Назначение топливной системы самолёта

Топливная система предназначена для размещения на самолёте необходимого количества топлива и подачи его к двигателю (двигателям) на всех режимах полёта.

В качестве топлива на современных самолетах применяется высокооктановый бензин, для поршневых двигателей и авиационный керосин (Т-1, ТС-1, РТ и др.) для реактивных двигателей.

Топливная система условно делится на топливную систему самолета и топливную систему двигателя.

В любой топливной системе самолета можно выделить три характерных участка:

систему заправки топливом;

емкость для топлива;

систему подачи топлива к двигателю.

Заправка топлива в баки производится либо самотеком, либо централизованно.

Топливные емкости выполняются в виде отдельных баков или в виде отдельных герметизированных отсеков планера самолета. Топливные баки размещают на самолете так, чтобы центр тяжести всего топлива располагался вблизи центра тяжести пустого самолета. С целью обеспечения необходимой устойчивости по крену самолёта топливо из правых и левых баков вырабатывается равномерно с помощью автомата выравнивания или вручную. По размещению различают фюзеляжные и консольные топливные баки, по характеру применения – расходные и дополнительные.

Система питания топливом должна непрерывно подавать требуемое количество топлива в топливную систему двигателя. Система питания должна удовлетворять следующим требованиям :

обеспечивать надёжность питания двигателей топливом на всех режимах и высотах полёта независимо от атмосферных условий.

запас топлива на самолёте должен обеспечивать заданную дальность и продолжительность полёта.

возможность нормального питания двигателей при выходе из строя одного из баков или участков трубопровода.

быть удобной в эксплуатации и безопасной в пожарном отношении.

выработка топлива должна происходить по заданной программе и мало влиять на полётную центровку самолёта.

полную выработку топлива (остаток не более 1,5% ёмкости баков)

Различают топливные системы двух типов:

открытого;

закрытого.

В открытых – полости топливных баков сообщаются с атмосферой. В закрытых – эти полости сообщаются с системой забора воздуха от компрессора двигателя или поддавливаются нейтральным газом от специальной системы поддавливания.

Конструкция топливной системы самолета ТЛ-2000 (20 мин.).

Топливная система самолёта TL – 2000 Sting carbon открытого типа, т.е. полости топливных баков, сообщаются с атмосферой. Топливо подаётся к двигателю механическим насосом или электрической помпой.

Система питания топливом состоит из:

топливных баков;

трубопроводов;

перекрывного – пожарного крана;

фильтра – отстойника;

электрической помпы;

механического насоса;

системы контроля наличия и выработки топлива;

сливного топливного крана;

заправочных горловин.

Рис. 10.1. Принципиальная схема топливной системы TL – 2000 Sting carbon

Тема 10. Топливная система самолёта.

Общие сведения.

Система топливопитания предназначена для размещения на самолёте необходимого количества топлива для полёта и подачи его к двигателям на всех режимах полёта. В качестве топлива на современных самолетах применяется авиационный керосин марок Т-1, ТС-1, РТ и др.

К топливным системам, в соответствии с нормами летной годности, предъявляются общие требования в отношении надёжности, живучести, пожарной безопасности, массовых и габаритных характеристик, простоты конструкции, ремонтопригодности и эксплуатационной технологичности.

Основные требования, предъявляемые к топливной системе:

Топливная система должна обеспечивать бесперебойное питание двигателей топливом на всех режимах полета;

В случае выключения подкачивающего насоса топливная система должна обеспечивать питание двигателей от МГ до взлетного режима на высотах до 2000 м с сохранением центровки и кренящих моментов в допустимых пределах;

- ёмкость топливных баков должна быть достаточной для выполнения полета на заданную дальность и должна включать аварийный (аэронавигационный) запас на 45 мин. полёта на крейсерском режиме (по нормам FAR и JAR);

Выработка топлива не должна существенно влиять на центровку ВС;

Топливная система должна быть безопасной в пожарном отношении;

Топливная система должна обеспечивать централизованную заправку, а также должна иметь приспособления для заправки под давлением;

Должна предусматриваться возможность аварийного слива топлива в полёте в случае, если максимальная масса ВС превышает допустимую из условий посадки;

Топливная система должна иметь возможность надежного и непрерывного контроля за очередностью и количеством выработки топлива, как в отдельном баке, так и в группе баков.

