RU2814576C1

RU2814576C1 - Device for combating crystal icing of turbofan engines (tdce)

Info

Publication number: RU2814576C1
Application number: RU2023114287A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Дмитриевич Мокеев; Ильдар Рамилевич Хусаинов; Роман Рустэмович Саляхов
Original assignee: Акционерное общество "Лётно-исследовательский институт имени М.М. Громова"
Filing date: 2023-05-31
Publication date: 2024-03-01

Abstract

FIELD: aviation technology.

SUBSTANCE: invention relates to the field of aviation technology, in particular to systems for protecting aircraft engines from crystalline icing. A device for preventing crystal icing of a turbojet dual-circuit engine contains a main pipeline for removing hot air from the stages of a high-pressure compressor and supplying it through a flap and pressure regulator installed on the specified pipeline to the leading edges of the air intake. The fan and the high-pressure compressor have speed sensors for the fan and the high-pressure compressor. The device additionally has another auxiliary pipeline running from the main pipeline, which provides hot air supply during crystal icing directly to the suction of the low-pressure compressor. The first and second shut-off valves are installed on the main and auxiliary pipelines accordingly, to which the shut-off valve control unit is connected, which ensures the operation of the valves in the opposite phase - when the first valve is open, the second valve is closed and vice versa. The shut-off valve control unit contains a crystal icing alarm module that compares the revolutions of the fan N1 and the high-pressure compressor N2 and, if a mismatch of the revolutions N1 and N2 is detected among themselves and their inconsistent response to the position of the ECL and in case of an unintentional decrease in the revolutions N1 by more than 30%, issues a signal to the switching module of the shut-off valve control unit to switch the positions of the shut-off valves from the main mode position - the first valve is open, the second is closed when hot air is supplied to the leading edges of the air intake, wings and tail, to the additional one - the first valve is closed, the second is open when the entire available flow rate the hot air is supplied directly to the suction of the low-pressure compressor.

EFFECT: technical result, which the invention aims to achieve, is to prevent crystalline icing of the blades of a low-pressure compressor by heating the air entering the compressor containing ice crystals to the melting temperature of these crystals.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности к системам защиты двигателей самолетов от кристаллического обледенения.The invention relates to the field of aviation technology, in particular to systems for protecting aircraft engines from crystalline icing.

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.In the early 90s, a number of accidents occurred with the engines of large transport aircraft at altitudes above 8500 m, at ambient temperatures of -40°C and below. There was an uncontrollable decrease in thrust, until the engine stalled.

Обледенение в качестве причины этих происшествий вначале не рассматривались, так как обычно на таких высотах и при таких температурах обледенение самолетов не происходит.Icing was not initially considered as a cause of these accidents, since aircraft icing does not usually occur at such altitudes and temperatures.

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.Incidents occurred at thrust levels between 90 and 100% of maximum cruise power. The engine spontaneously reduced speed to idle and could even stall. The drop in engine speed was also associated with an increase in gas turbine temperature (GT) and engine failure to respond to the pilot's thrust control commands. This phenomenon is called "rollback" of the engine. Ground inspection of a stalled engine often reveals damage to the compressor blades.

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).Engine events were distributed over different areas of the globe: over the central and southeastern United States, central and eastern South America, central Europe, and central Asia. But most often these events occurred in the region of Southeast Asia. It has been suggested that the increased intensity of accidents in these areas is due to a combination of meteorological factors and significant air traffic. From the 1990s to 2006, there were more than 240 cases related to engine malfunctions (“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.In 2013, three of the four engines on an AirBridge Cargo Boeing 747-8F1 suffered unexpected damage while flying at 41,000 feet near Chengdu, China, when it was believed to have encountered a crystal cloud. That same year, Boeing reported engine failures on its new General Electric-powered B747-8 and B787 Dreamliner aircraft when flying near tropical storms. The engines experienced a temporary loss of thrust when flying at altitudes above 30,000 feet.

