Обмерзання повітрозабирачів і силових установок

Конструктивно вхідна частина тонелів повітрозабирачів турбореактивних двигунів виконується спрофільовано. Перетин передньої частини корпуса повітрозабирача трохи нагадує профіль крила, тому фізична картина його обмерзання приблизно така сама. Але при цьому існують деякі особливості в обмерзанні повітрозабирачів і двигунів (рис.1.10):

- можливість їхнього обмерзання при позитивній температурі навколишнього середовища;

- інтенсивність обмерзання і зона захоплення внутрішньої поверхні на вході повітрозабирача може бути значно більшою, ніж на зовнішній поверхні.

Перша особливість пояснюється тим, що на вході повітрозабирача при визначених режимах польоту (наприклад, при зльоті, коли швидкість польоту невелика, а частота обертання ротора двигуна велика, аналогічно і на окремих етапах посадки) швидкість повітря різко зростає в порівнянні із швидкістю польоту. При цьому залежно від профілю каналу відбувається більш-менш значне розширення повітря і зниження його тиску, відповідно і температури. Через це з повітря конденсується волога. Якщо потік, що набігає, особливо з підвищеною вологістю, має порівняно низьку позитивну температуру, то на вході повітрозабирача температура може стати негативною і виникне обмерзання поверхонь. Чим більше різниця швидкостей, тим значніше зниження температури. У практиці відомі випадки обмерзання вхідних частини повітрозабирачів і двигунів при температурі навколишнього повітря 5 ... 10˚С.

Рис.1.10. Схема обмерзання повітрозабирача і вхідних частин ТРД з вісьовим компресором:

1 – обтікач і стійки корпуса обтікача; 2 – нерухомі лопатки вхідного направляючого апарату; 3 – роторні лопатки першогоступеня компресора; а – дозвукового повітрозабирача із захисними сітками 1; б – надзвукового повітрозабирача

Друга особливість – збільшення інтенсивності обмерзання і зони захоплення льодом на внутрішній поверхні вхідної частини повітрозабирача приводить до порушення аеродинаміки обтікання лопаток вхідного направляючого апарата і перших ступенів компресора двигуна. Нерівномірність поляр швидкостей, місцеві зриви потоку можуть викликати вібрацію лопаток компресора. Обмерзання надзвукових повітрозабирачів при зльоті на невеликих дозвукових швидкостях польоту, коли потрібно забезпечити максимально можливу витрату повітря, приводить до найбільш важких наслідків – помпажу двигунів і їхньому самовимиканню. На деяких літаках з низьким розташуванням двигунів, під крилом, особливо, коли повітрозабирач знаходиться за переднім колесом, для запобігання потраплянню в двигун сторонніх предметів на вході встановлюються захисні сітки. В умовах обмерзання ці сітки стають самим уразливим елементом повітрозабирача. Обмерзання сіток перекриває значну частину прохідного перетину, що приводить до зменшення масової витрати повітря через компресор двигуна, а отже, до зниження тяги ТРД (рис.1.10,а).

Одночасно піддаються обмерзанню вхідні частини самих ТРД, особливо ТРД з вісьовими компресорами, що на відміну з відцентровими компресорами мають на лобових поверхнях більш низьку температуру. Обмерзають обтічник, стійки корпуса, лопатки вхідного направляючого апарата, перших ступенів компресора і усі виступаючі агрегати двигуна, що розташовані у вхідному тонелі (сигналізатори обмерзання, датчики тиску, температури і т.п.), біля яких потік повітря змінює свій напрямок. Як правило, найбільша кількість льоду відкладається на нерухомих елементах вхідного тракту компресора і менше – на робочих лопатках (рис.1.10). За формою і видом льодоутворення на елементах авіаційних двигунів аналогічні раніше розглянутим, але мають відносно велику зону захоплення. Обмерзання призводить до таких небезпечних наслідків:

- порушення форми і розмірів проточної частини, зміна параметрів повітря на вході в компресор і характеру протікання повітря у вхідному каналі;

- збільшення аеродинамічного опору потоку повітря на вході в двигун, зменшенню секундної витрати повітря і ступеня підвищення тиску повітря в компресорі, тяги (потужності) двигуна;

- підвищення температури газів перед турбіною через зменшення витрати повітря через двигун;

- збільшення вібрацій двигуна через несиметричне утворення і скидання льоду з робочих лопаток компресора.

