя систему сигнализации о пожаре 2С7К и системы внутреннего и наружного пожаротушения. Система наружного пожаротушения является частью самолетной противопожарной системы.
Система сигнализации о пожаре 2С7К предназначена для выдачи сигнала в кабину экипажа в случае возникновения пожара в защищаемых полостях двигателя и автоматического включения системы пожаротушения двигателя.
Система сигнализации обслуживает одновременно два двигателя и состоит из четырех датчиков ДП-11 (по два на двигатель) и одного блока-реле 2С7К-БР.
Датчики 13 (рис. 6) устанавливаются совместно с демпферами на фланцах труб, суфлирующих полость между кожухом вала и внутренним корпусом камеры сгорания с полостью наружного контура. Датчики предназначены для выдачи сигнала блоку-реле 6 о том, что в защищаемой полости температура достигла предельного значения (500°С).
Принцип работы датчика ДП-11 (рис. 7) основан на термоэлектрическом эффекте. В нем имеется термобатарея, состоящая из трех последовательно соединенных термопар. Горячие спаи термопар выполнены в виде тонких лепестков, а холодные 5 — в виде дугообразных трубок.
Термопары предохраняются от контактов с металлическим корпусом 2 с помощью стеклянных изоляторов. Выводы термобатареи соединены с контактами штепсельного разъема 4, закрепленного на корпусе 2 по фланцу 3, в котором имеются окна для прохода воздуха, охлаждающего холодные спаи. Места выводов термоэлектродов запаяны твердым припоем. Для предохранения головок горячих спаев от механических повреждений в датчике имеется колпачок с окнами для прохода к спаям горячего воздуха.
Подключение датчиков к блоку-реле производится с помощью жгута, на конце которого имеется розетка штепсельного разъема.
Блок-реле 2С7К-БР системы 2С7К устанавливается на самолете и выполняет следующие функции: принимает сигнал от датчиков; включает сигнальные лампочки при возникновении пожара в контролируемых полостях двигателей; подает напряжение на вход автоматического включения системы пожаротушения двигателя, от которого получен сигнал; обеспечивает контроль исправности и готовности системы сигнализации.
Блок-реле 2С7К-БР включает в себя четыре поляризованных реле РПС-5 (по одному на каждый датчик), два электромагнитных реле РЭС-9 (по одному на каждую пару датчиков), сопротивления, переключатели, штепсельные разъемы и т. д.
При возникновении пожара в контролируемой полости термоЭДС батареи термопар датчика достигает значения, достаточного для включения в блоке-реле соответствующего поляризованного реле РПС-5. Контакты этого реле используются для подвода напряжения бортовой сети постоянного тока в обмотку электромагнитного реле РЭС-9. Реле РЭС-9 при срабатывании подает напряжение на сигнальную лампу и на вход цепи автоматического включения системы внутреннего пожаротушения двигателя, от которого поступил сигнал.
Исправность системы сигнализации о пожаре проверяется переключателями контроля. При включении переключателя и при исправности всей системы загорается соответствующая сигнальная лампа, но напряжение на вход автоматического включения системы пожаротушения не подается.
Внутренняя система пожаротушения ( рис. 6) состоит из баллона / с огнегасящим составом — фреон 114В-2 (масса заправляемого фреона 2,725 кг), трубопровода 8, подвода огнегасящего состава к двигателю, трубопровода 10 для подвода огнегасящего состава в полость кожуха вала (жиклер диаметром 2,5 мм), трубопровода 12 для подвода огнегасящего состава в полость' между кожухом вала и внутренним корпусом камеры сгорания (жиклер диаметром 3 мм), диафрагм 9, установленных в трубопроводах 10 и 12.
Система пожаротушения может включаться как вручную, так и системой сигнализации 2С7К.
Работает система внутреннего пожаротушения следующим образом.
При возникновении пожара в контролируемой полости двигателя система 2С7К сигнализации о пожаре подает напряжение бортовой сети на сигнальную лампу и на вход автоматического включения системы пожаротушения. Огнегасящий состав под давлением подается по трубопроводу 8> прорывает диафрагмы 9 и по трубопроводам 10 и 12 поступает в контролируемые полости двигателя А, Б, из которых через систему суфлирования и систему лабиринтных уплотнений распространяется во все масляные полости двигателя.
