ON THE ISSUES OF AIR SAMPLING AND GAS CHROMATOGRAPHIC ANALYSIS DURING BENCH TESTS OF GAS TURBINE ENGINES

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.128.68
Issue: № 2 (128), 2023
Suggested:
05.01.2023
Accepted:
25.01.2023
Published:
17.02.2023
1028
1
XML
PDF

Abstract

Modern methods and principles of air sampling and analysis during bench tests of gas turbine engine are described, many years of experience in operating the first-generation equipment for air sampling and analysis are taken into account, an automated laboratory complex for air sampling and gas-chromatographic analysis during bench tests of aviation gas turbine engine is developed, as well as a complex for air sampling and a complex for gas-chromatographic analysis of air samples, an installation for pumping of calibration gas mixture, an installation for determining the working volumes of the evacuated part, and an installation for gas supply. Modern instrumentation and automation means are applied.

1. Введение

В современном мире авиационная промышленность занимает одну из лидирующих позиций по разработке и внедрению инновационных технологий. Повседневная жизнь человека уже не может обойтись без ежедневного использования авиационной техники. Защита интересов страны, грузопассажирские авиаперевозки, использование авиации специальными службами – это ежедневные задачи современной авиации. В нашем стремительно развивающемся мире государства, обладающие наукоемким и технологическим потенциалом для разработки и производства новейших летательных аппаратов, занимают прочные позиции, позволяющие решать в свою пользу политические и экономические вопросы в конкуренции с другими игроками на мировой арене.

Авиация развивается параллельно с другими отраслями промышленности, в том числе, авиадвигателестроением. Современные летательные аппараты оснащаются турбореактивными авиационными двигателями. В свою очередь турбореактивный авиадвигатель надежно обеспечивает безопасный полёт на разных эшелонах полета в различных климатических районах.

Одним из ключевых факторов, оказывающих влияние на безопасность авиаперелетов, является поддержание приемлемых условий жизнеспособности экипажа и пассажиров летательного аппарата. Для обеспечения таких условий осуществляется наддув, вентиляция и обогрев грузопассажирского салона и кабины экипажа, воздухом, отбор которого выполнен из компрессора турбореактивного авиадвигателя. Показатели качества данного воздуха необходимо жестко контролировать.

В современных турбореактивных авиадвигателях применяются опоры из различного вида подшипников, обеспечивающие вращение подвижных частей. Смазка опор выполняется специальным авиационным маслом, которое подается в них маслонасосом. В течение жизненного цикла авиадвигателя, уплотнения, предотвращающие утечки масла из опор и попадания его в другие части авиадвигателя, могут изнашиваться и подвергаться разрушению. При попадании масла на высоконагретые детали авиадвигателя, а также под действием высокого давления, происходит термоокислительная реакция, авиационное масло разлагается на различные летучие и токсичные соединения. Следовательно, такие вещества могут попасть в воздух, отбираемый из компрессора для системы кондиционирования воздуха (СКВ) летательного аппарата.

Воздух, отбираемый для СКВ, необходимо подвергать анализу на содержание предельно допустимых концентрации (ПДК) вредных летучих и токсичных соединений. Данная процедура строго контролируется государственными и ведомственными стандартами: ГОСТ 12.1.005

, АП-23
, АП-25
, АП-29
, СанПиН 2.5.1.051-96
и др.

Из выше сказанного следует, что разработка и производство средств для определения ПДК в воздухе, отбираемом для СКВ, на этапе стендовых испытаний авиадвигателя на предприятие-изготовителе является важнейшей задачей разработчиков и производителей авиационной промышленности.

2. Методы и средства отбора и анализа проб воздуха

Используя Методические указания 1.1.258—99

(МУ), сертифицированные Ростестом, а также накопленный опыт эксплуатации оборудования первого поколения
, конструкторским коллективом, был разработан автоматизированный лабораторный комплекс с применением современных цифровых измерительных приборов
, позволяющий производить:

- отбор воздуха из компрессора на испытательном стенде для ГТД;

- анализ отобранного воздуха с применением газовых хроматографов.

Лабораторный комплекс (Рис. 1) делится на следующие составные части:

- комплекс для отбора проб воздуха (КОПВ);

- комплекс для газохроматографического анализа проб воздуха (КГАПВ);

- установка для прокачки поверочной газовой смеси;

- установка для определения рабочих объёмов вакуумируемой части;

- установка для подачи газов.

Структурная схема комплекса

Рисунок 1 - Структурная схема комплекса

КОПВ
(Рис. 2) состоит из узла отбора проб, пульта управления и предназначен для отбора воздуха из компрессора ГТД. Узел пробоотборников располагается в непосредственной близости от испытываемого ГТД и представляет из себя металлический каркас в виде соединенных вертикальных панелей. На каркасе установлены: вакуумный насос, воздухозаборник проб в виде гребенки, установленный на входе в ГТД, пять баков с измерительными датчиками давления воздуха и температуры фильтры для осушения воздуха, электромагнитные дистанционно управляемые клапаны, пробоотборники содержащие адсорбционные пакеты с концентраторами, разветвитель потока воздуха с жиклерами. Пульт управления подключается к общему пульту управления всего испытательного стенда. Соединение пульта управления и узла пробоотборников с испытательным стендом осуществляется специальным кабелем.
Комплекс для отбора проб воздуха

Рисунок 2 - Комплекс для отбора проб воздуха

Методика отбора проб предполагает продувку воздуха объемом от 500 до 1000 см3, отобранного из компрессора и на входе в ГТД, через пробоотборники с последующим осаждением вредных примесей в концентраторах. Съемные концентраторы заполнены активными сорбентами для поглощения различных компонентов вредных летучих и токсичных соединений: альдегидов, паров авиационного керосина, паров и аэрозолей авиационного масла, кетонов, трикрезилфосфата, окиси углерода и ароматических углеводородов.

