[ Pobierz całość w formacie PDF ]
SZKOLENIE I BEZPIECZEŃSTWO LOT¶W
Mjr dr inż. Ryszard Chachurski
Dr hab. inż. Grzegorz Kowaleczko
Wojskowa Akademia Techniczna
Wpływ oblodzenia statkw powietrznych
na pracę silnikw turbinowych
N
a wystąpienie oblodzenia statku po-
nia Î instalacja przeciwoblodzeniowa samo-
lotu nie włączyła się z powodu niezadziała-
nia czujnikw oblodzenia.
wietrznego oraz jego zespołu napędo-
wego ma wpływ wiele czynnikw, z ktrych
głwnymi są: temperatura, względna wilgot-
ność powietrza, wodność chmur, średnia
średnica kropel, a także poziome i pionowe
rozmiary chmur oraz prędkość i wysokość
lotu statku powietrznego. Meteorologiczne
warunki sprzyjające oblodzeniu charakteryzu-
ją się obecnością zawieszonych w powietrzu
przechłodzonych kropel wody lub kryształkw
lodu w formie chmur, mgły, deszczu czy mo-
krego śniegu. Poruszający się statek powietrz-
ny wyprowadza znajdujące się w opływają-
cym go powietrzu przechłodzone krople
wody ze stanu chwiejnej rwnowagi, powo-
dując ich zamarzanie na powierzchniach stat-
ku. Badania oblodzenia statkw powietrz-
nych w wielu krajach prowadzone są już od
lat 30. XX wieku. Wyniki tych badań oraz
analizy statystyczne wskazują, że zjawisko
oblodzenia samolotw podczas lotu jest zja-
wiskiem przypadkowym, występującym z rż-
nym prawdopodobieństwem dla rżnych ro-
dzajw chmur, np. podczas lotu statku po-
wietrznego wewnątrz chmur typu stratocumu-
lus, gdy temperatura otoczenia jest ujemna,
prawdopodobieństwo oblodzenia statku nale-
ży do najwyższych i wynosi 85% przy prędko-
ści narastania powłoki lodowej od 0,5 do
2,0 mm/min. Oblodzenie statkw powietrz-
nych jest groźne nawet dla najnowocześniej-
szych konstrukcji, przykładem może być wy-
łączenie się obu silnikw Rolls-RoyceÓa
Trent
800
samolotu
Boeing 777
podczas lądowa-
Wpływ oblodzenia
na lotnicze silniki turbinowe
W warunkach sprzyjających powstawaniu
oblodzenia ld tworzy się nie tylko na elemen-
tach płatowca, ale także na elementach zespo-
łw napędowych statku powietrznego, takich
jak nieruchome elementy wlotu, kanału wlo-
towego, łopatek wlotowego wieńca kierow-
nic, kołpaka ciała centralnego na wlocie do
sprężarki i żeber przedniej podpory, a także
łopatek wirnikowych i kierowniczych pierw-
szego stopnia sprężarki (rysunek). Tworzenie
się powłoki lodowej na żebrach wlotowych
i łopatkach ma charakter podobny do charak-
teru obladzania powierzchni nośnych statku
powietrznego, jednak z powodu znacznie
mniejszych rozmiarw tych elementw kon-
strukcyjnych wywołuje większe skutki. Two-
rzenie się powłoki lodowej na powierzchni
kanału wlotowego i bezpośrednio na wlocie
do sprężarki silnika zmienia geometrię i prze-
krj poprzeczny kanału przepływowego, po-
wodując zmianę charakteru przepływu w ka-
nale wlotowym oraz zmianę parametrw stru-
mienia powietrza na wlocie do sprężarki. Na
wystąpienie oblodzenia szczeglnie wrażliwe
są silniki ze sprężarkami osiowymi ze wzglę-
du na ich konstrukcję i warunki pracy. Wzrost
oporw przepływu prowadzi do zmniejszenia
masowego natężenia przepływu powietrza
Przegląd Sił Powietrznych
35
oraz sprężu, powodując spadek mocy silnika.