Рис. 6. Принципиальная схема пожаротушения внутри
двигателя:
/ — баллон с огнегасящим составом; 2 — сигнальное очко самозарядки огнетушителя; 3 — тумблер включения подачи огнегасящего состава; 4— сигнальная лампочка; 5 — тумблер контроля датчиков ДП-И (для одного двигателя); 6 — блок-реле 2С7К-БР (для двух двигателей); 7—штепсельный разъем; 8, 10, 12— трубопровод для подвода огнегасящего состава; 9 —диафрагма; // — труба суфлирования ^полости кожуха вала с полостью разделительного корпуса; 13— датчик сигнализации о пожаре ДП-11; А — полость кожуха вала; Б —полость между кожухом вала и внутренним корпусом камеры сгорания
Система наружного пожаротушения состоит из труб со штуцером подвода огнегасящего состава к переднему, среднему и заднему противопожарным коллекторам, имеющим отверстия диаметром 0,8 мм для распыла огнегасящего состава снаружи двигателя.
Наружная система защищает от пожара подкапотное пространство в наиболее опасной в пожарном отношении зоне, где расположены агрегаты топливной и масляной систем двигателя, а также электрогенератор и гидронасос.
Все трубопроводы противопожарной системы окрашены в красный цвет.
Рис. 7. Датчик ДП-11:
/ — горячий спай; 2— корпус; 3 — фланец крепления ШР;
4-штепсельный разъем; 5 — холодный спай
ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Основными факторами, определяющими процесс обледенения деталей, находящихся в потоке воздуха, являются: количество воды в виде капель, содержащихся в единице объёма во взвешенном состоянии, температура воздуха, размер капель и время пребывания деталей в условиях обледенения.
Наиболее опасным с точки зрения обледенения деталей самолета является полёт в условиях облачности при температуре воздуха от 0 до — 15°С. Однако температурные условия во входном устройстве двигателя могут отличаться от условий: окружающего воздуха. Объясняется это тем, что при положительной полной температуре воздуха статическая температура во входном устройстве вследствие разгона потока до значительных скоростей может снижаться на 5... 8°С. Это вызывает опасность обледенения входного устройства двигателя во время его опробования уже при температурах + 5... + 8°C.
Обледенение входного устройства двигателя даже на короткое время недопустимо по ряду причин: при обледенении входного устройства уменьшается площадь сечения входного канала, искажается поле скоростей воздушного потока; последующее скалывание льда и попадание его в твёрдом виде в проточную часть двигателя может вызвать забоины на рабочих лопатках компрессора и даже их разрушение.
Представление об устройстве и работе антиобледенительной системе ГТД можно показать на примере двигателей Д-30КУ и Д-30КП.
Для предотвращения обледенения в двигателях Д-ЗОКУ и Д-ЗОКП предусмотрен обогрев 26 лопаток входного направляющего аппарата компрессора низкого давления и кока двигателя. Обогрев осуществляется воздухом, отбираемым за XI или за VI ступенью компрессора высокого давления. Переключение отбора производится автоматически в зависимости от частоты вращения ротора КВД. Три нижние лопатки (из 26 лопаток ВНА), кроме воздушных каналов, имеют каналы для подвода или отвода масла и обогреваются им независимо от работы противообледенительной системы.
Противообледенительная система ( рис. 8) состоит из стакана 8 отбора воздуха за VI ступенью Ш, стакана 13 отбора воздуха за XI ступенью КВД, распределительной заслонки 12 отбора воздуха (ОВ), электрозаслонки 4, теплоизолированного коллектора 31 и трубопроводов, соединяющих перечисленные элементы. На режимах работы двигателя, при которых частота вращения ротора КВД ниже (8700 ± 150об/мин), воздух для обогрева отбирается за XI ступенью; на более высоких режимах распределительная заслонка переключена в положение отбора воздуха за VI ступенью. Переключение распределительной заслонки производится гидроцилиндром, в который подается топливо высокого давления от насоса-регулятора НР-ЗОКУ. Включение системы осуществляется открытием электрозаслонки 4, управляемой электромеханизмом. При включенной системе воздух через распределительную заслонку 12, трубопроводы и электрозаслонку 4 поступает в кольцевой теплоизолированный коллектор 31 и далее через уголковые штуцера — в полости Б в районе входных кромок лопаток ВНА. По указанным полостям воздух проходит к центральной втулке ВНА и, выйдя через отверстия в передней крышке, направляется на обогрев наружной обечайки кока 32. Из обечайки кока через отверстия 1 воздух выходит в проточную часть КНД. Электрозаслонка ЭЛЗ-7 (рис. 9)устанавливается в трубопроводе подвода воздуха к коллектору и располагается на правой стороне двигателя. Корпус 12 заслонки через кольцевые фланцы крепится двумя хомутами 9 и 14 к трубопроводам 1 и 8. Соединение уплотняется прокладками 10 и 13. Хомут 9 одновременно используется для крепления электрозаслонки к заднему фланцу корпуса III ступени КНД. На корпусе 12 выполнены приливы 7 и 11, в которых располагаются подшипники оси дроссельной заслонки. К фланцу 6 верхнего прилива крепится электромеханизм.