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.When the number of aircraft accidents exceeded one hundred, international working groups to study engine malfunction events and the Engine Harmonization Working Group (EHWG) were created to develop recommendations to combat this phenomenon.

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.As a result of the research, it was revealed that accidents with engines occur in areas of large accumulations of ice crystals at high altitudes. Such concentrations of ice crystals can form in tropical and subtropical geographic zones near areas of storms or cyclones with high convective turbulization of air masses. A large amount of water vapor is carried by the convective flow to the height of the troposphere and there forms the so-called “bell tower” of the cloud - an area of high concentration of ice crystals.

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.Ordinary crystalline clouds (cirrus) have a concentration of ice crystals of the order of 0.001-0.002 g/m ³ and do not pose an icing threat to aircraft. In the “bell tower” area, the concentration of ice crystals can theoretically reach up to 8 g/m ³ , but more often it can be up to 4 g/m ³ .

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.It was believed that at altitudes above 6000 m and at temperatures below -30 ° C, all water in the clouds can only be in the form of ice crystals and does not pose a threat to aircraft, since ice particles bounce off the cold surfaces of the aircraft and do not lead to deposition and accumulation ice on them.

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».However, at high concentrations of ice crystals (0.2 to 4 g/m ³ ) found in areas near storms, ice crystals have been found to be deposited in the initial stages of the engine compressor and cause engine malfunction. Disturbances occur due to the formation of ice build-up on the stator plates of the low-pressure compressor. This type of icing, in contrast to the usual (“classical”), in a cloud of supercooled water droplets, is called “crystalline.”

Характерные нарушения в работе двигателей при кристаллическом обледенении: помпаж, «откат», повышение температуры воздуха в турбине, срыв пламени. Таким нарушениям подвержены турбовентиляторные двигатели.Typical disturbances in engine operation during crystalline icing: surging, “rollback”, increased air temperature in the turbine, flame failure. Turbofan engines are susceptible to such violations.

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.In classical icing, supercooled water drops, colliding with a cold surface, freeze almost instantly and form ice build-ups of various shapes, which worsen the aerodynamic qualities of the aircraft. With crystalline icing of the engine, the ice crystals do not stick to the cold surfaces of the air intake and fan, but pass inside the compressor. In the process of compressing the air in the compressor and increasing its temperature to positive values, the crystals begin to melt and form a film of water on the stator blades of the compressor. The following ice crystals begin to adhere to this film of water and form ice build-ups that block the flow area of the compressor, initiating a “rollback” and stopping the engine.

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.The problem of crystalline icing is aggravated by the fact that it occurs suddenly, without any apparent reason for its approach. Most of the standard icing sensors on transport aircraft use a vibration operating principle. They inform the crew about the onset of icing when an ice crust more than 0.5 mm thick forms on the sensitive element of the sensor (pin or membrane). But in a crystalline cloud, an ice crust does not form on the sensitive elements of the sensors, as well as on other external surfaces of the aircraft, since ice crystals are blown off them by the air flow, and therefore there are no visible signs of icing. Only internal engine elements (compressor stator plates) are susceptible to crystalline icing in the region of positive temperatures, where ice crystals melt.

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.An immediate harbinger of engine shutdown is a spontaneous decrease in fan speed N1 and a decrease in engine thrust. In this case, the speed of the high pressure compressor N2 remains unchanged for some time. When the N1 speed spontaneously decreases by 30÷40%, the engine switches to idle mode or even stops the engine.

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.It was urgent to find measures to combat crystal icing. Until the crystal icing problem is resolved, transport aircraft pilots are advised to avoid potential areas of high-altitude ice crystal accumulation (in storm areas) for at least 20 nautical miles.

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.At the suggestion of the established EHWG working groups, crystal icing conditions were introduced into aircraft certification regulations. In 2014, Appendix O was introduced into the American airworthiness standards FAR-25, FAR-33: “Mixed phase and ice crystals” icing condition. In 2015, this standard was introduced into the European CS-25. In 2019, these icing conditions were introduced into the Russian AP-25 and AP-33 standards as Appendix 9.