Система включает в себя топливные баки, систему дренажа топливных баков, систему централизованной заправки, системы подачи и перекачки топлива, систему централизованного слива отстоя топлива, систему сигнализации водного отстоя, органы управления и контроля топливной системы, топливомер и расходомер. На современных самолётах запасы топлива могут составлять от 20 до 50 процентов взлётной массы самолёта.

Для размещения топлива используют объёмы крыла и фюзеляжа. На пассажирских и грузовых самолётах топливо размещают в крыле, освобождая фюзеляж для полезной нагрузки.

По принципу размещения различают внутренние, подвесные, фюзеляжные, центропланные и консольные топливные баки, по характеру применения - расходные, предрасходные, балансировочные. Расходными называются баки, из которых топливо подаётся к двигателям. Предрасходными называются баки, из которых топливо подается в расходные баки. Балансировочными называются баки, из которых топливо перекачивается в другие топливные баки для обеспечения необходимой центровки самолёта.

Конструктивно топливные баки представляют собой герметичные отсеки воздушного судна, так называемые бакикессоны. От порядка выработки топлива из баков, обеспечиваемого автоматом расхода, зависит центровка самолёта. С целью обеспечения необходимой устойчивости по крену самолёта топливо из правых и левых баков вырабатывается равномерно с помощью автомата выравнивания или вручную.

Слив топлива из баков может производиться через сливные штуцеры, установленные на двигателях или через систему централизованной заправки.

На некоторых самолётах для уменьшения посадочного веса самолета предусмотрена система аварийного слива топлива. В этом случае система оснащается устройством, исключающим слив из баков топлива, потребного для питания двигателей при посадке.

Схема компоновки топливных баков на самолете-истребителе представлена на рисунке7.1.

Рис.7.1.Схема компоновки топливных баков на самолете-истрибителе

Из-за малых объемов конструкции крыльев основная масса топлива размещена в фюзеляжных мягких (с внутренним резиновым и наружным, создающим каркас бака, резинотканевым слоем) баках 3, размещенных сбоку от воздушных каналов 1 под обшивкой фюзеляжа. Жесткий топливный бак 6, сваренный из тонких листов алюминиево-марганцевого сплава, закреплен на конструкции в хвостовой части фюзеляжа под двигателем 4 и его выхлопной трубой 5.

Крыльевые баки-отсеки 7 и все фюзеляжные баки соединены трубопроводами с расходным баком-отсеком 2, из которого топливо подается к двигателю. В баке 2 размещен отсек отрицательных перегрузок, конструкция и топливная аппаратура которого позволяют подавать топливо к двигателю при любых маневрах самолета, в том числе и при перевернутом полете.

Герметичность (по имени легендарного египетского мудреца Гермеса Триждывеличайшего, которому, в числе прочего, приписывалось искусство прочной закупорки сосудов) баков-отсеков обеспечивается плотной постановкой заклепок в заклепочных швах и тепло-, морозо- и керосиностойкими герметиками (полимерными композициями, обеспечивающими непроницаемость швов) в местах соединения отдельных элементов конструкции.

Для увеличения дальности полета под крылом установлены подвесные топливные баки 8, топливо из которых вырабатывается на начальных участках полета и которые сбрасываются перед выполнением собственно боевой операции, так как они ухудшают маневренность и разгонные характеристики самолета. На военных самолетах широко применяется дозаправка топливом в полете путем перекачки топлива из баков самолета-заправщика.

Выбранное при компоновке самолета расположение, конфигурация и объемы топливных баков определяют порядок расходования топлива в полете и построение схемы топливной системы самолета.

