2. Dispozitive de admisie ( DA )

Rol, cerinţe, clasificare. Particularităţi de calcul.

Sisteme antigivraj. Proiectarea sistemelor antigivraj termice

2.1 Rol, cerinţe, clasificare

Rol

Captarea şi dirijarea aerului către compresor la parametrii necesari bunei funcţionări a

motorului.

Cerinţe

- să asigure cantitatea de aer necesară motorului la toate regimurile de funcţionare;

- să asigure uniformitatea parametrilor la intrare în compresor;

- să transforme presiunea dinamică în presiune statică;

- funcţionarea normală să nu fie influenţată de poziţia avionului în zbor;

- să aibă greutate minimă în zbor;

- să nu permită pătrunderea de corpuri străine;

- să nu permită apariţia gheţii pe dispozitivul de intrare sau pe elementele componente;

- să funcţioneze stabil fără pompaj la orice regim de zbor şi de funcţionare a motorului;

Clasificare

- după viteza de zbor a avionului:

- subsonice

- supersonice

- după poziţia pe avion:

- frontale;

- laterale;

- dispuse pe aripă;

- dispuse la încastrarea aripii cu fuselajul;

- după forma constructivă:

- cu secţiune circulară

- cu secţiune inelară

- cu secţiune dreptunghiulară

- cu secţiune eliptică

- după elementele constructive

cu - înveliş exterior + con central

- montanţi

- palete la prima treaptă de compresor

cu - înveliş exterior

- montanţi

- con central

cu - înveliş exterior

- con centrat

Exemplu:

MIG 21 – DA cu înveliş exterior, con central

- are o fantă pentru absorţia stratului limită - aerul este folosit pentru răcirea

radiolocatorului;

- există un sistem automat care până la M = 1,35 se închide accesul aerului spre

radiolocator căci altfel s-ar încălzi

2.2 Particularităţi de calcul

Solicitările în DA sunt date de:

a) forţele aerodinamice rezultate din curgerea aerului prin dispozitiv dau naştere la:

- o forţă xF dirijată în lungul axei longitudinale

- o forţa yF perpendiculară pe axa longitudinală

- forţele aerodinamice pot varia în funcţie de:

- regimul motorului;

- poziţia DA ;

- greutatea proprie apar momente încovoietoare;

- forţele de inerţie în timpul evoluţiei avionului;

1 – la pornirea motorului 2 – la creşterea turaţiei

3 – la regim nominal 4 – la opreirea motorului

b) forţele axiale şi radiale provocate de lagărul anterior al compresorului când acesta este

dispus în conul central şi DA ;

c) solicitări termice datorate încălziri neuniforme;

d) solicitări datorate vibraţiilor

- la MTP DA este solicitat în plus de:

- forţele axială şi radială dată de reductor;

- momentul de torsiune al reductorului.

Rezultă:

x xp xi xG xr xlF F F F F F

y yp yi yG yr ylF F F F F F

unde semnificaţia indicilor este:

p - presiune

G - greutate

i - inerţie

r - reductor

l - lagăr

xp xps xpsF F F

d - dinamic

s - static

2 1

2 2 1 1

( )xpd a

xps

F G V V

F p S p S

unde:

2

11

2 2

2 22

;4

( )

4

DS

D dS

- forţa xF se stabileşte concret dacă se cunoaşte şi componenta axială a presiunii

exterioare, aceasta putându-se stabili prin calcul pentru o soluţie constructivă bine definită sau

experimentală;

- când există gondole forţele exterioare pot fi neglijate calculul se face mai uşor

- celelalte componente ale forţei xF se determină pentru fiecare caz concret de calcul;

- forţa xF este preluată de flanşele sau cadrele de prindere ale DA .