Po zmniejszeniu masowego natężenia przepły-
wu powietrza, aby zachować moc silnika śmi-
głowca niezbędną do utrzymywania stałej
prędkości obrotowej wirnika nośnego, nastę-
puje zwiększenie ilości paliwa podawanego
do komory spalania, co prowadzi do znacz-
nego wzrostu temperatury gazw przed turbi-
ną. Może to spowodować przegrzanie elemen-
tw turbiny lub wyłączenie silnika przez układ
ograniczający temperaturę przed turbiną. Po-
nadto asymetryczne oblodzenie łopatek wlo-
towego wieńca kierownic może zwiększyć
nierwnomierność pola temperatur przed tur-
biną. Zwiększenie ilości paliwa podawanego
do komory spalania w połączeniu ze zmniej-
szeniem masowego natężenia przepływu po-
wietrza powoduje zwiększenie strat cieplnych
w wyniku nagrzewania się konstrukcji oraz
zwiększenie ilości niespalonego paliwa uno-
szonego z gazami wylotowymi, co zwiększa
jednostkowe zużycie paliwa. Zmniejszenie
masowego natężenia przepływu, nierwno-
mierność obwodowa kanału przepływowego,
zmiana geometrii wlotu i profilu łopatek wlo-
towego wieńca kierownic oraz wzrost tem-
peratury gazw przed turbiną mogą spowo-
dować niestateczną pracę sprężarki, a w konse-
kwencji Î niebezpieczny wzrost drgań silnika
i zerwanie płomienia w komorze spalania.
Łopatki wirnikowe, ze względu na działa-
nie sił odśrodkowych, w pewnym stopniu są
zabezpieczone przed oblodzeniem. Ld jed-
nak może odkładać się na nich i tworzyć po-
włoki o znacznej grubości. Zjawisko to może
występować zwłaszcza wtedy, kiedy wirnik
pracuje z niewielkimi prędkościami obroto-
wymi. Nierwnomierne tworzenie się powło-
ki lodowej na powierzchni łopatek wirniko-
wych pierwszego stopnia sprężarki i nierw-
nomierne odrywanie się tej powłoki zwiększa
niewyrwnoważenie wirnika i zmienia charak-
ter opływu strumieniem powietrza, co może
spowodować wzrost drgań silnika i w następ-
stwie uszkodzenie łożysk. Maleją też luzy
wierzchołkowe, co powoduje uszkodzenia
łopatek wskutek zaczepiania ich wierzchołkw
o ścianki kadłuba sprężarki. Narośla lodowe
na łopatkach wirnikowych lub kierowniczych,
gdy osiągną znaczną grubość, mogą uszkadzać
krawędzie natarcia poprzedzających wieńcw
łopatek lub krawędzie spływu następnych.
Odrywające się od elementw wlotu kawałki
twardego lodu, porywane przez strumień po-
wietrza, powodują wgniecenia na krawędziach
natarcia łopatek wirnikowych. Wgniecenia te
pod wpływem drgań mogą się zmienić w pęk-
nięcia, a działające siły odśrodkowe mogą do-
prowadzić do urwania się łopatek i zniszcze-
nia silnika. Przyczyną odrywania się kawałw
lodu od powierzchni może być także zbyt pź-
ne włączenie instalacji przeciwoblodzeniowej
Î zwiększanie się temperatury ogrzewanych
elementw wlotu powoduje zmniejszenie
przyczepności powłoki lodowej do ich po-
wierzchni. Ld może tworzyć się także na
czujnikach instalacji sterowania silnikami.
Wpływa to na powstawanie błędnych sygna-
Najbardziej narażone na oblodzenie elementy silnika turbinowego w zależności od konfiguracji silnika:
a Î nieruchome ciało centralne, żebra wlotowe, wlotowy wieniec kierownic, wieniec wirnikowy, wieniec
kierownic; b Î nieruchome ciało centralne, żebra wlotowe, wieniec wirnikowy, wieniec kierownic,
c Î nieruchome ciało centralne, wlotowy wieniec kierownic, wieniec wirnikowy, wieniec kierownic,
d Î wirujący kołpak, wieniec wirnikowy, wieniec kierownic
36
Listopad 2004
łw, wykorzystywanych np. do obliczania cią-
gu niezbędnego do lotu przez systemy typu
FADEC.
Pojawienie się oblodzenia silnika lub nie-
efektywnego działania instalacji przeciwoblo-
dzeniowej silnika można rozpoznać po znacz-
nym wzroście temperatury przed turbiną,
zmniejszeniu prędkości obrotowej wirnika
oraz zwiększeniu drgań lub wystąpieniu ob-
jaww niestatecznej pracy sprężarki. Należy
wtedy jak najszybciej wyjść ze strefy oblo-
dzenia lub wyłączyć silnik.
cych oblodzenie, trzeba je włączać wcześniej.