Принципиальная схема топливной системы двухдвигательного пассажирского самолета

проиллюстрирована на рисунке 7.2.

Рис.7.2.Топливная система самолета представляет собой две автономные, аналогичные по конструкции системы: правую и левую, каждая из которых подает топливо к соответствующему двигателю.

В каждой половине (консоли) крыла передний и задний лонжероны совместно с верхней и нижней панелями крыла и герметическими нервюрами образуют три кессон-бака 1, 2 и 3.

Кессон-баки каждой консоли связаны трубопроводом 11, в котором установлен кран кольцевания (кран перекрестного питания) 12, обеспечивающий подачу топлива из левой группы баков в правую и наоборот. Трубопроводы топливной системы (топливопроводы) выполняются из алюминиевых и стальных труб.

Топливо из кессон-баков по трубопроводам 4, 5 и 6 с помощью спаренных (дублирующих друг друга) перекачивающих насосов 7 в определенном порядке перекачивается в размещенный внутри кессон-бака 1 расходный отсек 8, из которого спаренными подкачивающими насосами 9 под определенным давлением подается по трубопроводу 10 через перекрывной (противопожарный) кран 13 к агрегатам топливной системы на двигателе (подкачивающий насос 14, датчик расходомера 15, топливомасляный радиатор 16, топливный фильтр 17, насос-регулятор 18, после которого под высоким давлением через коллектор подается к форсункам камеры сгорания).

Дренаж топливных баков.

Дренажная (от англ. drain - осушать) система обеспечивает поддержание необходимой разницы давлений в надтопливном пространстве баков и окружающей атмосфере и уменьшение концентрации взрывоопасных паров керосина путем наддува (и вентиляции) баков воздухом через трубопроводы, выходящие к верхним точкам баков, за счет скоростного напора, воздухом от компрессоров двигателей или из бортовых баллонов, нейтральными газами из бортовых баллонов или специальных систем.

Дренаж топливных баков поддерживает в топливных баках заданное избыточное давление для: обеспечения бескавитационной работы насосов; обеспечения минимального внутреннего и внешних давлений на стенки баков; регулирования давления воздуха в баках при их заправке топливом и сливе его.

Для нормального функционирования топливной системы в надтопливном пространстве баков с помощью дренажных устройств поддерживается давление, значение которого определяется прочностью баков и кавитационными свойствами подкачивающих насосов. Дренаж баков может быть открытым либо закрытым. При открытом дренаже надтопливное пространство баков сообщается с атмосферой трубопроводом, конфигурация которого исключает вытекание топлива из баков при выполнении эволюции воздушного судна. Давление в баках зависит от формы заборного патрубка и располагаемого скоростного напора набегающего потока воздуха. При закрытом дренаже воздух для подачи в баки отбирается за компрессором двигателя. В этом случае устанавливаются клапан наддува, поддерживающий требуемое давление, и предохранительные клапаны.

Дренаж баков в большинстве случаев осуществляется открытой системой дренажа через дренажный отсек, соединенный трубопроводами с атмосферой через воздухозаборники.

Для предохранения системы дренажа при закупорке в трубопроводы, идущие от воздухозаборников дренажа, вварены патрубки, в которых установлены вакуумные клапаны дренажа, открывающиеся при создании в трубопроводе разрежения, предохраняя его от смятия.

Системы подачи и перекачки топлива.

Систему выработки топлива условно можно разбить на систему перекачки топлива и систему подачи его к двигателям. Схема подачи топлива к двигателям определяется количеством топливных баков, двигателей и их компоновкой на самолёте.

На многодвигательных самолётах применяются общие (централизованные), раздельные и автономные системы подачи топлива (см. рис. 8.1.). В общей системе топливо подается через расходный бак ко всем двигателям. В раздельных системах топливо подаётся к каждому двигателю от определённой группы баков. Автономные системы обеспечивают питание каждого двигателя из своего бака. Подача топлива к двигателям осуществляется из расходного (расходных) отсека с помощью насосов подкачки.

