2.4. Погодные условия, в которых встречается обледенение ледяными кристаллами
Рис. 3 Модель конвективного облака.
Конвективная погода, содержащая ледяные кристаллы – отдельные кучево-дождевые облака или грозы до шквалистых и тропических штормов,
Глубокая конвективная облачность (Рис. 3), повышающая концентрацию воды в атмосфере на большой высоте,
Способность атмосферы сохранять влагу в зависимости от температуры (чем теплее, тем больше влаги). Теплый, влажный воздух с поверхности земли поднимается на большую высоту и создает ледяные кристаллы,
Измеренная величина содержания воды до 8 г/м3, причём стандартные условия сертификации для переохлажденной жидкой воды для двигателей составляют 2,5г/м3,
Ледяные кристаллы существуют около нулевых температур и при намного более низких значениях,
Вдали от ядра шторма, на фронте, измеренные ледяные частицы были малых размеров, как частицы муки.
2.5. Физика формирования ледяного нароста в двигателе в условиях ледяных кристаллов
Физика формирования ледяного нароста в двигателе в условиях ледяных кристаллов полностью не выяснена, но физическая модель состоит в следующем:
При попадании ледяных кристаллов в двигатель, кристаллы достигают зоны, где температура конструкции выше точки плавления, при этом некоторые льдинки в потоке воздуха начинают таять,
При соударении с поверхностью двигателя, подтаявшие частицы создают жидкую пленку,
Жидкая пленка способствует прилипанию влетающих ледяных кристаллов, происходит передача тепла, поскольку захваченные частицы начинают таять,
Температура металла падает до достижения точки замерзания воды; с этого момента жидкая пленка начинает формировать лед, причём лед может формироваться, пока происходит переохлаждение жидкости,
Это явление означает, что обледенение может происходить за вентилятором и за подпорными ступенями в районе входа в компрессор высокого давления газогенератора двигателя .
Периодически срывающийся с поверхностей компрессора лед может привести к неустойчивой работе двигателя, например, помпажу, срыву пламени или поломке двигателя. Места обледенения газотурбинного двигателя в условиях жидких переохлаждённых капель и в условиях ледяных кристаллов представлено на рис. 4.
Рис. 4. Области
образования ледяных наростов на
двигателе в условиях обледенения
В обычных условиях обледенения переохлажденные капли жидкости образуют иней или глянцевый лед на поверхностях, на входе в двигатель. В условиях кристаллического обледенения, согласно теории, лед отскакивает от холодных поверхностей и откладывается на более теплых поверхностях, расположенных вниз по потоку, вследствие более сложного термодинамического процесса.
Механизм формирования льда на элементах двигателя в условиях ледяных кристаллов имеет свои особенности и отличается как от механизма нарастания льда в условиях жидких переохлаждённых капель, так и от формирования льда на теплых (нагреваемых) частях фюзеляжа самолёта.
В отличии от нарастания льда на нагреваемой внешней поверхности фюзеляжа, формирование льда на внутренних тёплых поверхностях двигателя в условиях ледяных кристаллов может происходить при отсутствии жидкой воды в воздушном потоке, поступающим в двигатель. Для образования ледяных наростов для обоих случаев требуются местные условия смешанной фазы обледенения: жидкая вода для создания влажной поверхностной пленки и лёд в виде ледяных кристаллов, которые прилипают к этой пленке, создавая ледяной нарост. На поверхности фюзеляжа окружающий воздух имеет температуру ниже точки замерзания, поэтому местная смешенная фаза обледенения создается за счёт таяния ледяных частиц, соударяющихся с нагретой поверхностью. При образовании ледяного нароста на обледеневшей поверхности жидкая вода отсутствует, и рост образующегося льда прекращается (подобно холодной поверхности в холодном воздухе, которая не обледеневает). В двигателе, когда температура окружающего воздуха выше точки замерзания, местная фаза смешения создается сталкивающимися частицами льда, которые тают при контакте с горячей поверхностью, и соударяющимися каплями жидкой воды от небольших ледяных частиц, растаявших под воздействием окружающего воздуха. В этом случае существует постоянный источник условий для смешанной фазы, обеспечивающей поддержание процесса роста льда, поскольку условия смешанной фазы обледенения создаются непрерывно.