Efektywność powietrznej instalacji przeciw-
oblodzeniowej uzależniona jest od zakresu
pracy silnika, konieczne może być zatem
zwiększenie zakresu pracy silnika, jeśli efek-
tywność działania instalacji jest niewielka.
Należy pamiętać, że włączanie instalacji
przeciwoblodzeniowej powoduje jednocze-
śnie obniżenie mocy silnika z powodu pod-
wyższenia temperatury powietrza na wlocie,
co zmniejsza jego masowe natężenie przepły-
wu. Nieuzasadnione używanie instalacji prze-
ciwoblodzeniowej może prowadzić do prze-
grzewania odladzanych elementw i w kon-
sekwencji do zmniejszenia ich wytrzymało-
ści. Pewnym, a zarazem ekonomicznym spo-
sobem ogrzewania niektrych elementw ze-
społu napędowego jest wykorzystanie gorą-
cego oleju odsysanego z podpr silnika do
integralnego zbiornika oleju, ktrego ścianki
stanowią wewnętrzne ścianki kanału wlotowe-
go. Ponadto na elementach wlotu silnika
i przedniej części sprężarki stosuje się specjal-
ne powłoki ograniczające możliwość osadza-
nia się lodu. W niektrych statkach powietrz-
nych płatowcowe wloty do silnikw wyposa-
żone są w pneumatyczną instalację przeciwo-
blodzeniową, ktrej działanie polega na kru-
szeniu powstającej powłoki lodowej podczas
odkształcania elastycznego pokrycia wlotu.
Przeciwdziałanie oblodzeniu
lotniczych silnikw turbinowych
Opisane oddziaływanie oblodzenia na ze-
społy napędowe statkw powietrznych jest od
dawna znane, a stosowane wspłcześnie in-
stalacje przeciwoblodzeniowe skutecznie za-
pobiegają oblodzeniu. Elementy wlotu, kana-
łu wlotowego i wlotowej części sprężarki naj-
częściej są ogrzewane powietrzem o tempe-
raturze do 250 C pobieranym ze sprężarki.
Uważa się, że działanie instalacji przeciwo-
blodzeniowej jest w pełni efektywne, gdy od-
ladzane powierzchnie nagrzewane są do tem-
peratury 80 - 100 C. Elementy wlotu płatow-
ca mogą być ogrzewane także za pomocą in-
stalacji elektrycznej. Instalacje przeciwoblo-
dzeniowe włączane są automatycznie Î po
otrzymaniu przez mechanizm wykonawczy
sygnału z czujnika oblodzenia, lub ręcznie Î
po stwierdzeniu przez załogę zaistnienia wa-
runkw do wystąpienia oblodzenia lub po za-
świeceniu się lampki sygnalizacyjnej w kabi-
nie załogi. Podczas lotu w warunkach oblo-
dzenia instalacja przeciwoblodzeniowa silni-
kw powinna być włączona, przy czym nale-
ży ją włączyć przed wejściem w strefę oblo-
dzenia i wyłączyć po opuszczeniu tej strefy.
Najczęściej stosowane instalacje przeciwoblo-
dzeniowe zasilane powietrzem pobieranym ze
sprężarki mają (w porwnaniu z instalacją
elektryczną) dużą bezwładność cieplną z po-
wodu powolnego nagrzewania się chronio-
nych powierzchni, dlatego, przewidując moż-
liwość wystąpienia warunkw umożliwiają-
Skutki zassania wody, śniegu
lub lodu do silnika turbinowego
Mniej znanym zjawiskiem mogącym się
pojawić na skutek oblodzenia zespołw na-
pędowych jest nagłe zassanie do wnętrza ka-
nału przepływowego silnika turbinowego płata
śryżu (początkowe stadium powstawania po-
krywy lodowej Î błoto pośniegowe) i śniegu,
wody czy gradu, co może zgasić płomień
w komorze spalania i spowodować niespo-
dziewane wyłączenie silnika, a nawet wszyst-
kich silnikw. I choć zassanie niewielkiej ilo-
ści wody zwiększa sprawność silnikw oraz
ich moc dzięki usprawnieniu obiegu termo-
dynamicznego i zwiększeniu masowego na-
tężenia przepływu, to zassanie większej ilo-
Przegląd Sił Powietrznych
37
ści wody powoduje niebezpieczeństwo zga-
śnięcia silnika, gdyż woda, ktra nie odparuje
w sprężarce, może odparować w sposb gwał-
towny, pseudodetonacyjny i zgasić płomień
w komorze spalania. Badania silnikw samo-
lotu
Boeing B767
pozwoliły dowieść, że do
zgaszenia płomienia w komorze spalania wy-
starcza przedostanie się lodu w ilości rwno-
ważnej 350 cm
3
wody. Wykonane w 1968 roku
badania silnikw
Allison 250
(ktrych odpo-
wiednikiem są silniki
GTD 350
) wykazały, że
zassanie do wlotu 20 gramw śniegu powo-
duje niestateczną pracę sprężarki, a zassanie
30 gramw śniegu i więcej zawsze powoduje
wyłącznie silnika. Efektywnymi urządzenia-
mi zabezpieczającymi przed dostawaniem się
do kanału przepływowego silnika bryłek lodu
i płatw śryżu (oraz śniegu, wody czy gradu)
są bezwładnościowe odpylacze powietrza
wlotowego lub wielofunkcyjne układy dolo-
towe, ktre, pracując w trybie przeciwoblo-
dzeniowym, usuwają z powietrza wlotowego
na zewnątrz wszystkie cząstki lodu.