Рис.7.3. Классификация систем подачи топлива к двигателям: а - общая; б - раздельная; в - автономная; РО - расходный отсек; ПК - перекрывной кран; КК - кран кольцевания

В расходном баке размещаются, как правило, два насоса подкачки, которыми топливо подаётся к двигателям, датчики топливоизмерительной аппаратуры, элементы предохранения бака от переполнения при перекачке в него топлива из других баков, а также устройства, разгружающие стенки бака от чрезмерного давления. Бесперебойная работа двигателя на режимах полёта с нулевыми или отрицательными перегрузками обеспечивается встроенным в конструкцию расходного топливного бака противоперегрузочным отсеком, в котором устанавливается насос подкачки, либо топливным аккумулятором. Принцип действия противоперегрузочного отсека основан на том, что топливо из бака свободно поступает в отсек и заполняет его, но при отливах топлива в расходном топливном баке оно из отсека уйти не может. Объём отсека обеспечивает работу насоса в течение заданного расчетного времени действия перегрузок, в результате которых произошёл отлив топлива в расходном топливном баке.

Подача топлива к насосам высокого давления двигателей для обеспечения их бескавитационной работы производится при двухступенчатом повышении давления. Вначале давление повышается баковыми насосами подкачки, а затем двигательным насосом. В магистралях подачи топлива в двигатели устанавливаются обратные клапаны, краны кольцевания, топливные аккумуляторы, обеспечивающие питание двигателей топливом на режимах полёта с околонулевыми и отрицательными вертикальными перегрузками, перекрывные краны, датчики расходомёров, топливомасляные теплообменники и фильтры.

Топливные фильтры снабжаются перепускными клапанами, через которые обеспечивается питание двигателя топливом в случаях засорения или обледенения фильтра.

Наличие линии кольцевания с кранами кольцевания обеспечивает подачу топлива в любой двигатель при отказах в подкачивающей магистрали любого расходного бака, а также служит для выравнивания количества топлива в симметричных баках.

Топливный аккумулятор (см. рис. 7.4.) представляет собой цилиндрический или сферический сосуд, разделённый прорезиненной мембраной на две полости - воздушную и топливную. Воздушная полость находится под давлением сжатого воздуха. Топливная полость соединена с трубопроводом, идущим от подкачивающего насоса к двигателю, и при работающем подкачивающем насосе заполнена топливом, так как давление воздуха в воздушной полости меньше минимально возможного давления топлива. При этом мембрана прижата к стенкам сосуда

и весь его объём заполнен топливом. При отливе топлива от насоса давление в трубопроводе за ним падает, сжатый воздух давит на мембрану и она вытесняет топливо из топливной полости в магистраль подкачки (проходу топлива в насос препятствует установленный в магистрали обратный клапан). Вместимость топливного аккумулятора определяется расчётным временем действия перегрузок, приводящих к отливу топлива от насоса.

Рис. 7.4. Топливный аккумулятор: 1 - полусфера; 3 - резинотканевая мембрана; 4 - прокладки; 5 - болт; 6 - штуцер трубопровода отвода газов; 7 - диафрагма; 8 - полусфера; 9 - патрубок отвода топлива; 10 - профиль; 11 - стыковые кольца; 12 - патрубок подвода топлива; 13 - штуцер сливного крана; 14 - штуцер трубопровода наддува

Подача топлива в двигатели контролируется сигнализаторами давления, датчики которых устанавливаются за каждым баковым насосом подкачки и на входе в насос высокого давления двигателя, а также сигнализаторами перепада давления, характеризующими состояние фильтров. Сигнализация осуществляется обычно на мнемосхеме топливной системы в кабине экипажа.

Системы перекачки топлива выполняют различные функции и могут быть подразделены на основную, вспомогательную и балансировочную. Основная система перекачки топлива обеспечивает подачу топлива из баков в расходные отсеки в определённой очередности. Вспомогательные системы обеспечивают откачку топлива из дренажных бачков, выработку остатков топлива из баков и т.д. Система балансировочной перекачки обеспечивает необходимую центровку самолёта.

