Противообледенительная система. Классификация. Расчет системы противообледения

К числу требований, предъявляемых к противообледенительным системам, относятся такие:

- обеспечение безопасности полета в любых условиях обледене­ния и на всех режимах работы двигателей;.

- надежность и эффективность работы при различных метеорологических условиях в широком диапазоне скоростей и высот полета, неограниченность времени работы;

- возможность регулирования интенсивности обогрева в зависимости от температуры наружного воздуха и интенсивности обледенения;

- безопасность включения системы при стоянке и рулении летательного аппарата, высокий темп нагрева защищаемых поверхностей;

- воздухозаборники двигателей и все выступающие детали в их каналах должны иметь противообледенительную систему непрерывного действия, не допускающую льдообразования на защищаемых поверхностях как на земле, так и в полете;

- наличие сигнализаторов начала обледенения и указателей интенсивности обледенения, минимальное время срабатывания датчиков, высокая чувствительность и отсутствие ложных срабатываний;

- безопасность в пожарном отношении;

- минимальный расход энергии;

- отсутствие мешающего действия на работу радио- и навигационного оборудования;

- малые вес и габариты;

- быстрая готовность к действию; желательно автоматическое включение и выключение от специальных сигнализаторов начала обледенения;

- простота ухода и эксплуатации; возможность контроля исправности системы на земле и в полете.

Классификация

Для защиты силовых установок от обледенения наибольшее распространение получили тепловые системы. В зависимости от источников энергии они подразделяются на воздушно-тепловые и электротепловые. В первых используют тепловую энергию воздуха, отбираемого от компрессора двигателя. Чем выше температура и давление воздуха за компрессором, тем эффективнее работают эти системы. В случае небольшого расхода воздуха через двигатель (ПД, ТВД) горячий воздух может быть получен при помощи теплообменников, обогреваемых выходящими газами.

Противообледенительные системы могут быть постоянного действия и циклические. Системы постоянного действия не допускают образования льда па защищаемых поверхностях. Они применяются для предохранения от обледенения воздухозаборников двигателей и деталей, расположенных в воздухозаборном канале, скопление льда на которых и последующее его удаление может нарушить нормальную работу двигателя или вызвать его повреждение. Системы циклического действия периодически сбрасывают образующийся на защищаемых поверхностях слой льда.

Расчет системы противообледенения

Для обеспечения эффективной работы противообледенителной системы в нее необходимо подвести такое количество тепла, которое в наиболее тяжелых метеорологических условиях (с максимально возможным значением водности воздуха при данной температуре) достаточно, чтобы попавшая на обогреваемую поверхность переохлажденная вода поддерживалась в жидком состоянии, кристаллы льда или снег превращались в воду, а вода уносилась набегающим потоком воздуха.

Потребный тепловой поток для системы постоянного обогрева может быть определен из уравнения теплового баланса для поверхности, подвергающейся обледенению. Пренебрегая второстепенными членами (потоком тепла, отбираемым от поверхности вследствие излучения и теплопроводности), уравнение теплового баланса для установившегося процесса можно записать в виде:

, где — поток тепла, подводимый к поверхности от противообледенитель ной системы; — поток тепла, отбираемый от поверхности в результата конвективного теплообмена; — тепловой поток, отбираемый от поверхности и идущий на нагрев оседающих на ней капель воды до температуры поверхности; — тепловой поток, отбираемый от поверхности в результате испарения осевших на нее капель воды; — тепловой поток, подводимый к поверхности за счет аэродинамического нагрева.

Заменяя Q для каждого члена уравнения удельным тепловым потоком q, т. е. количеством тепла, проходящим через единицу поверхности в единицу времени, получим:

.

Определим каждое из слагаемых этого уравнения. По формуле Ньютона:

— коэффициент теплоотдачи, — температура поверхности, — температура невозмущенного потока.

Так как защищаемые от обледенения детали двигателя выполнены в виде плавных аэродинамических профилей, то средний коэффициент теплоотдачи для них может быть рассчитан по формуле: , где давление воздуха на данной высоте, - скорость невозмущенного потока, расстояние по обводу профиля от передней кромки до рассматриваемой точки поверхности.

Для конуса в пределах длины от вершины:

Расчет местных коэффициентов теплоотдачи для лопастей воздушных винтов производится по следующим формулам.

