3.5. Модернизация узлов охлаждения системы кондиционирования воздуха

Из выше приведённых подразделов следует, что СКВ самолёта Ту-154М имеет целый ряд недостатков. Наиболее серьёзным недостатком являются отказы турбохолодильной установки 3318, влияющие особым образом на регулярность полётов. В случае выявления отказа ТХУ, ВС не допускается до рейса. В случае отказа в полёте существует большая вероятность в недостаточном охлаждении воздуха, отбираемого от двигателей и подаваемого в ГК, что может привести к необходимости снижения ВС и последующей посадке. Главной причиной отказов ТХУ 3318 является работа на нерасчётных режимах, что приводит к разрушению подшипников. Решением проблемы может служить ряд предложений по её доработке.

3.5.1. Модернизация тху 3318

Электромеханическая схема. Проанализируем ТХУ 2280 самолёта Ил-76ТД, как одну из немногих в своём роде с ограничителем оборотов, с целью внесения изменений в ТХУ 3318 самолёта Ту-154М.

На самолёте Ил-76ТД ВВР продувается атмосферным воздухом от потока в полёте или на стоянке от вентилятора ТХ [14]. ТХ охлаждает воздух идущий в холодную линию СКВ и обеспечивает Т_в на выходе +5…10 °С, при этом Т_в на входе достигает +60…70 °С. Таким образом, ТХ понижает температуру на 55…60 °С. Вентилятор загружает турбину и продувает ВВР на земле. Маслобак заливается маслом ВНИИНП-50-4ф или ОКБ-122-14. Контроль уровня масла осуществляется по рискам на заливной горловине.

С целью предупреждения работы ТХ на нерасчётных режимах, которые могут привести к разрушению подшипников турбины введена автоматическая защита ТХ от превышения частоты вращения, увеличение её больше предельной (n_пр = 17500 ± 500 об/мин). Превышение возможно на больших высотах полёта (более 8000 метров) и скорости ниже 460 км/ч. На больших высотах забортный воздух имеет низкую плотность, что приводит, при постоянной производительности вентилятора ТХ, к увеличению частоты вращения вентилятора и ротора выше допустимой.

В автоматическую систему защиты ТХ по превышению частоты вращения входят:

- датчик оборотов встроенный в ТХ;

- сигнализатор оборотов;

- реле включения защиты.

Исходя из решения проблемы по раскрутке турбины на ТХУ 2280, предлагаю выполнить доработку ТХУ 3318, путём созданию автоматической системы ограничения оборотов с установкой в ТХУ 3318 индуктивного, либо механического (т.е. с сельсинной передачей) датчика оборотов. Принцип работы системы будет таков, что при достижении частоты вращения ротора ТХУ выше допустимых на 1500…2000 об/мин (т.е. на 19000 ± 500 об/мин) сработает светосигнализатор “ЗАЩИТА ТХ” и реле включения, при этом:

- разорвётся эл/цепь реле закрытия холодной магистрали (кран наддува 3308Б);

- разорвётся эл/цепь управления трёхканального блока заслонок на “ХОЛОД”;

- разорвётся эл/цепь реле сигнализации перегрева холодной линии (магистрали);

- включится автоматический режим регулятора температуры холодной магистрали РТА-36-30, при этом кран 3308В (на ТХУ) прикроется или вообще закроется;

- изменится настройка регулятора температуры РТА линии отбора воздуха от двигателей с 200 ± 20 °С до 140 ± 20 °С.

После этого частота вращения ТХУ снижается, все эл/цепи восстанавливаются в первоначальное положение, но табло “ЗАЩИТА ТХ” продолжает гореть. Температура 140 ± 20 °С будет поддерживаться в течение 10 минут. По их истечении времени, РТА снова перестроится на 200 ± 20 °С и табло погаснет. Если переключатель не стоял в положении “АВТОМАТ”, то РТА перестроится на 200 ± 20 °С и табло гаснет без выдержки 10 минут, т.е. сразу как только отключится реле включения защиты.

При включении ПОС РТА перестраивается со 140 °С на 220 °С не зависимо от сигнализации ТХУ.

Пневматическая схема. Возможна также установка пневматического ограничителя от раскрутки турбины ТХУ основанного на работе расширения воздуха, на турбине (рис. 24).

