Способ оценки средних за полёт концентраций токсичных примесей в воздухе гермокабин летательных аппаратов и в воздухе, поступающем от компрессоров газотурбинных двигателей, и устройство для его осуществления

Область техники

Изобретения относятся к области получения и подготовки образцов для исследования и анализа материалов в газообразном состоянии, а именно к способам оценки средних за полет концентраций токсичных примесей в воздухе гермокабин летательных аппаратов и в воздухе, поступающем от компрессоров газотурбинных двигателей, и устройству для оценки чистоты воздуха гермокабин летательных аппаратов и воздуха, поступающего от компрессоров газотурбинных двигателей, на содержание продуктов разложения смазочных масел и могут быть использованы при заводских и сертификационных испытаниях авиационной техники на соответствие требованиям §25.831 по авиационным правилам АП-25 в части проверки качества подаваемого на дыхание пассажирам и экипажу из системы кондиционирования воздуха, отбираемого от газотурбинных двигателей, СанПиН 2.5.1.2423-08 и ГН 2.2.5.1313-03. Также они могут быть использованы при оценке чистоты воздуха, отбираемого от ГТД на летающих лабораториях.

Уровень техники

Основной источник загрязнения воздуха кабин ЛА - унос смазочного масла из передних опор двигателей с его последующим полным или частичным разложением в тракте компрессора ГТД (в зависимости от режима его работы). Сложная смесь, содержащая по данным ЛИИ, ЦИАМ, ГОСНИИГА и НИИАКМ пары и аэрозоли смазочного масла, пары алифатических углеводородов, акролеина, формальдегида, фенола, крезолов, уксусной кислоты, бензола, трикрезилфосфата (если он есть в рецептуре масла, а также в этом случае и диоктилсебацината), этилового, пропилового, бутилового, и изобутилового спиртов, ацетона, толуола, ксилолов, окиси и двуокиси азота, окиси и двуокиси углерода, поступает из системы кондиционирования воздуха (СКВ) в кабину ЛА. Для того чтобы оценить концентрации всех этих примесей в воздухе кабин ЛА на разных этапах полетов, требуется проведение отбора и анализа большого количества проб воздуха. При этом речь, в основном, идет об оценке непревышения критических параметров (предельно допустимых концентраций - ПДК), и в итоге общий уровень загрязненности воздуха кабины ЛА оценивается весьма слабо, несмотря на большое количество отобранных полетных проб воздуха. Средние за полет концентрации при этом практически не определяют.

Между тем примеси воздуха кабин ЛА влияют не только на состояние экипажа, но и при их накоплении неблагоприятно влияют на различные технические устройства, потребляющие воздух, отбираемый от ГТД, в частности, катализаторы конвертеров озона отравляются серо- и фосфорсодержащими соединениями, а цеолиты, входящие в состав кислорододобывающих установок, могут необратимо сорбировать полярные органические соединения (спирты, кислоты, фенол и крезолы), что приведет к их неспособности разделять кислород и азот воздуха. Поэтому необходимо знание средних за полет концентраций примесей воздуха кабин, пусть даже они не могут оказывать существенного влияния на экипаж и пассажиров (уровни концентраций ниже 0,5ПДК не требуют по санитарным нормам точной оценки).

Для этого предлагается изменить процедуру отбора по предложенному способу.

Отечественные требования к чистоте воздуха, подаваемого для вентиляции помещений для экипажа и пассажиров, регламентированы в Авиационных правилах, часть 25 «Нормы летной годности самолетов транспортной категории» АП-25. В соответствии с §25.831, наряду с требованием о необходимости подачи системой вентиляции достаточного количества воздуха (а), не содержащего "вредных и опасных концентраций газов и паров" (b), установлена необходимость обеспечения следующих условий:

- ПДК токсичных примесей, мг/м³, (d*):

- пары топлива - 300;

- пары и аэрозоль минеральных масел - 5;

- пары и аэрозоль синтетических масел - 2;

- акролеин - 0,2;

- формальдегид - 0,5;

- фенол - 0,3;

- бензол - 5;

- трикрезилфосфат - 0,5;

- диоктилсебацинат - 5,0;

- окислы азота - 5.