Для повышения надёжности работы в баках устанавливают по два электрических центробежных насоса. В последнее время в системах перекачки топлива дополнительно используются струйные насосы.

Примером наиболее характерной топливной системы может служить самолёт Ту-154, на котором используется централизованная топливная система (см. рис. 7.5.). Ко всем трём двигателям этого самолёта топливо подаётся из общего расходного бака, а из остальных баков топливо перекачивается в расходный бак по определённой программе. Для обеспечения равного расхода топлива, перекачиваемого в расходный бак из баков левого и правого крыла, используется порционер.

Рис. 7.5. Принципиальная схема топливной системы с расходным баком: 1 - кессон-бак расходный; 2, 3, 4 - кессон-баки; 5 - насосы перекачки; 6 -подкачивающий насос; 7 - порционер; 8 - блок обратных клапанов; 9 - обратные клапаны

На самолёте Ил-76 топливо в процессе выработки перекачивается в расходные отсеки последовательно из резервных и дополнительных баков перекачивающими насосами, установленными по два насоса в каждом баке. Из расходных отсеков, установленных в главных баках, топливо подается к двигателям двумя подкачивающими насосами. Управление порядком выработки топлива производится системой управления и измерения топлива, работающей от сигнализаторов уровня топлива в очередных баках.

На самолете Як-42 топливо размещено в трех кессонах (см. рис. 7.6.) - двух крыльевых и одном центропланом (среднем).

Рис.7.6. Топливная система самолета Як - 42

Органы управления агрегатами топливной системы размещены на верхнем пульте кабины экипажа и пульте управления ВСУ.

На щитке топливной системы расположены:

АЗР-ы "НАСОСЫ ВКЛ. ОТКЛ." для управления подкачивающими насосами;

Зеленые светосигнализаторы наличия давления топлива за насосами;

Желтые светосигнальные табло "НЕТ ДАВЛ. ТОПЛ." сигнализации падения давления топлива на входе в двигатель;

Выключатели "ЛЕВ. КРАН КОЛЬЦ." и "ПРАВ. КРАН КОЛЬЦ." для ручного управления кранами кольцевания;

Выключатель "ОТКЛ. АВТОМ. КРАН КОЛЬЦ." для автоматического управления кранами кольцевания. В исходном положении выключатель закрыт крышкой, законтрен и опломбирован.

В таком положении выключателя краны кольцевания открываются автоматически только в полете (при разжатой левой опоре), если обесточена сеть переменного тока 200В или загорелось одно из табло "320 кг".

Желтые и зеленые лампы кранов кольцевания, которые срабатывают так же, как соответствующие лампы пожарных кранов;

Светосигнальные табло "670 ЛЕВ., СРЕДН., ПРАВ.", "320 ЛЕВ., СРЕДН., ПРАВ." для сигнализации остатка топлива;

Кнопка "КОНТРОЛЬ СИГНАЛИЗАТОРОВ" для проверки сигнализаторов СУИТЗ.

Контроль работоспособности сигнализаторов остатка топлива "870" и "320" выполняется при заполненных топливных кессонах. Четыре пожарных крана (три для двигателей Д-36 и один для ВСУ) управляются четырьмя переключателями "ПОЖАРНЫЕ КРАНЫ ТОПЛИВА", расположенными на панели "ПРОТИВОПОЖАРНАЯ СИСТЕМА" на верхнем пульте. Закрытое и открытое положения пожарных кранов контролируются четырьмя желтыми и четырьмя зелеными сигнальными лампами, размещенными там же.