Ученые и авиационные инженеры начали искать пути решения проблемы кристаллического обледенения.Scientists and aeronautical engineers began to look for ways to solve the problem of crystalline icing.

Рассмотрим некоторые из них.Let's look at some of them.

Уровень техники.State of the art.

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.The Boeing company has proposed the so-called “regasification” (“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 to combat crystalline icing of GEnx engines. Icing, February 27, 201, 787, www.GenxIcingProblem-PPRuneForum). This procedure consists of releasing part of the air through holes in the housing between the low-pressure (LPC) and high-pressure (HPC) compressors. This procedure is used to prevent engine surge at high compressor rotor speeds at low altitudes, such as during engine ground racing or takeoff. Surge occurs from a mismatch between the operation of low- and high-pressure compressors, when the high-pressure compressor cannot pass through itself the entire volume of air pumped by the low-pressure compressor. In this case, in the engine housing between the low and high pressure compressors there are special windows that open and excess air from the LPC is discharged outside.

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.Boeing proposed using such a “regassing” to dump the ice growths formed on the LPC plates during crystalline icing out through the holes in the body. In this case, crystalline icing is not prevented, and the ice build-up formed on the blades of the low-pressure compressor is discharged outward through the inter-compressor windows by an increased air flow. But at the same time, some of the ice pieces can get into the high-pressure compressor and damage its blades or lead to a flame failure when they enter the combustion chamber. In addition, crystalline icing of engines can occur during cruising engine operation when the intercompressor windows are closed.

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.According to US patent No. 9642190 “Built-in anti-icing system for a turbofan engine,” a device is known for combating crystal icing of turbofan engines (turbofan engine) with a high bypass ratio. According to this patent, an anti-icing system (embedded turbofan deicer system (ETDS)) is built into the turbofan engine. The ETDS anti-icing system, according to the authors, should prevent crystalline icing of the compressor blades using heating elements attached to the rotating parts of the engine. The elements are heated using electricity, and the device for generating electricity is a permanent magnet electric generator (PMEG), which converts the rotational energy of the engine rotor into electricity. Permanent magnets are attached to the compressor housing, and coils are attached to the compressor blades, thus forming an electromagnetic system that generates electricity.

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.The device proposed in the US patent overcomplicates the design of the turbofan engine. In fact, this is a new engine, or rather a hybrid of a turbofan engine with an electric generator. And if we take into account that crystalline icing, despite all its dangers, is not such a common occurrence among several million flights a year, then the proposed proposal is clearly irrational and economically unfeasible.

Известно также устройство для защиты от обледенения авиационного двигателя по патенту США №7921632 «Устройство защиты от обледенения авиационных двигателей и соответствующий способ противообледенительной защиты».A device for anti-icing of an aircraft engine is also known according to US patent No. 7921632 “An anti-icing device for aircraft engines and a corresponding method of anti-icing protection.”

Борьба с обледенением в этом устройстве также предполагает сброс наростов льда за счет его центрифугирования при повышенных оборотах двигателя.Anti-icing in this device also involves the release of ice build-up due to its centrifugation at increased engine speeds.

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.The engine anti-icing device contains a sensor located in the engine air intake that is sensitive to the amount of accumulated ice in the form of a vibrating finger probe, a means for measuring the air temperature at the engine intake, a system for measuring the said amount of ice and comparing this amount of ice with a given threshold, as well as a response system, designed to initiate a reaction when a specified threshold is detected. The response of the response system may be an alarm, an increase in engine speed, or the supply of hot air to the engine inlet.

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.The preferred method according to this patent involves increasing the fan speed of engine N1 to 70% of the nominal speed, thereby discharging ice due to centrifugal force.

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.An alternative version of the device is the device according to claim 1 of this patent, characterized in that it includes a system for returning part of the hot air from the compressor to the engine inlet as anti-icing protection.