Известны способы отбора проб воздуха в газовые шприцы с последующим газохроматографическим анализом. Здесь число проб в одной точке будет равно числу нормируемых компонентов, что приводит к огромному суммарному количеству проб. Многие аналогичные методы изложены в справочнике по физико-химическим методам исследования объектов окружающей среды под редакцией Г.И. Арановича, изд-во «Судостроение», Ленинград, 1979 г., стр. 166-211.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является методика, изложенная в отчете ФГУП ЛИИ им. М.М. Громова №170-06-111. «Разработка методики определения концентраций токсичных примесей в воздухе кабин ЛА и оценки источников его загрязнения в соответствии с требованиями АП-25 и международных нормативных документов». Здесь для оценки содержания в воздухе кабин ЛА нескольких десятков органических примесей предлагается параллельный отбор всего от 3 до 5 проб воздуха путем аспирации через патроны с сорбентом за счет подключения к свободному концу концентратора вакуумированной емкости или аспиратора с последующим газохроматографическим анализом на колонках разной селективности и полярности. Для двигателей аналогичные методы изложены в МУ 1.1.258-99. «Методические указания. Двигатели газотурбинные авиационные. Порядок отбора и газохроматографического анализа проб воздуха из компрессора двигателя при стендовых испытаниях». НИИСУ, 1999.

Недостатком этого способа является то, что все эти пробы нужно непрерывно отбирать в полете, что часто дорого и затруднительно, а по окончании полетной программы может оказаться, что для полного расчета средних концентраций отобранных проб недостаточно (большие промежутки между отборами). Кроме того, т.к. отбор происходит методом аспирации (максимальный перепад давления - 1 атм), скорость прокачки через типовые концентраторы составляет 0,1-0,2 л/мин, что на 2 порядка меньше расхода воздуха при дыхании (18-25 л/мин), то такой отбор нельзя назвать изокинетическим. Уменьшить динамическое сопротивление концентраторов можно только уменьшив навеску сорбента в них, что приведет к проскоку ряда летучих токсичных компонентов (формальдегид, акролеин, ацетальдегид, ацетон, бензол). Поэтому для определения средней концентрации в воздухе кабины ЛА за полет концентраторы нужно часто менять (до 100 штук за 1 полет). Скорость прокачки и так мала, и из-за принципа изокинетичности ее уменьшать для сокращения количества пробоотборников нельзя.

Известны устройства для отбора и хранения проб воздуха в виде стеклянных неградуированных газовых пипеток с двумя одноходовыми кранами, выполненными по ГОСТ 18954-73 «Прибор и пипетки стеклянные для отбора и хранения проб газа».

Аналогичные устройства выполняются в виде канистр, описанные в стандарте ASTM (2001): «Standard Test Method for Determination of Volatile Organic Chemicals in Atmospheres (Canister Sampling Methodology), West Conshohocken, PA, American Society for Testing and Materials (ASTM Standard D5466-01)». При этом канистра с запорным вентилем используется либо предварительно отвакуумированной, либо отбор производится методом газового обмена (продувка канистры большим количеством воздуха).

Различные варианты таких устройств (отбор в газовые пипетки, пластиковые мешки и т.д.) пригодны лишь для отбора проб воздуха на содержание слабоадсорбирующихся газов, а согласно российским АП в воздухе кабин ЛА нормируется содержание большого количества высококипящих соединений (масло, керосин, трикрезилфосфат и т.д.).

Известен «Комплекс отбора проб воздуха», патент на изобретение №2494366, содержащий корпус, представляющий из себя соединенные между собой вертикальные панели, на которых расположены пробоотборники с адсорбционными пакетами, имеющими концентраторы, электромагнитные клапаны, фильтры - влагоотделители, датчики измерения температуры и давления, коллектор отбора проб, установленный перед испытуемым ГТД, диффузор с жиклерами, вакуумный насос и пульт управления. Однако этот комплекс используется только для стендовых испытаний двигателей.