Система управления и измерения топлива предназначена для:

Измерения количества топлива в центропланном (среднем) кессоне и в каждом крыльевом (левом и правом) кессонах и выдачи информации на индикатор, установленный на приборной доске;

Измерения суммарного количества топлива в кессонах и выдачи информации на индикатор, установленный на приборной доске;

Измерения заправляемого количества топлива в центропланном (среднем) кессоне и в каждом крыльевом (левом и правом) кессонах;

Выдачи на табло "ТОПЛИВО 870", установленные на верхнем пульте в кабине экипажа, сигналов остатка топлива в центропланном кессоне 870 кгс и в каждом крыльевом кессоне 870 кгс;

Выдачи на табло "ТОПЛИВО 870" дублирующих сигналов остатка топлива 650 кгс по каждому кессону;

Выдачи на табло "ТОПЛИВО 320", установленные на верхнем пульте, сигналов остатка топлива в центропланном кессоне 320 кгс и в каждом крыльевом кессоне 320 кгс;

Выдачи сигналов о суммарном количестве топлива в самолетный ответчик и МСРП-64М-2.

Суммарное количество топлива определяется по показаниям трехразрядного барабанчикового счетчика, а количество топлива в каждом кессоне - по показаниям трех индексов профилей индикатора, которые устанавливаются против деления шкалы, соответствующего количеству топлива в кессоне.

Работа измерительной части основана на измерении электрической емкости датчиков, изменяющейся с изменением уровня топлива в баках. Электроёмкостные датчики выполняются в виде конденсатора из коаксильно расположенных труб. Работа автоматической части управления расходом и заправкой основана на свойстве катушки индуктивности датчика - сигнализатора изменять индуктивное сопротивление от перемещения в ней стального сердечника при изменении уровня топлива. Измерение количества топлива в баке при помощи поплавково-рычажных топливомеров основано на принципе преобразования с помощью реостата перемещения поплавка в электрический сигнал.

Для измерения мгновенного расхода топлива каждым двигателем и остатка топлива в баках для каждого двигателя предназначен расходомер. Крыльчато-тахометрический расходомер представляет собой преобразователь, генерирующий электрический сигнал, пропорциональный расходу протекающего топлива и состоящий из расходомерной трубы, в которой установлена лопастная турбина, и системы измерения скорости вращения турбины.

Каждый из трех двигателей Д-36 и ВСУ питается топливом из соответствующего топливного кессона и имеет автономные трубопроводы питания топливом и агрегаты подачи топлива.

Топливо к двигателям подается под давлением подкачивающими насосами, установленными в кессонах. К каждому боковому двигателю Д-36 топливо из кессонов подается двумя электроприводными подкачивающими насосами, включенными в магистраль питания параллельно. Средний двигатель питается топливом от двух электроприводных подкачивающих насосов, установленных в среднем кессоне.

К магистральным трубопроводам питания двигателей Д-36 подсоединены обратные самотечные (обратные запорные) клапаны, предназначенные для подачи топлива к двигателям самотеком в случае отказа подкачивающих насосов. Кроме того, для обеспечения питания двигателей топливом под давлением при отказе отдельных подкачивающих насосов

магистральные трубопроводы питания боковых двигателей соединены с магистралью питания среднего двигателя через два крана кольцевания трубопроводом кольцевания.

В магистрали питания двигателей Д-36 включены топливные аккумуляторы и электроприводные перекрывные пожарные краны.

Питание топливом ВСУ осуществляется из центропланного кессона пусковым насосом постоянного тока. При работе подкачивающих насосов расходный отсек всегда (кроме случая отрицательной перегрузки) заполнен топливом. Топливо в расходный отсек боковых кессонов подается двумя струйными насосами, в расходный отсек среднего кессона четырьмя струйными насосами, использующими для своей работы активное топливо, отбираемое от подкачивающих насосов.

В стенках расходного отсека установлены три обратных клапана, обеспечивающие приток топлива в расходный отсек в случае питания двигателя на самотеке.

Система дренажа - открытого типа, с отбором воздуха для подачи в топливные кессоны непосредственно из атмосферы. Каждый боковой кессон имеет свою систему дренажа.

Для дренажирования среднего кессона в верхнюю его часть из дренажных отсеков боковых кессонов выведены два дренажных трубопровода.