Для борьбы с кристаллическим обледенением действительно, наверное, самым эффективным способом является подогрев до положительных температур воздуха на всасывании двигателя.To combat crystalline icing, perhaps the most effective way is to heat the engine intake air to positive temperatures.

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.But in the device according to US patent No. 7921632, hot air is supplied to the motor inlet before the fan stage. With crystalline icing, the engine fan is not susceptible to icing because the ice crystals do not stick to its cold surface. Crystal icing occurs in the compressor part of the engine.

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.In a turbofan engine with a high bypass ratio, most of the air (up to 80%) passes through the fan (or bypass) line, and only a small part (about 20%) goes through the compressor. When hot air is supplied from the high pressure compressor stages to the inlet of the fan stage, all air entering the engine will be heated. To heat the entire air flow entering the engine to a positive temperature, there will not be enough hot air from the compressor; there will be nothing left for useful work (rotating the fan and creating thrust).

До положительной температуры нужно подогреть только ту часть воздушного потока, которая входит в компрессор (20% от общего потока воздуха через двигатель).Only that part of the air flow that enters the compressor (20% of the total air flow through the engine) needs to be heated to a positive temperature.

Теперь рассмотрим противообледенительную систему (ПОС) самолета Ил-76 (Противообледенительная система самолета Ил-76, studopedia.su). Это наиболее близкий аналог предлагаемого устройства.Now let's look at the anti-icing system (IS) of the Il-76 aircraft (Anti-icing system of the Il-76 aircraft, studopedia.su). This is the closest analogue of the proposed device.

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.In the air-thermal POS of the Il-76 aircraft, hot air from a high-pressure compressor is used to heat the leading edges of the wings, tail unit and air intake. Part of the hot air is supplied to heat the blades of the compressor inlet guide vane.

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.POS IL-76 is aimed at protecting against “classical” icing, when icing occurs from supercooled water drops. This probably accounts for more than 99% of all aircraft icing incidents. And only in 1% of aircraft icing cases can the aircraft encounter crystalline icing conditions.

При «классическом» обледенении основной расход горячего воздуха направляется на обогрев внешних поверхностей самолета: передних кромок крыльев, хвостового оперения, воздухозаборника.During “classical” icing, the main flow of hot air is directed to heating the external surfaces of the aircraft: the leading edges of the wings, the tail, and the air intake.

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.With “crystalline” icing, as mentioned above, the external surfaces of the aircraft are not subject to icing, and therefore the entire available supply of hot air can be used to heat the air going to the low-pressure compressor. To do this, you need to change the hot air supply circuit in accordance with the proposed device.

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.The technical result to be achieved by the invention is to prevent crystalline icing of low-pressure compressor blades by heating the air entering the compressor containing ice crystals to the melting temperature of these crystals.

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.To achieve the specified technical result in a device for preventing crystalline icing of a turbojet bypass engine, containing a main pipeline for removing hot air from the stages of the high-pressure compressor and supplying it through a damper and a pressure regulator installed on the said pipeline to the leading edges of the engine air intake, the leading edges of the wings and the tail. , an auxiliary pipeline is additionally installed on the main hot air exhaust pipeline, running from the main pipeline to the inlet of the low-pressure compressor. The first and second shut-off valves are installed on the main and auxiliary pipelines, respectively, to which a shut-off valve control unit is connected, ensuring that the valves operate in antiphase - when the first valve is open, the second valve is closed and vice versa. The shut-off valve control unit contains a crystalline icing alarm module, which compares the speed of fan N1 and the high-pressure compressor N2 and when a discrepancy between the speeds of N1 and N2 is detected and their inconsistent response to the throttle position and when the speed of N1 is unintentionally reduced by more than 30% , sends a signal to the switching module of the shut-off valve control unit to switch the position of the shut-off valves from the main mode position - the first valve is open, the second is closed, when hot air is supplied to the leading edges of the air intake, wings and tail, to the additional mode - the first valve is closed, the second is open , when the entire available hot air flow is supplied directly to the suction of the low pressure compressor.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Работа устройства поясняется фигурой 1.The operation of the device is illustrated in Figure 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.The proposed device contains a main pipeline 1 for removing hot air from the stages of the high pressure compressor (HPC) 11 and supplying it through a damper 2 and a pressure regulator 3 installed on the said pipeline with a pressure sensor 4 to the leading edge of the air intake 5. The first shut-off valve is installed on the pipeline 1 6. In addition, there is one more - an auxiliary pipeline 7 with a second shut-off valve 8 installed on it to supply hot air to the suction of the low-pressure compressor (LPC) 10. The shut-off valve control unit 9 ensures that shut-off valves 6 and 8 operate in antiphase: when one valve is open, the second valve is closed and vice versa.