Аспиратор для отбора проб воздуха ТУ 64-1-862-77, модель 822, выпускается Ленинградским объединением предприятий медицинской техники «Красногвардеец» (Ленинград, П-22, Инструментальная, 3). Прибор состоит из электродвигателя, небольшого воздушного насоса (побудитель расхода) и нескольких ротаметров (индикаторы расхода). Прибор позволяет отбирать одновременно две пробы на пыль (аэрозоли) с объемной скоростью до 20 л/мин и две пробы на газы (пары) с объемной скоростью до 1 л/мин. Однако максимальный перепад давления при отборе такими устройствами составляет не более 1 атм (реально 0,2-0,3 атм). Скорость прокачивания такими устройствами через патрон с сорбентом (концентратор) не более 0,1 л/мин, а при использовании плотно набитых трубок с малым сечением (рекомендуется при отборе с последующим анализом на капиллярной хроматографической колонке без сброса части пробы) может быть менее 0,01 л/мин, что не соответствует требованию изокинетичности. Масляный аэрозоль с адсорбированными на его поверхности примесями - основной загрязнитель воздуха кабин ЛА - не будет попадать в пробоотборник при малых скоростях прокачивания.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является насос-пробоотборник ручной, патент RU №89701, опубл. 10.12.2009 г., торговое название - НП-3М (далее - НП-3М), предназначенный для отбора разовых проб газовоздушных смесей с целью последующего определения их химического состава в соответствии с ГОСТР 51712-2001, ГОСТ 12.1.014-84, ГОСТР 51945-2002. Насос-пробоотборник ручной НП-3М является оригинальной разработкой ЗАО «Крисмас+» и производится по КРМФ.418311.002ТУ.

Это устройство содержит: цилиндрический корпус с обратным клапаном, шток с рисками и ручкой, поршень с резиновым уплотнением, крышку, закрывающую надпоршневое пространство. Этому насосу-пробоотборнику не присущи недостатки предыдущего. При периодическом прокачивании воздуха кабины через трубку с сорбентом (концентратор) можно отобрать среднюю за полет пробу. Однако к недостаткам такого устройства следует отнести ручной привод, что требует постоянного присутствия оператора на борту ЛА, что для двигателя вообще невозможно, и то, что максимальный перепад давления здесь равен 1 атм. Этого будет недостаточно для соблюдения изокинетичности при прокачивании воздуха через трубки-концентраторы с большим динамическим сопротивлением. Реальный перепад давления воздуха для обеспечения прокачки через такие трубки должен составлять 5-10 атм, что недостижимо при использовании метода аспирации независимо от конструкции аспиратора.

Предлагаемые изобретения направлены на достижение технического результата, заключающегося в повышении достоверности оценки загрязнения кабин за счет точного соблюдения принципа изокинетичности отбора пробы воздуха.

Существенные признаки

Для получения указанного технического результата в предлагаемом способе оценки средних за полет концентраций токсичных примесей в воздухе гермокабин летательных аппаратов и в воздухе, поступающем от компрессоров газотурбинных двигателей, включающем проведение отборов проб воздуха кабины или от фланца двигателя путем его прокачки через патроны пробоотборника с сорбентом, с последующим газохроматографическим анализом на колонках разной селективности и полярности для идентификации компонентов-примесей, отбор проб воздуха кабины или от фланца двигателя проводят с соблюдением принципа изокинетичности отбора. Для этого отбор проводят последовательно в два пробоотборника, при этом первый пробоотборник с сорбентом-фильтром тяжелых паров и аэрозольных частиц с малым динамическим сопротивлением используют в режиме аспирации, и осуществляют отбор токсичных примесей со скоростью прокачки воздушного потока, соизмеримой со скоростью потока воздуха при дыхании. Затем прошедшую через него пробу воздуха продавливают под избыточным давлением во второй пробоотборник через трубку-концентратор с сорбентом с большим динамическим сопротивлением для поглощения легких паров. При этом процесс циклически повторяют в течение всего полета. Количество прокачанного через пробоотборники воздуха будет равно полному объему подпоршневого пространства, умноженному на количество циклов, и приводится к нормальным условиям с учетом средней за полет температуры и давления воздуха кабины или в отбираемом от ГТД (по показанию бортовых датчиков).