Рис. 24. Принципиальная схема комбинированной турбохолодильной установки [15]: 1 – дроссельная заслонка, 2 – воздушный теплообменник, 3 – выходная магистраль охлаждённого воздуха, 4 – турбина, 5 – вентилятор, 6 – воздушная трубка, 7 – мембрана, 8 и 13 – пружины, 9 – клапан, 10 – сильфон, 11 – трубопровод, 12 – мембрана дроссельного механизма, 14 – тяга

Степень расширения воздуха ε в турбине, определяемая отношением входного давления p₁ к выходному давлению газа p₂ должна поддерживаться в заданных пределах. Превышение заданной степени расширения может вызвать раскрутку турбины и выход её из строя из-за разрушения подшипников. Уменьшение степени расширения против заданного значения приведёт к недоохлаждению воздуха в турбине и теплообменнике. Для регулирования степени расширения ε в комплекте турбохолодильной установки предусмотрен регулятор, обозначенный позициями 7…11, который через дроссельный механизм 12, 13, и 14 управляет дроссельной заслонкой 1. Датчик регулятора включает в себя мембрану 7, жёстко связанную с вакуумированным сильфоном 10. Датчик работает по принципу работы дифференциального манометра. При установившемся режиме мембрана 7 и сильфон 10 находятся в равновесном положении, клапан 9 закрыт, дроссельная заслонка 1 занимает положение установившегося режима работы.

Если перепад давления на турбине 4 и, следовательно, на мембране 7 увеличивается против заданного, то мембрана прогнётся вверх и, растягивая сильфон 10, вызовет открытие клапана 9, что приведёт к повышению давления над мембраной дроссельного механизма. Мембрана, сжимая пружину, переместит дроссельную заслонку на уменьшение подачи и снижению давления перед турбиной. При уменьшении перепада давления на турбине регулятор срабатывает на открытие заслонки, на увеличение подачи воздуха и вызовет повышение давления перед турбиной.

Данное предложение в своём исполнении проще, чем первое, и не требует никаких изменений в эл/цепи.

Расчёт физических параметров. Для улучшения работы ТХУ 3318, познакомимся с основными параметрами, характеризующими работу турбохолодильника, которыми являются:

- коэффициент полезного действия;

- температурный перепад в турбохолодильнике;

- расход воздуха через турбохолодильник;

- показатель политропы расширения;

- частота вращения ротора.

Рассмотрим каждый параметр в отдельности, сравним с параметрами ТХУ 3318 и, в случае необходимости, произведём расчёт для улучшения рабочих значений этих параметров, а соответственно и для выполнения доработок.

Коэффициент полезного действия турбохолодильника. Под к.п.д. турбохолодильника понимают отношение работы, совершаемой реальным турбохолодильником, к работе, совершаемой идеальным турбохолодильником при той же степени расширения.

Пусть состояние воздуха, подводимого к турбине, определяется давлением p_о, теплосодержанием i_о и скоростью с_о. При выходе из турбины эти параметры обозначим соответственно p₂, i₂, с₂. Полная энергия 1 кг газа на входе в турбину будет равна

. (9)

Для нахождения к.п.д. ТХУ 3318 найдём работу, совершаемую идеальным турбохолодильником и ТХУ3318. Важно достичь наибольшего температурного перепада T₂ – T₁, работа L в уравнении (10) должна иметь отрицательный знак. В действительности это означает, что совершаемая газом работа на вращение рабочего колеса турбины должна быть использована. Практически это достигается нагрузкой вала турбины вентилятором, который совершает полезную работу, прогоняя воздух через ВВР.

± L = с_р·(T₂ – T₁) (10)

Подставим значения соответствующие значениям ТХУ 3318 [16]

L = 1,2·(5° – 195°) = 1,2·(–185) = –228 кГс·м (11)

В реактивной турбине расширение газа во входном диффузоре происходит не полностью, а от начального давления p_о до заданного промежуточного p₁. Окончательное расширение газа от промежуточного давления p₁ до давления за турбиной p₂ происходит в каналах рабочего колеса турбины.

При относительно больших степенях расширения газа в турбохолодильных установках к.п.д. реактивных турбин несколько выше, однако конструкция их сложнее и надёжность работы меньше.

Работа идеального турбохолодильника

. (12)

Если пренебречь вторым слагаемым правой части уравнения (12), то для адиабатного процесса получаем:

, (13)

или

, (14)

где π – степень расширения воздуха в турбохолодильнике.

Подставим значения в уравнение (14), взятые из таблиц [15]

= 427 кГс·м (15)

Если ТХУ 3318 совершает работу L = 228 кГс·м, то его к.п.д. будет равен

= 0,53 (16)

Величина к.п.д. современных ТХУ находится в пределах 0,7…0,8. Однако если турбохолодильник работает в условиях, отличных от расчётных, то его к.п.д. может быть ниже приведённых. Таким образом, ТХУ 3318 имеет невысокий к.п.д.