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.Under normal (“classic”) icing conditions, the device operates in the usual standard mode, heating the leading edges of the air intake, wings and tail. In this case, valve 6 is open and valve 8 is closed. Hot air through pipeline 1 is supplied to the leading edges of the air intake, wings and tail, ensuring their heating.

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.If the aircraft encounters crystalline icing conditions, the control unit 9 gives a command to close valve 6 and open valve 8. In this case, the entire flow of hot air through pipeline 7 will be sucked into the low-pressure compressor 10 and will heat the air flow going into the compressor to positive temperatures, thereby preventing crystalline icing of the compressor blades.

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).The control unit 9 issues a command to switch valves 6 and 8 depending on the ratio of fan speed N1 and high-pressure compressor speed N2, coming from speed sensors N1 and N2 (not shown).

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.As mentioned above, vibration-type icing sensors, which do not respond to crystalline icing conditions, are currently mainly used as icing alarms. Therefore, the pilot can judge the onset of crystalline icing only by indirect signs, for example, by an unintentional decrease in engine speed N1 when crystalline icing has already occurred.

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.Engine stalling is preceded by a mismatch between N1 and N2 speeds. Typically, these revolutions correlate with each other and react consistently to the throttle position. During crystalline icing, there is a mismatch between the N1 and N2 revolutions.

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.The crystal icing alarm module (not shown) of control unit 9 monitors the speed of N1 and N2, and if the speed of N1 unintentionally decreases by more than 30%, the switching module (not shown) of unit 9 issues a signal to switch the crystal icing warning device to crystal mode icing, i.e. gives the command to close valve 6 and open valve 8. The entire available hot air flow is directed to the inlet of low-pressure compressor 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.In this case, icing of the cold external aerodynamic surfaces of the aircraft and the engine fan does not occur, since the crystals bounce off them without stopping, and icing of the LPC blades will not occur because the air temperature at the inlet to the LPC and further along the compressor path will be positive, and the crystals the ice will melt.

Рассчитаем необходимый расход горячего воздуха из компрессора высокого давления для нагрева воздуха на входе в КНД до положительной температуры.Let's calculate the required flow of hot air from the high-pressure compressor to heat the air at the inlet to the LPC to a positive temperature.

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.Let us denote the relationship between the amount of hot air taken from the HPC and the amount of cold air G entering the inlet of the HPC as g/G, and determine this ratio.

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.Let us assume that a turbojet engine has a bypass ratio of 4.0. This means that 80% of the total air flow through the engine passes through the fan stage into the bypass line, which creates the main part of the engine's jet thrust, and through the engine core, i.e. The remaining 20% of the air flow passes through the compressor and its hot part.

В воздушно-тепловую противообледенительную систему из КВД может отбираться до 13% воздушного потока.Up to 13% of the air flow can be taken from the HPC into the air-thermal anti-icing system.

Предположим, что самолет летит со скоростью 850 км/час на высоте 8500 м при температуре окружающего воздуха -50°С.Let's assume that the plane flies at a speed of 850 km/h at an altitude of 8500 m at an ambient temperature of -50°C.