Для достижения названного технического результата в предлагаемое устройство для отбора средней за полет пробы воздуха в кабинах самолета и от авиационных газотурбинных двигателей, содержащее цилиндрический корпус пробоотборника с входным патрубком отбора с установленным в нем обратным клапаном, с расположенным внутри штоком с рисками и поршнем с резиновым уплотнением, дополнительно внутри корпуса размещен внутренний ограничитель движения поршня. В надпоршневом пространстве к стенке корпуса и к поршню жестко закреплена пружина, работающая на растяжение. На корпусе установлен дополнительный патрубок, к которому присоединена трубка-концентратор малого сечения с расположенным внутри сорбентом, выполненным с возможностью обеспечивать большое динамическое сопротивление воздуху, а к снабженному обратным клапаном патрубку присоединена трубка-концентратор большого сечения с расположенным внутри волокнистым материалом типа стекловаты. Хвостовик штока снабжен выступом и неподвижной направляющей рейкой с зубцами, на торце корпуса установлен концевой выключатель, выполненный с возможностью срабатывать и отключать электропривод при касании к нему выступа хвостовика. На хвостовик штока насажен дополнительный корпус, в котором установлен электропривод штока, выполненный в виде электромотора с редуктором и гибким валом для передачи вращения на ось крепления зубчатого колеса, входящего в зацепление с зубчатой рейкой на штоке. На оси крепления зубчатого колеса размещена пружина. При этом ось зубчатого колеса выполнена в виде электромагнита, электрически связанного с пультом управления (ПУ), функционирующим по двухтактной схеме отбора проб в каждом цикле, счетчиком циклов, с электромотором, источником питания, с концевым выключателем, обеспечивающим:

- в начале каждого цикла возможность при отключенном электромагните включение двигателя и осуществление поступательного движения с поршнем в пробоотборнике, создающим в подпоршневом пространстве заданное давление;

- возможность через минуту подачи напряжения на электромагнит отделения зубчатого колеса из контакта с зубцами рейки с помощью пружины и освобождения штока.

Внутренняя поверхность корпуса пробоотборника изготовлена из тефлона или имеет тефлоновое покрытие для снижения адсорбции примесей. Если отборы происходят от двигателя, то трубки-концентраторы помещают в защитные кожухи.

Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежом, на котором изображена:

на фиг. 1 - схема устройства для осуществления предложенного способа, вид сбоку.

Для пояснения сущности изобретений на фиг. 1 показано устройство для отбора средней за полет пробы воздуха в кабинах самолетов и от авиационных газотурбинных двигателей.

Предлагаемый способ осуществляют в следующей последовательности.

Проводят отбор проб воздуха кабины или от фланца двигателя путем его прокачки через патроны с сорбентом - фильтром тяжелых паров и аэрозольных частиц с малым динамическим сопротивлением в режиме аспирации со скоростью воздушного потока, соизмеримого с потоком воздуха при дыхании, а прошедшая через него проба воздуха, содержащая легкие продукты разложения масла - альдегиды, кетоны, спирты, под избыточным давлением далее продавливается через концентратор с сорбентом с большим динамическим сопротивлением и количеством сорбента для поглощения легких паров. Повышается точность анализа за счет соблюдения принципа изокинетичности отбора, который проводится последовательно в два пробоотборника. Процесс циклически повторяется в течение всего полета, что снижает погрешность, возникающую при необратимой адсорбции части легких компонентов на внутренней поверхности емкости-пробоотборника легких паров. Затем проводят газохроматографический анализ на колонках разной селективности и полярности для идентификации компонентов-примесей. Благодаря использованию принципа изокинетичности отбора, значительно уменьшают время летного эксперимента по оценке чистоты воздуха кабины летательного аппарата или в мотогондоле за счет снижения общего количества отбираемых в полете проб воздуха, необходимых для расчета средней за полет концентрации вредных примесей в воздухе путем применения 2-ступенчатого пробоотбора, реализуемого в одном устройстве.

