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

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

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.

Используя Методические указания 1.1.258—99

- 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.

Рисунок 1 - Структурная схема комплекса

DOI:10.23670/IRJ.2023.128.68.3

КОПВ

[9]

(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.

Рисунок 2 - Комплекс для отбора проб воздуха

DOI:10.23670/IRJ.2023.128.68.4

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

- 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.

Рисунок 3 - Комплекс для газохроматографического анализа проб воздух

DOI:10.23670/IRJ.2023.128.68.5

Установка для прокачки поверочной газовой смеси (ПГС)

[11]

(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.

Рисунок 4 - Установка для прокачки ПГС

DOI:10.23670/IRJ.2023.128.68.6

Установка для определения активных объёмов вакуумируемой части

[12]

(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.

Рисунок 5 - Установка для определения активных объёмов вакуумируемой части

DOI:10.23670/IRJ.2023.128.68.7

Установка для подачи газов

[13]

(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.

Рисунок 6 - Установка для подачи газов

DOI:10.23670/IRJ.2023.128.68.8

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.