2.3 Soluţii constructive

1 - înveliş exterior

2 - montanţi

3 - con central

1 - înveliş exterior

2 - montanţi

3 - con central mobil

4 - con central fix

1. Învelişul exterior

- are forma profilata cu bordul de atac mai gros sau mai subţire în funcţie de viteza de zbor;

- profilele subsonice funcţionează foarte bine într-un ecart mare de viteze;

- avioanele transonice au DA cu bordul de atac gros la care se formează o singură undă de

şoc normală

2. Montanţii

- leagă învelişul exterior cu conul central;

- în secţiune au forma lenticulara cu profil subţire;

- sunt goi la interior şi mai servesc la :

- transmiterea mişcării de la compresor la agregatele auxiliare, când antrenarea

agregatelor auxiliare se face de la lagărul anterior al motorului;

- trecerea spre motor a diferitelor canalizaţii:

- uleiul de la şi spre lagăr;

- aer pentru descărcarea de forţă axială a compresorului;

- aer pentru contra presiunea necesară funcţionării normale a labirinţilor.

3. Conul central

- în interiorul lui se pot afla o parte din agregatele motorului sau aparatura de bord;

- este profilat în aşa fel încât să reprezinte şi un mijloc de degivrare;

- se execută cu pereţi dubli.

Observaţii

- la unele DA pe învelişul exterior al conului se dispune un strat de vopsea prin care se

împiedică aderenţa gheţii;

- la DA supersonice sunt dispuse şi elemente antipompaj care se deschid automat sau

comandat prin care se prelevează aer spre DA sau spre exterior.

Voleţi de admisie suplimentară:

- se deschid la scăderea presiunii statice

în interior

Voleţi antipompaj

- sunt comandaţi automat

- asigură evacuarea cantităţii de aer

spre exteriormărirea debitului

de aer prin secţiunea de intrare a DA

Voleţii antipompaj se deschid:

- la viteza supersonică;

- la reducerea bruscă a motorului;

- când se zboară cu unghi mare de atac;

- când se trece de la forţaj la regim neforţat;

2.4 Sisteme antigivraj

Givrajul apare datorită existentei picăturilor de apă din mediul înconjurător şi se manifestă

prin dispunerea pe elementele motorului a unui strat de gheaţă.

- poate apare - la sol şi în zbor la diferite înălţimi:

- la turaţii diferite ale motorului;

- în toate anotimpurile;

- la toate latitudinile geografice;

- este foarte periculos deoarece duce la modificarea parametrilor motorului sau chiar la

distrugerea acestuia.

Asupra fenomenului de givraj influenţează:

- condiţiile atmosferice;

- condiţiile de zbor;

- condiţiile constructive.

Condiţiile atmosferice:

a) temperatura mediului ambiant:

- de regulă, givrajul apare între 40 si +5 CC .

- givrajul la temperatura pozitivă a mediului ambiant este posibil deoarece la intrarea

aerului în motor are loc accelerarea acestuia temperatura locala scade îngheţul picăturilor

de apă;

b) umiditatea aerului:

- variază în limite foarte largi, însă în calculele de proiectare umiditatea poate fi

considerată ca variind între limitele:

31.5...1.7 /W g m de aer

- cu înălţimea umiditatea se modifică foarte mult crescând de la sol până la 6000m după

care scade la 0 (la aproximativ 15-16 km)

c) diametrul picăturilor de apă sau dimensiunea cristalelor:

- dimensiunea picăturilor de apă variază foarte mult de acestea depind intensitatea şi

formele givrajului

- în calculele de proiectare se considera valori medii a dimensiunilor picăturilor de apă:

- norme englezeşti d = 320 10 mm

- norme sovietice d = 316 10 mm

Condiţiile de zbor

a) viteza de zbor:

- pentru anumite T şi W ale aerului, cantitatea de apă care intră în motor este influenţată

de viteza de zbor;

- cu creşterea vitezei peste limite are loc încălzirea aerodinamică givrajul = periculos

doar la viteze cuprinse între 600 800km h ;

- în cazuri rare, givrajul apare şi la viteze mari (ex: la 1, 2M );

b) înălţimea de zbor:

- influenţează prin debitul de aer ce intră în motor;

- prin căldura degajată de sistemul de protecţie;

- în funcţie de latitudine şi de W ;

c) turaţia motorului:

- la turaţii scăzute se produce mai uşor givrajul deoarece temperatura este scăzută;

- cu creşterea turaţiei apare un fenomen de degivrare în special la paletele de compresor

deoarece datorită forţelor centrifuge, eventuala bucată de gheaţă se desprinde de pe paletă;

d) durata de zbor:

- cu cât durata de zbor este mai mare creşte cantitatea de gheaţă depusă;

- determina gradul de givraj al motorului (cantitatea de gheaţă depusă).

Cazuri:

- givraj redus:

- intensitatea depunerii gheţii ( I ): 0,1 0,5mm/minI

- timpul de zbor admis ( ): 10 20 min

când motorul este dispus cu sistem antigivraj, timpul de zbor este nelimitat

- givraj mediu: 0,5 1,0 mm/minI

10 min

motorul funcţionează sigur, dar parametrii de funcţionare sunt afectaţi;

- givrajul intens: 1,0mm/minI

2 3min

- givraj periculos: I foarte mare

motorul nu mai funcţionează

Condiţiile constructive:

- elementele motorului care givrează sunt :

- învelişul exterior al dispozitivului de admisie

- conul central

- montanţii

- paletele de rotor la treapta I a compresorului

- paletele de stator la treapta I compresorului

- gradul de givraj depinde de încălzirea lor.

Efectele desprinderi de gheaţă:

- modificarea secţiunii de trecere a aerului

- creste frecarea şi desprinderile

- dezechilibrarea rotorului compresorului

- pompajul compresorului

- favorizarea vibraţiilor compresorului

- determină un câmp neuniform al temperaturii în faţa turbinei ca urmare a arderii

neuniforme

- modificarea jocurilor :

- între paleta rotor şi stator;

- între paleta rotor şi carcasă

Datorita îngroşării stratului de gheaţă apar desprinderi ale gheţii care influenţează

funcţionarea motorului.

Pentru evitarea efectelor negative de givraj se folosesc diferite sisteme printre care:

1) sistem de degivrare:

presupune depunerea unui strat de gheaţă şi eliminarea ulterioară a acestuia;

rar folosit;

2) sistem antigivraj:

împiedică depunerea stratului de gheaţă;

Soluţiile sistemului antigivraj:

1) sisteme termice (sunt sistemele cele mai folosite):

- aer cald sau gaze de la motor;

- rezistenţe electrice;

2) sisteme fizico-chimice:

- uleiuri, lichide care micşorează depunerea gheţii;

- reduce punctul de congelare al gheţii;

3) sisteme combinate

2.4.1 Sisteme antigivraj termice

- preiau o cantitate de aer de la compresor care este dirijat către elementele care givrează.

Avantaje:

- pot funcţiona continuu;

- necesita debite mici de aer;

- sunt sigure în funcţionare;

- nu necesită o întreţinere deosebită;

- pot fi automatizate.

Dezavantaje:

- scade randamentul compresorului

- la sisteme cu funcţionare discontinuă timpul de încălzire a elementelor supuse

givrajului este mare(1minut);

2.4.2 Sisteme antigivraj electrice

- pot funcţiona continuu - discontinuu nu este un avantaj;

Avantaje :

- au dimensiuni mici;

- asigura încălzire diferenţiată;

- pot fi uşor automatizate.