После вентилятора температура воздухаТ2 несколько повысится:After the fan, the air temperature T2 will increase slightly:

T₂=T₁*p₂/p₁ T ₂ =T ₁ *p ₂ /p ₁

где р₂/p₁ - степень повышения давления в вентиляторной ступени, обычно это примерно 1,13.where p ₂ /p ₁ is the pressure increase ratio in the fan stage, usually about 1.13.

Т₂=223°К * 1,13=252°К=-21°С.T ₂ =223°K * 1.13=252°K=-21°C.

Температура все еще остается отрицательной, даже с учетом температуры торможения.The temperature is still negative, even taking into account the braking temperature.

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:Assuming, as a first approximation, that the process of mixing cold and hot air will occur without heat exchange with the compressor housing and the environment, the heat balance equation for mixing hot and cold air can be written:

Qгв=Qхв,Qgv=Qxv,

где Qгв - количество теплоты, отбираемое от горячего воздуха КВД,where Qgv is the amount of heat taken from the hot air of the HPC,

Qхв - количество теплоты, перешедшее к холодному воздуху на входе в КНД.Qхв - the amount of heat transferred to the cold air at the entrance to the LPC.

Qхв=ср* G (tвх- t0)Qхв=ср* G (tвх- t0)

Qгв=cp* g (t2 - t0), гдеQgv=cp* g (t2 - t0), where

ср - удельная теплоемкость воздуха,cf - specific heat capacity of air,

G - расход воздуха через компрессор ТРДД,G - air flow through the turbofan compressor,

tвх - температура воздуха, поступающего на вход КНД после вентилятора,tin is the temperature of the air entering the LPC inlet after the fan,

t2 - температура горячего воздуха, поступающего на вход КНД от КВД, t0=0°С.t2 is the temperature of hot air entering the LPC inlet from the HPC, t0=0°C.

ТогдаThen

g/G=(t2 - t0)/ (tвx - t0)g/G=(t2 - t0)/ (tвx - t0)

При температуре горячего воздуха от КВД 450°С:At a hot air temperature from the HPC of 450°C:

g/G=0,047=4,7%.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.That is, to heat the ambient air from -50°C to 0°C at the entrance to the pressure pump, about 5% of the hot air from the pressure pump will be required.

Это значительно меньше, чем расход воздуха, потребляемого на противообледенительную систему при «классическом» обледенении.This is significantly less than the air consumption consumed by the anti-icing system during “classic” icing.

Таким образом, предлагаемое устройство для предупреждения кристаллического обледенения двигателя позволяет обеспечить защиту от обледенения как при классическом (капельном) обледенении, так и при кристаллическом обледенении.Thus, the proposed device for preventing crystalline icing of an engine makes it possible to provide protection against icing both during classical (drip) icing and during crystalline icing.

Claims

A device for preventing crystalline icing of a turbojet bypass engine, containing a main pipeline for removing hot air from the high-pressure compressor stages and supplying it through a damper and a pressure regulator installed on the said pipeline to the leading edges of the engine air intake, the leading edges of the wings and tail, characterized in that In the main hot air exhaust pipeline, an auxiliary pipeline is additionally installed, running from the main pipeline to the inlet of the low-pressure compressor, and the first and second shut-off valves are installed on the main and auxiliary pipelines, respectively, to which the shut-off valve control unit is connected, ensuring that the valves operate in antiphase - when open the first valve the second valve is closed and vice versa; in this case, the shut-off valve control unit contains a crystalline icing alarm module, which provides a comparison of the speed of the fan N1 and the high-pressure compressor N2 and when a discrepancy between the speeds of N1 and N2 is detected and their inconsistent response to the throttle position and when the speed of N1 is unintentionally reduced by more than 30 % output signal to the switching module of the shut-off valve control unit to switch the position of the shut-off valves from the main mode position - the first valve is open, the second is closed, when hot air is supplied to the leading edges of the air intake, wings and tail, to the additional mode - the first valve is closed, the second is open , when the entire available hot air flow is supplied directly to the suction of the low pressure compressor.