Если разница топлива в симметричных баках превысит допустимую величину, его количество выравнивается следующим образом:

Открываются краны кольцевания симметричных двигателей;

Отключаются подкачивающие насосы двигателя с меньшим остатком топлива и вырабатывается топливо из баков двигателя с большим остатком до выравнивания его количества;

Включаются ранее выключенные подкачивающие насосы;

Закрываются краны кольцевания.

При отказе двух насосов в одном баке двигатели питаются самотеком. Полет выполняется с минимальными эволюциями на высоте, обеспечивающей устойчивую работу двигателя.

При всех обесточенных насосах полет выполняется с минимальными эволюциями до ближайшего аэродрома.

Перед полетом экипаж обязан:

Принять доклад от авиатехника о количестве и сорте заправленного топлива;

Убедиться, что слит отстой топлива и в нем отсутствуют механические примеси и вода, а в зимнее время кристаллы льда. Произвести внешний осмотр самолета, при этом проверить, нет ли течи бензина, проверить заправку самолета топливом. После посадки в кабину необходимо включить и проверить исправность топливомера, суммарное количество топлива в баках и количество топлива отдельно в левом и правом крыле. Контроль за расходом топлива в полете осуществлять по топливомеру и часам. Загорание сигнальной лампы с красным светофильтром на световом табло ОСТАТ. ТОПЛ. указывает пилоту на то, что в баках осталось на 30 мин полета.

Заправка самолёта топливом.

Применяются два вида заправки: первый - раздельное заполнение одного или нескольких баков через открываемую сверху горловину - так называемая верхняя, или открытая, заправка и второй - централизованная заправка под давлением через один или несколько штуцеров, расположенных в нижней части самолёта, в месте, удобном для обслуживания

Централизованная заправка самолёта топливом под давлением имеет значительные эксплуатационные преимущества перед открытой заправкой через заливные горловины, установленные в каждом баке, так как она более удобна и существенно сокращает время заправки, особенно при большой вместимости топливной системы. Кроме того, исключается возможность попадания в баки посторонних включений, улучшаются условия пожарной безопасности. Однако необходимое для применения централизованной заправки дополнительное оборудование топливной системы самолёта (в том числе предохраняющее баки от повышения допустимого давления) усложняет конструкцию и приводит к некоторому увеличению её массы.

Порядок заправки топливных баков должен обеспечивать нормальную центровку самолёта и обычно противоположен порядку выработки топлива.

Заправка баков осуществляется через штуцеры централизованной заправки. За штуцерами установлены магистральные краны заправки, а на входе трубопроводов в баки - краны заправки и гидроуправляемые клапаны.

При заполнении какого-нибудь бака сигнализатор заправки системы выдает сигнал на закрытие V крана заправки этого бака, кран автоматически закрывается и загорается его светосигнализатор. Аналогично автоматически закрываются краны всех заполненных баков. Если какой-нибудь из кранов не закрылся автоматически, то с повышением уровня топлива в баке закрывается поплавковый клапан и поступление топлива в бак все равно прекращается. Симметричные баки разных полукрыльев заправляются одновременно.

При заправке необходимо следить, чтобы разность в количестве топлива в баках левого и правого полукрыльев была не более 1000 кг.

При необходимости неполной заправки какого-нибудь бака заправку можно прекратить ручным закрытием соответствующего крана заправки. Кран закроется и автоматически, если предварительно установить кремальеру соответствующего индикатора на отметку требуемого количества заправляемого топлива. При необходимости применяется топливо с противообледенительными присадками "И", "И-М", "ТГФ" и "ТГФ-М" в количестве не более 0,3% по объему. В качестве антистатического присадка допускается применение "СИГБОЛА".