Корпус 12 заслонки литой конструкции изготовлен из жаропрочной хромоникелевой стали. Дроссельная заслонка изготавливается литьем из жаропрочной хромоникелевой стали. Она соединена с осью шлицевым соединением. На наружной поверхности заслонки имеется проточка, в которую устанавливается стальное уплотнительное кольцо. Ось заслонки соединяется с электромеханизмом 4 при помощи шлиц 5.
Рис. 8. Схема воздушной и противообледенительной систем двигателя Д-20КУ стакан отбора воздуха за 6 ступенью КВД в ПОС двигателя,
2– стакан отбора воздуха за 11 ступенью КВД в ПОС двигателя, 3 – распределительная заслонка отбора воздуха, 4 – электрозаслонка ЭЛЗ-7, 5 – теплоизолированный коллектор.
Рис. 9. Электрозаслонка ЭЛЗ-7 и детали ее
крепления:
/, 8 — трубопроводы; 2—болты; 3— контровочные замки; 4 — электромеханизм; 5—штепсельный разъем; б — фланец крепления; 7 —верхний прилив; 9 — хомут с кронштейном крепления; 10, 13 — прокладки; // — нижний прилив; /2 —корпус; 14 — хомуты
Электромеханизм ЭПВ-150МТ (рис. 10) состоит из электродвигателя Д-14ФМ, планетарного редуктора, кулачкового вала, микровыключателей 3 и 4, двух электромагнитных муфт 6 и штепсельного разъема. Электромеханизм работает следующим образом. При включении тумблера управления системой на клеммы 2 и 3 штепсельного разъёма 5 поступит напряжение 27 В. Вал электродвигателя начинает вращаться вправо. Это вращение через планетарный редуктор передается на выходной вал 8 привода заслонки, обеспечивая её открытие. Одновременно через зубчатую передачу Z = 68 и Z = 48 вращение передаётся на вал с программными кулачками 1 и 2. После поворота заслонки на заданный угол (90±5о) кулачок 2 своим выступом переключает контакты микровыключателя из нормально замкнутого положения в нормально разомкнутое, что приводит к выключению электродвигателя и
Рис. 10. Схема электромеханизма ЭПВ-150МТ: /, 2 — программные кулачки; 3, 4 — микровыключатели; 5--штепсельный разъем; б—электромагнитные муфты; 7—электродвигатель Д-14ФМ; 8 — выходной вал
замыканию контакта сигнализации крайнего правого положения выходного вала. Инерционный выбег выходного вала меняется.
При переводе тумблера ПОС в кабине в положение ВЫКЛЮЧЕНО напряжение подаётся на клеммы 1 и 3 штепсельного разъема 5. При этом выходной вал вращается влево, а управление механизмом осуществляется кулачком 1.
Система сигнализации обледенения обеспечивает выявление обледенения, включение сигнала лампы ОБЛЕДЕНЕНИЕ в кабине экипажа, включение электронагревательных элементов, обогревающих чувствительные элементы сигнализатора обледенения, и задержку выключения нагревательных элементов и сигнальной лампы после удаления льда для повышения стабильности сигнала с помощью электромагнитной муфты торможения 6. Второй микровыключатель в это время подготовлен к работе.
ОБЛЕДЕНЕНИЕ.
Система сигнализации (рис.10) включает в себя сигнализатор обледенения ДО-206 (серия 2) блок автоматики БА-137, сигнальную лампу в кабине экипажа и соединяющие их электропровода
Сигнализатор ДО-206 предназначен для выдачи сигнала о начале обледенения во входном устройстве двигателя на сигнальную лампу ОБЛЕДЕНЕНИЕ. Он установлен на демпфирующем кронштейне левой стороны переходника КНД, а его чувствительные элементы (датчики) входят в проточную часть входного устройства двигателя.
Сигнализатор обледенения (рис. 11 а) состоит из корпуса сигнализатора перепада давлений 1, эталонного датчика 2, приёмного датчика 3 и штепсельного разъема 4.
Принцип действия сигнализатора основан на изменении перепада давлений между приёмным и эталонным датчиками при закрытии пленкой льда отверстий приёмного датчика.