Dezavantaje :

- foarte sensibile se pot defecta uşor;

Soluţii de sisteme antigivraj

1 - con central

2 - montant

3 - conducta pentru aer cald

4 - orificii

1 - con central

2 - montant

3 - conducta pentru aer cald

4 - paletele de rotor

2.4 Proiectarea sistemelor antigivraj termice

Este necesar să se stabilească:

1. Soluţia constructivă

- suprafaţa de schimb de căldură

2. Condiţiile de funcţionare ale sistemului

- în regim: - permanent

- nepermanent

3. Natura materialului de schimb de căldură

4. Starea cantităţii de apă cunoscută. Eliminarea gheţii se poate face sub formă de:

- picături de apă

- vapori

- picături + vapori

5. Prin calcul se determină cantitatea de căldură necesară pentru evitarea apariţiei

givrajului în condiţiile cele mai grele întâlnite în exploatare, iar în funcţie se precizează debitul

de aer necesar de a fi captat de la motor.

Elemente:

1. Intensitatea de givraj (grosimea de gheaţă depusă în unitatea de timp)

0

Wv  mm min

g

EI

G

unde:

g

a

m

m

gm = masa cantităţii de gheaţă

am = masa cantităţii de apă

- în proiectare 1 pentru T 5 C

- în calcule exacte este dat în tabele.

E = coeficient ce tine seama de distribuţia picaturilor de apă: 0.7...0.9E

- depinde de :

- forma profilului elementelor care givrează

- dimensiunea picaturilor şi numărul lor în unitatea de volum

- viteza de zbor

W = umiditatea aerului; 31.5...1.7 /W g m

v = viteza de zbor

g = densitatea gheţii pe elementele care givrează

2. Cantitatea de căldură necesară pentru un regim permanent de funcţionare a

motorului:

0c r ct a v cp i s agQ Q Q Q Q Q Q Q Q

(*)

cQ = căldură cedată prin convecţie;

rQ = căldură cedată prin radiaţie;

ctQ = căldură cedată prin conductivitate termică;

aQ = căldură cedată de suprafaţa picăturilor de apă pot încălzi până la temperatura

suprafeţei;

vQ = căldură cedată de suprafeţe pot vaporiza picaturile de apă;

iQ = căldură primită de suprafeţe datorită comprimării şi frecării aerului;

sQ = căldură primită de suprafeţe prin sublimarea vaporilor de apă;

agQ = căldură primită de suprafeţe de la sistemul antigivraj.

Observaţii:

- pentru un calcul mai puţin riguros: 0v ctQ Q

- pentru uşurarea calculului se va considera căldura specifică ( q )

Q

qS

unde: S = suprafaţa elementelor care givrează

Deci:

0c a v ct i s agq q q q q q q

Definiţii :

s sq t t

= coeficient de transmitere a temperaturii;

st = temperatura suprafeţei;

t = temperatura mediului neperturbat.

c a a sq m c t t

am = masa de apă pe unitatea de suprafaţă în unitatea de timp;

ac = căldura specifică a apei 4186 J kg Kac

0.628 v ts tv

p

L e eq

C p

vL = căldura latentă de vaporizare

pC = căldura specifică la presiune constantă

e ,ts te = tensiunile vaporilor de apă saturaţi la temperaturile st şi t

p = presiunea mediului neperturbat

Celelalte mărimi au tot relaţii empirice.

Observaţie:

- în proiectare se consideră 10 Cst când sistemul antigivraj funcţionează continuu.

Din relaţia (*) se determină agq = căldura specifică asigurată de către sistemul antigivraj.

- când apa se elimină sub formă de picături 0sq

- picături + gheaţă se consideră şi sq

Cantitatea de căldură necesară sistemului antigivraj al motorului se determină cu relaţia:

t agQ q S

unde:

= timpul de funcţionare în condiţii de givraj

S = suprafaţa elementelor care givrează

Definiţie:

- debitul de aer necesar va fi prelevat de la motor pentru sistemul antigivraj:

( )

ag

a

p ea ia

q SG

C t t

eat = temperatura aerului la ieşirea din sistemul antigivraj;

iat = temperatura motorului

- la motoarele actuale: 0,5 1 kg saG

- aerul se prelevează din fluxul secundar al camerei de ardere şi nu după compresor pentru

a nu perturba curgerea;

- având aG se pot dimensiona canalizaţiile şi orificiile.