Śmigłowce eksploatowane podczas opadw
śniegu muszą być wyposażone w specjalne
deflektory zabezpieczające wloty do silnikw.
Instalacje zapłonowe niektrych silnikw pod-
czas lotu w warunkach oblodzenia mogą pra-
cować w trybie ciągłym, aby natychmiast roz-
płomienić paliwo w przypadku przerwania
spalania na skutek zassania lodu.
żych prędkościach obrotowych wirnika
(w przypadku silnikw śmigłowcw). Z tego
względu, w celu zwiększenia bezpieczeństwa
lotu, w kanałach wlotowych silnikw należy
umieszczać sygnalizatory oblodzenia działa-
jące niezależnie od sygnalizatorw płatowca,
a ponadto, jeśli to możliwe, sygnalizatory ob-
lodzenia należy ustawiać w kanałach wloto-
wych silnikw. Przepisy FAR definiują bo-
wiem warunki oblodzenia dla zespołw na-
pędowych jako takie, w ktrych temperatura
otoczenia (OAT) na ziemi lub podczas startu,
albo temperatura spiętrzenia w locie (TAT)
wynosi 10 C lub mniej i widoczna jest wil-
goć w każdej postaci (np. chmury, mgła z wi-
docznością do 1 mili lub mniejszą, deszcz,
śnieg, deszcz ze śniegiem, kryształki lodu).
Warunki sprzyjające oblodzeniu zachodzą tak-
że na ziemi lub podczas startu, gdy tempera-
tura otoczenia wynosi 10 C lub jest niższa
i gdy płaszczyzny postoju, drogi kołowania
i drogi startowe są pokryte śniegiem, lodem,
stojącą wodą lub błotem pośniegowym, ktre
mogą zostać zassane do kanałw przepływo-
wych silnikw lub mogą zamarzać na silni-
kach, osłonach lub czujnikach silnikw.
Wnioski z badań
prowadzonych w WAT
W ekspertyzie dotyczącej możliwości ob-
lodzenia elementw zespołw napędowych
statkw powietrznych, wykonanej w Instytu-
cie Techniki Lotniczej Wydziału Mechatro-
niki Wojskowej Akademii Technicznej na
przełomie 2003 i 2004 roku, stwierdzono, że
oblodzenie wlotw do silnikw nie jest zja-
wiskiem odosobnionym i wielokrotnie było
przyczyną wyłączeń silnikw turbinowych
w czasie lotu statkw powietrznych, co pro-
wadziło do wypadkw i katastrof. Uznano, że
działanie czujnika oblodzenia
RIO-3
może być
wiarygodne dla silnika śmigłowca jedynie
wtedy, gdy czujnik znajduje się we wlocie sil-
nika. W instrukcjach eksploatacji w powie-
trzu statkw powietrznych wyposażonych
w silniki turbinowe (dotyczy to statkw po-
wietrznych wszystkich typw) zaproponowa-
Warunki
sprzyjające oblodzeniu
silnikw turbinowych
Należy pamiętać, że w odrżnieniu od ob-
lodzenia płatowca, ktre następuje w ujem-
nych temperaturach otaczającego powietrza,
oblodzenie zespołw napędowych może się
pojawić już w dodatnich temperaturach oto-
czenia, wynoszących od +5 do +10 C. Przy-
czyną tego są duże prędkości przepływu po-
wietrza w kanale wlotowym i zachodzące z te-
go powodu obniżanie temperatury powietrza
w tym kanale. Jest to szczeglnie istotne pod-
czas pracy silnika na ziemi lub przy niewiel-
kich prędkościach statku powietrznego i du-
38
Listopad 2004
nie mają, a także przebadanie odpylaczy pod
kątem separowania lodu i śniegu zasysanego
do wlotw. Projekt i prototyp takiego odpyla-
cza można wykonać w ITL WAT. Zapropono-
wano także prowadzenie w ITL WAT szkoleń
dla personelu latającego i technicznego, np.