КОПВ обладает расширенными функциональными возможностями по сравнению с использованным ранее, повышенным удобством эксплуатации и дополнительным баком, который позволяет сократить время отбора воздуха, что приводит к экономии дорогостоящего авиационного керосина.

Остальные установки и КГАПВ располагаются в газохроматографической лаборатории в другом помещении.

КГАПВ

(Рис. 3) используется для определения вредных летучих и токсичных соединений и их ПДК в пробах воздуха. КГАПВ состоит из:

- прибор для получения деионизированной воды «Водолей»;

- два усилителя электрометра;

- два газовых хроматографа с плазменно-ионизационными детекторами (ПИД);

- хроматографические насадочные колонны, заполненные адсорбентом;

- газовый хроматограф с детектором по теплопроводности (ДТП);

- концентраторы с отобранными пробами воздуха;

- прибор преобразования информации (ПФИ);

- компьютер, имеющий специальное программное обеспечение;

- генератор водорода «ГВЧ-12А»;

- три блока подготовки газа (БПГ) с пультами управления;

- пульт управления подачи водорода (ПУПВ);

- три пульта управления (ПУ-09)

- блок питания детектора хроматографа с ДТП (БПД-104);

- блок питания детектора хроматографа с ПИД (БИД-45-2).

Прибор «Водолей» соединен с генератором «ГВЧ-12А», который в свою очередь связан через ПУПВ с каждым БПГ с ПИД. К БПД-104, соединенному с хроматографом с ДТП, и двум усилителям электрометрам, подключенным к двум хроматографам с ПИД, подведены кабель-соединители от ПУ-09 и ПФИ.

Комплекс для газохроматографического анализа проб воздух

Рисунок 3 - Комплекс для газохроматографического анализа проб воздух

Установка для прокачки поверочной газовой смеси (ПГС)
(Рис. 4) предназначена для градуировки хроматографа с детектором по теплопроводности путём прокачки поверочной газовой смеси через концентраторы, используемые в блоке пробоотборников для отбора проб воздуха на содержание окиси углерода. Установка состоит из прямоугольного каркаса, облицованного вертикальными и горизонтальными стенками, во внутренней полости которого размещены баки, электромагнитные клапаны, вакуумный насос, а на лицевой панели сигнальные лампы и кнопки управления, снабжена точными датчиками давления, точным датчиком температуры, цифровыми измерителями-регуляторами давления и цифровым измерителем температуры, выведенными на лицевую панель, при этом соединение составных частей установки выполнено в виде гибких трубопроводов и быстроразъемных цанговых фитингов, причем установка снабжена блоком кондиционирования и фильтром влагоотделителем, размещенными на задней вертикальной стенке и обеспечивающим очистку и осушение сжатого воздуха, подводимого для поддува внутренней полости установки, а также сигнализатором давления для поддержания избыточного давления внутри установки.
Установка для прокачки ПГС

Рисунок 4 - Установка для прокачки ПГС

Установка для определения активных объёмов вакуумируемой части
(Рис. 5) предназначена для точного определению рабочих объёмов вакуумируемой части блока пробоотборников. Установка состоит из прямоугольного каркаса, облицованного вертикальными и горизонтальными стенками, во внутренней полости которого размещены: бак с индикатором заполнения, вакуумметр, точные игольчатые вентиля. На левой боковой вертикальной стенке установлены штуцера присоединения трубопроводов от вакуумного насоса и измеряемого (вакуумируемого) изделия. На правой боковой вертикальной стенке установлены штуцер подвода мерной жидкости и штуцер подвода воздуха из атмосферы. Мерная жидкость подводиться к установке из стандартного мерного цилиндра, расположенного справа от установки, через трубопровод.
Установка для определения активных объёмов вакуумируемой части

Рисунок 5 - Установка для определения активных объёмов вакуумируемой части

Установка для подачи газов
(Рис. 6) предназначена для подачи газов: гелий, воздух и поверочной газовой смеси к комплексу для газохроматографического анализа проб воздуха и установке для прокачки поверочной газовой смеси. Установка для подачи газов состоит из каркаса, облицованного вертикальными и горизонтальными стенками, распашными створками, во внутренней полости которого размещены баллоны с газом, крепящиеся к каркасу при помощи хомутов, редуктор газовый баллонный, а также один газовый баллон с редуктором газовым баллонным, расположенным снаружи каркаса и соединяющийся с ним при помощи гибкого шланга и хомутов, одна из облицовочных стенок выполнена в виде наклонной панели управления, на которой размещены редуктор газовый баллонный и точные игольчатые вентили, а верхняя горизонтальная стенка – в виде панели присоединительных штуцеров, соединение составных частей установки выполнено при помощи быстроразъемных цанговых фитингов и гибких соединительных трубок, причем на задней вертикальной стенке выведен присоединительный штуцер фильтра осушения воздуха, позволяющего осуществлять осушение подводимого к установке сжатого.
Установка для подачи газов

Рисунок 6 - Установка для подачи газов

3. Заключение

Создание автоматизированного лабораторного комплекса для отбора и газохроматографического анализа проб воздуха при стендовых испытаниях ГТД с применением современной элементной базы позволило обеспечить:

- сокращение времени отбора проб воздуха из компрессора ГТД;

- экономию авиационного топлива;

- высокую точность измерения (средняя суммарная погрешность не более 5%);

- высокую автоматизацию и производительность процесса отбора и анализа проб;

- оптимизацию процесса контроля и хранения данных, получаемых при анализе проб;

- оперативность сбора и обработки большого объема аналитической информации.

Article metrics

Views:1028
Downloads:1
Views
Total:
Views:1028