В цілому, порушення аеродинаміки, що виникають при обмерзанні повітрозабирача і вхідних частин ТРД, знижують ККД двигуна і сприяють виникненню хиткого режиму його роботи, яке супроводжується сильною вібрацією, а нерівномірне скидання льоду, який утворився, асиметрія обмерзання, зриви потоку і його пульсації викликають помпаж двигуна і зриви полум'я в камері згоряння, що в підсумку приводить до вимикання двигуна.

Зменшення витрати повітря знижує тягу двигуна. Для збереження заданої частоти обертання компресора і відповідно тяги, автоматично збільшується питома витрата палива, що спричиняє з одного боку збільшенню витрати палива, а з іншого боку – є причиною підвищення до неприпустимих величин температури газів перед турбіною. У випадку, коли двигун має автоматичну систему захисту турбіни від розкручування (руйнування), двигун самовимикається.

Асиметричне обмерзання і нерівномірне мимовільне скидання льоду з робочих лопаток компресора можуть привести до розбалансування ротора і появі вібрації силової установки, а як наслідок цього, руйнування підшипників ротора двигуна. Скидання ж шматків льоду з вхідної частини повітрозабирачів у компресор може привести до руйнування його лопаток, що у свою чергу може бути причиною руйнування і пожежі двигуна.

Аналогічний вплив має обмерзання на роботу повітрозабирачів теплообмінних агрегатів. Воно приводить до перегріву масла, води, повітря з усіма наслідками, що звідси випливають.

Деяку своєрідність має картина обмерзання турбогвинтових двигунів (ТГвД), які, як відомо, дуже чутливі до зменшення витрати повітря через компресор. На перший погляд здається, що повітрозабирач ТГвД буде піддаватися менш інтенсивному обмерзанню, тому що він захищений повітряним гвинтом. У дійсності, кількість водяних крапель, що проникають через площину гвинта, зменшується незначно, а відкидання повітряного потоку збільшує їхню швидкість, що відповідно, підвищує коефіцієнт захоплення і лід проникає в тракт повітрозабирача на велику глибину, що приводить до порушень у роботі ТГвД, аналогічних раніше розглянутих при обмерзанні ТРД.

Особливу небезпеку становить обмерзання повітряних гвинтів ТГвД (рис.1.11), що починається в першу чергу на передніх частинах лопастей гвинта, поступово поширюючись уздовж хорди і захоплюючи до 20...25% її довжини.

Могутнім «нагромаджувачем» льоду є також і обтічник корпуса (кок) повітряного гвинта. Причому шматки льоду, що відірвалися від нього можуть ушкоджувати лопасті гвинта, потрапляти в тонель повітрозабирача і далі на лопатки ВНА і компресора ТГвД із наслідками, що звідси випливають.

Поряд з порушеннями аеродинаміки обтікання повітряного гвинта існує ще і механічний фактор. На деяких режимах польоту (особливо на невеликих частотах обертання двигуна), лід може поширюватися по всій довжині лопастей. При досягненні товщини його шару 5...7 мм (на великих частотах обертання – трохи менше), через перевагу відцентрових сил над силами зчеплення льоду з поверхнею лопастей виникає мимовільне, як правило нерівномірне і несиметричне, скидання льоду, що нагромадився. У підсумку – порушення балансування гвинта і високочастотна вібрація силової установки і всього літака з подальшою високою імовірністю руйнування опорних підшипників ротора ТГвД і його відмовою. При цьому через високу інтенсивність обмерзання гвинта відбувається погіршення його тягових характеристик і падіння ККД (рис.1.12).

З іншого боку – відривання від гвинта великих мас льоду, що мають значну кінетичну енергію несе й небезпеку ушкодження двигуна та обшивки герметичної кабіни, що може призвести до порушення її герметичності.

Слід також зазначити, що на крейсерському режимі польоту за рахунок великої результуючої колової швидкості кінців лопастей, внаслідок аеродинамічного нагрівання їхні поверхні можуть мати позитивну температуру, тобто не піддаватись обмерзанню.

При польоті в умовах обмерзання йому піддаються і приймачі повітряних тисків (ПВТ), що приводить до відмови приладів барометричної групи: покажчиків швидкості, висоти, числа М, варіометра. Обмерзає також лобове засклення ліхтаря кабіни екіпажа. Хоча їхнє обмерзання не впливає на аеродинамічні характеристики літальних апаратів, проте видимість через скло, яка є основним фактором при візуальному керуванні літаків і вертольотів, сильно погіршується або зовсім зникає, що може приводити до серйозних наслідків під час виконання посадки чи зльоту.