Приёмный датчик 2 и эталонный датчик / (рис. 12), устанавливаемые в воздушном потоке, имеют отверстия на передней и задней поверхностях. На передней поверхности (обращенной против потока) эталонного датчика выполнено одно отверстие большого диаметра, а на передней поверхности npёмного датчика — пять отверстий малого диаметра.
Внутренний канал приёмного датчика связан с полостью корпуса 4, а внутренний канал эталонного датчика — с внутренними полостями двух манометрических коробок 5. Площади входных (neредних) и выходных (задних) отверстий датчиков подобраны так, что при отсутствии обледенения давление воздуха в полости корпуса 4 превышает давление внутри манометрических коробок. Вследствие этого рычаг передаточного механизма 6 находится в крайнем нижнем положении, что исключает возможность ложного срабатывания сигнализатора.
При появлении обледенения входные отверстия малого диаметра приёмного датчика замерзают. При этом давление в его внутреннем канале уменьшается и становится равным давлению в зоне задних отверстий, а в эталонном — остается без изменений.
Возникший перепад между давлением в полости корпуса 4 и давлением внутри манометрических коробок 5 вызывает расширение последних.
Деформация манометрических коробок передается через механизм 6 на подвижную щётку, которая, перемещаясь по контактной пластине 7, замыкает электрический контакт. Электрический сигнал подается в блок автоматики БА-137.
Блок БА-б), устанавливаемый на самолете, предназначен для включения сигнальной лампы ОБЛЕДЕНЕНИЕ и нагревательных элементов 3 (рис. 11) сигнализатора ДО-206 (серия 2), а также для задержки их выключения после размораживания отверстий приёмного датчика. В состав этого блока входят реле и контакторы, замыкающие цепи сигнальной лампы ОБЛЕДЕНЕНИЕ и электронагревательных элементов, а также электронное реле времени.
При поступлении электрического сигнала от сигнализатора ДО-206 срабатывают соответствующие реле и контакторы блока автоматики, вследствие чего загорается сигнальная лампа ОБЛЕДЕНЕНИЕ в кабине экипажа, включаются в работу электронагревательные элементы сигнализатора обледенения и подготавливается к запуску реле времени. После размораживания отверстий приёмного датчика (вследствие обогрева электронагревательными элементами) перепад давлений в корпусе СПД и в манометрических коробках восстанавливается до начального значения, передаточный механизм 6 возвращается в исходное положение, сигнал на выходе сигнализатора ДО-206 снимается, однако, благодаря наличию блокировок в блоке автоматики, сигнальная лампа ОБЛЕДЕНЕНИЕ
Рис. 11. Сигнализатор обледенения ДО-206 (серия 2) (а) и блок автоматики БА-137 (б): / — корпус сигнализатора перепада давлений (СПД); 2 — эталонный датчик; 3 — приемный датчик; 4 — штепсельный разъем
и нагревательные элементы остаются включенными. В этот момент запускается реле времени в блоке БА-137. Длительность задержки обогрева и сигнализации определяется настройкой реле времени и составляет (11 ± 2) с. Задержка выключения обогрева датчиков применена для обеспечения полного удаления льда с поверхности датчиков и повышения стабильности сигнала ОБЛЕДЕНЕНИЕ Если по истечении времени задержки условия обледенения сохраняются, то цикл срабатывания сигнализатора обледенения повторяется.
Рис.12. Схема сигнализатора обледенения
ДО-206:
/ — эталонный датчик Э; 2 — приемный датчик П; 3 — электронагревательные элементы; 4 — корпус сигнализатора перепада давлений (СПД); 5—манометрические коробки; 6—кривошипно-шатунный передаточный механизм; 7—контактная пластина; 8—рабочий штепсельный разъем; 9 — блок автоматики БА-137; 10— штепсельный разъем для подключения наземного контроля
.
Содержание задания на самостоятельную работу
Студент под руководством преподавателя с использованием технического описания, чертежей, макета разреза двигателя и отдельных деталей конкретного компрессора должен:
- проанализировать конструктивно-схемное решение одной из изучаемых систем конкретного двигателя,
- обосновать состав основных элементов системы,
-сделать краткое заключение о совершенстве, достоинствах и недостатках системы конкретного двигателя.
- проанализировать особенности конструкции одного из основных элементов системы,
Литература
1. Алексеев силовые установки. Киев,1967.
2. Авиационные двухконтурные двигатели Д-30КУ и Д-30КП. - М., Машиностроение, 1988.