Для передней кромки и на остальной поверхности профиля соответственно: , , где D — диаметр эквивалентного цилиндра носка профиля.

Для воздушных винтов: , где касательная скорость; r—расстояние от оси вращения до рассматриваемого участка лопасти, n — скорость вращения.

Приведенные выше формулы могут быть использованы для расчета любых аэродинамических профилей при турбулентном течении в пограничном слое.

Удельный тепловой поток, необходимый для нагрева воды, попадающей на защищаемую поверхность: , — масса воды, оседающая на единице поверхно­сти в единицу времени, с_В- удельная теплоемкость воды.

С учетом коэффициента оседания капель ( водность воздуха в граммах на кубический метр).

При проектировании противообледенительной системы принимают условия по водности, при соответствующей температуре окружающего воздуха. В условиях кратковременного обледенения(протяженность зон 5—10 км) системы должны обеспечивать защиту от обледенения при значениях водности в 1,7 раза больших. При расчете противообледенительных систем двигателей скорость воздушного потока может быть определена по расходу воздуха из соотношения: , где — приведенный расход воздуха, F — площадь поперечного сечения входного канала.

По известным , используя таблицы газодинамических функций, находят значения коэффициента скорости , а затем скорость воздушного потока во входном канале: .

Удельный тепловой поток, необходимый для испарения попавшей на обогреваемую поверхность воды: , где -скрытая теплота парообразования; -— упругость водяных паров при температуре, -упругость водяных паров при температуре t₀; с_р— удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении; р₀— давление окружающего воздуха.

Удельный тепловой поток, подводимый к поверхности в результате аэродинамического нагрева: , где — коэффициент восстановления температуры.

Для приближенных расчетов при небольших скоростях полета, когда аэродинамический нагрев поверхности незначительный (наиболее тяжелые условия работы противообледенительных систем), без учета тепла, необходимого для нагрева воды: , коэффициент Харди, учитывающий увеличение плотности суммарного теплового потока относительно плотности потока конвективной теплоотдачи.

Расчет тепловой противообледенитель ной системы непрерывного действия (системы предупреждения обледенения) проводится на заданный температурный перепад, который определяется разностью между температурами обогреваемой поверхности и наружного воздуха при полете вне облаков. Исследования показали, что требуемый перепад для применяемых в настоящее время авиационных профилей должен составлять у земли не менее 50° С.

По известным значениям можно определить потребный расход воздуха через тепловую камеру или мощность источников электрической энергии. Для воздушно-тепловой системы расход воздуха равен: , где -защищаемая от обледенения поверхность; температуры воздуха соответственно на входе и выходе из тепловой камеры.

Так как коэффициент использования тепла в системе противообледенения: , то выражение для расхода воздуха можно записать: .

Задаваясь температурой горячего воздуха на входе в тепловую камеру и расчетной температурой поверхности (обычно принимают, что )- можно приближенно рассчитать необходимый расход воздуха при данной температуре обледенения t₀.

С увеличением скорости полета до условия работы тепловых противообледенительных систем ухудшаются, а тепловой поток, необходимый для борьбы с обледенением, возрастает. Это вызвано тем, что в указанном диапазоне скоростей увеличение скорости полета ведет к повышению коэффициента теплоотдачи, тогда как рост температуры поверхности за счет аэродинамического нагрева незначителен. При дальнейшем повышении скорости полета аэродинамический нагрев поверхности способствует улучшению условий работы противообледенительных систем. При скоростях полета 600—700 км/ч и температуре окружающего воздуха минус 15° С и ниже аэродинамический нагрев не обеспечивает защиту летательного аппарата от обледенения, однако он может быть использован как дополнительный источник тепла.

При сверхзвуковых скоростях полета за счет аэродинамического нагрева опасность обледенения силовых установок практически исключается. Однако это не значит, что противообледенительная защита для сверхзвуковых самолетов не требуется. Взлет, набор высоты, снижение и заход на посадку этих самолетов связаны с такими скоростями, на которых вероятность обледенения так же велика, как и для дозвуковых самолетов. Поэтому, каким бы кратковременным не был полет сверхзвукового самолета на малых скоростях, для него необходима противообледенительная система.