Предлагаемое устройство (фиг. 1) содержит цилиндрический корпус 1 с входным патрубком 2, обратный клапан 3 с расположенным внутри штоком 4 с рисками и поршнем 5 с резиновым уплотнением. Внутри корпуса выполнен внутренний ограничитель 6, а в надпоршевом пространстве к стенке корпуса и поршня жестко закреплена пружина 7, работающая на растяжение. На корпусе установлен дополнительный патрубок 8, к которому присоединена трубка-концентратор малого сечения 9 с расположенным внутри сорбентом, выполненным с возможностью обеспечивать большое динамическое сопротивление воздуху, а к снабженному обратным клапаном патрубку 2 присоединена трубка-концентратор большого сечения 10 с расположенным внутри волокнистым материалом типа стекловаты. Дополнительно хвостовик штока 4 снабжен неподвижной рейкой с зубцами 11 на штоке 4 и выступом 19, на торце корпуса установлен концевой выключатель 20. На хвостовик штока насажен дополнительный корпус 22, в котором установлен электропривод 13 штока в виде электромотора с редуктором и гибким валом 14 для передачи вращения на ось крепления зубчатого колеса, входящей в зацепление с зубцами рейки 11 на штоке 4, и электропривод с зубчатой передачей в виде зубчатого колеса 12 и гибкого приводного вала 14 на ось крепления 16 зубчатого колеса 12, прижимаемой к рейке 11 пружиной 15, размещенной на оси крепления 16 зубчатого колеса, при этом ось зубчатого колеса 16 выполнена в виде электромагнита с якорем 17, электрически связанным с пультом управления (ПУ)18, работающим по двухтактной схеме отбора проб в каждом цикле, счетчиком циклов, ПУ связан с электромотором, счетчиком циклов, источником питания 21, с концевым выключателем 20.

Устройство работает следующим образом.

До начала полета комплектуют устройство (фиг. 1) поглотителями. К патрубку с обратным клапаном 3 присоединяют трубку большого сечения 10 с волокнистым материалом для отбора пробы в момент втягивания поршня и последующего анализа на масляный аэрозоль, а к дополнительному патрубку 8 присоединяют трубку-концентратор 9 для отбора пробы под давлением (в момент выпускания поршня) с сорбентом и с малым внутренним диаметром. Устройство размещают внутри кабины самолета или в мотогондоле, обеспечивая к пробоотборникам доступ воздуха из двигателя. Если отборы происходят от двигателя, то трубки концентраторы помещают в защитные кожухи. В начале полета включают пульт управления 18. Он включает привод 14 двигателя с редуктором 13. При этом поршень 5 перемещается внутри корпуса 1, растягивая пружину 7 до срабатывания концевого выключателя 20 при нажатии на него выступа 19 штока 4. По сигналу концевого выключателя пульт управления отключает двигатель и за одну минуту (время ожидания можно корректировать на пульте управления) подает напряжение на электромагнит 17, втягивающий ось 16 крепления зубчатого колеса 12, освобождая шток 4 с поршнем 5. Шток 4 пружиной 7 возвращает поршень 5 до упора 6. В течение этой минуты происходит выравнивание давления воздуха, отбираемого через клапан 3, патрубок 2 и трубку-кронцентратор с большими диаметром воздуха из подпоршневого пространства. Эта трубка обладает малым динамическим сопротивлением и прокачивания воздуха через трубку 9 с большим сопротивлением практически не происходит. По окончании этого этапа электромагнит 17 отключается, а двигатель с приводом включается, вращающееся зубчатое колесо 12 пружиной 15 возвращается до контакта с зубцами рейки 11, и поршень 5, перемещаясь, увеличивает давление до заданного значения в подпоршневом пространстве корпуса 1. При этом обратный клапан 3 не выпускает воздух через трубку 10, и воздух весь под давлением и с увеличением температуры за счет сжатия через патрубок 8 выдавливается через трубку 9 с сорбентом с большим динамическим сопротивлением до срабатывания концевика 20, затем цикл повторяется.

В конце полета пульт управления выключается. Со счетчика циклов на нем снимаются показания. Количество прокачанного через пробоотборники воздуха будет равно полному объему подпоршневого пространства, умноженному на количество циклов, и приводится к нормальным условиям с учетом средней за полет температуры и давления воздуха кабины или в воздухе, отбираемом от ГТД (по показанию бортовых датчиков). Трубки-концентраторы 10 и 9 отправляют на хроматографический анализ по ГОСТР ИСО 16017.1-2007 (трубка 10 - анализ на масло и его присадки, трубка 9 - анализ на летучие органические примеси.