w formie kursw doskonalących na tematy do-
tyczące oblodzenia statkw powietrznych i je-
go skutkw (zdjęcie).
Pracownicy Instytutu Techniki Lotniczej
Wydziału Mechatroniki Wojskowej Akademii
Technicznej są gotowi do opracowania in-
strukcji dotyczącej oblodzenia statkw po-
wietrznych, a także do uczestniczenia w ba-
daniach oblodzenia statkw powietrznych
w locie.
Bibliografia
1.
Aircraft Icing Handbook
. Civil Aviation Authority
of New Zealand, 2000.
2. Braithwaite G. i in.:
Aviation Meteorology
. Mate-
riały University of New South Wales, Australia.
3. Domotenko N. T.:
Awiacyonnyje siłowyje ustanow-
ki
. Transport. Moskwa 1970.
4.
Flight in Icing Conditions
.
Pilot Guide
. Federal
Aviation Administration, 2002.
5. Fieldman E. Ł.:
Osnowy konstrukcyj awiacyonnych
dwigatielej
. Transport. Moskwa 1970.
6. Gajewski T.:
Turbinowe napędy lotnicze. Podstawy
teorii i eksploatacji dla pilota. Podręcznik
. DWL,
Poznań 1984.
7.
Ice Ingestion Causes Both Engines to Flame Out
During Air-taxi TurbopropÓs Final Approach
. Flight
Safety Foundation, Vol. 56. No 2, 1999.
8. Mazin I. P.:
Fiziczeskije osnowy obledienienija sa-
molotow
. Gidromietieorołogiczeskoje izdatielstwo,
Moskwa 1957.
9.
Subpart E Î Powerplant. Section 6. Induction Sys-
tem
. Federal Aviation Regulation.
10. Tieniszew R. H.:
Protiwoobledienitielnyje sistiemy
letatielnych apparatow. Osnowy projektirowanija
i mietody ispytanij
. Maszynostrojenie, Moskwa
1967.
12.
2002-NM-318-AD Docket No.; Amendment 39-
-13027; AD 2003-03-03
. Rules and Regulations,
Federal Aviation Administration, 2003.
Oblodzenie wlotu turbinowego silnika śmigłowca.
Zerwanie części powłoki lodowej z ciala centralnego
doprowadzilo do zgaśnięcia silnika
no rozgraniczenie temperatury początku ob-
lodzenia dla płatowca i silnika (płatowiec
+5 C, silnik +10 C). Wskazano, że pożądane
jest zainstalowanie czujnika temperatury
w okolicy centralnego ciała wlotu silnika.
Czujnik powinien wspłpracować z instala-
cją przeciwoblodzeniową, a jeżeli jest to nie-
możliwe Î może być on autonomicznym,
dodatkowym źrdłem informacji o oblodze-
niu (np. lampka sygnalizacyjna w kabinie pi-
lota). Instytut Techniki Lotniczej Wydziału
Mechatroniki Wojskowej Akademii Technicz-
nej może zaprojektować i wykonać prototyp
takiego czujnika. Zasugerowano rozważenie
możliwości wyposażenia w odpylacze powie-
trza wlotowego tych śmigłowcw, ktre ich
Icing of intakes of turbine engines has often been the reason for the engines disen-
gaging during flights, which led to accidents. Scientists from the Institute of Aviation
Technology at the Military University of Technology have declared their readiness to
design a sensor which would record temperature in the intake and at the same time it
would cooperate with the anti-icing system.
Przegląd Sił Powietrznych
39
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
© 2009 Po zniszczeniu przeszłości przyszedł czas na budowanie przyszłości. - Ceske - Sjezdovky .cz. Design downloaded from free website templates