Часть 10. Авиационные динамические насосы (наиболее часто применяются центробежные, но также используются осевые, вихревые и струйные насосы) используются главным образом для перекачивания авиационного топлива. Кроме топливных, на самолетах (пассажирских) используются насосы систем жизнеобеспечения (для чистой воды, санитарные и пр.), а также насосы систем термостабилизации для охлаждения (подогрева) радиоэлектронного оборудования (главным образом радаров и их электроники). Что касается топливных насосов, то в каждом баке самолета (а их может быть более 10) должен быть как минимум один топливный насос, топливные насосы также установлены на двигателях. Таким образом, число топливных насосов разных типоразмеров на самолете может превышать 30. . 40 штук 5. . 10 разных типов Лекции по Ти. ЭУ 1

Основные особенности авиационных насосов: 1. Жесткие ограничения по весу и габаритам (и вытекающая отсюда необходимость повышения частот вращения ротора) 2. Большое разнообразие конструкций из-за сложной конфигурации баков и трубопроводов в самолете 3. Удобство замены (модульная конструкция) 4. Высокая надежность в процессе работы 5. Большое разнообразие систем привода насосов (двигатели переменного тока 400 Гц, постоянного тока 27 и 110 В, гидропривод, пневмопривод и привод непосредственно от двигателя) 6. Необходимость резервирования насосов 7. Возможность работы на жидкостях с большим количеством растворенного воздуха (авиационное топливо может растворять большое количество воздуха) и в сложных кавитационных условиях (вследствие высоких частот вращения и возможных больших температур топлива, особенно в крыльевых баках) 8. Пожарная безопасность (топливо огнеопасно) 9. Большой диапазон режимов работы Лекции по Ти. ЭУ 2

Основные типы топливных насосов – это баковые (внебаковые и кессонные) насосы 1 ступени (как правило, с электроприводом ЭЦН), двигательные насосы с приводом от двигателя (2 ступени) – ДЦН и топливные насосы высокого давления (до 100 кгс/см 2), установленные на двигателе (насосырегуляторы и форсажные насосы). При этом баковые насосы применяются и для перекачивания топлива между баками (например, из внешних баков в расходный или между крыльевыми для уравновешивания самолета – балансировочные насосы БЦН) Лекции по Ти. ЭУ 3

Проблема постоянного снабжения топливом двигателей во всех режимах полета Самолет может совершать самые разнообразные маневры в процессе полета. Особенно это касается высокоманевренных военных самолетов. При этом система подачи топлива должна обеспечивать снабжение двигателей горючим во всех возможных положениях самолета и при разных перегрузках (в том числе отрицательных). Для этого используются различные схемы забора топлива из баков и/или топливные аккумуляторы, обеспечивающие кратковременную подачу топлива в баки при маневре. Лекции по Ти. ЭУ 9

Другой проблемой является работа насоса на жидкостях с высоким газосодержанием (с выделением газа на входе в насос) и при низких значениях кавитационного запаса на входе. Несмотря на наддув баков от компрессора двигателя, за счет нагрева топлива в баках, изменения положения зеркала топлива в баках и отрицательных перегрузок давление на входе в насос может падать почти до давления насыщенного пара для данной жидкости. Кроме того, кавитационные качества сильно зависят от частоты вращения вала насоса, которая для данных насосов высока. Проблема может быть решена следующими основными путями: 1. Снижение содержания газа на входе в лопастное колесо с помощью газосепараторов 2. Применение предвключенных струйных насосов для улучшения работы на газожидкостной смеси и повышения всасывающей способности 3. Использование предвключенных шнеков Лекции по Ти. ЭУ 12

Выбор типа привода для авиационного ЦБН должен производиться исходя из следующих требований: 1. Высокие частоты вращения вала насосов 2. Высокая надежность привода и его компактность, малый вес 3. На самолете обычно есть 2 вида электропитания – постоянный ток (обычно 27 В) и переменный (как правило 100200 В 400 Гц) 4. Насосы должны работать и в аварийных ситуациях, в том числе при сбое электропитания (не все, аварийные) 5. Желательно наличие жесткой характеристики привода для прогнозируемой работы насоса во всех режимах 6. Желательно – возможность управления параметрами двигателя и система его диагностики (реализуется, например, в современных двигателях с электронной коммутацией) 7. Очень важная задача – охлаждение двигателя в замкнутом объеме (обычно перекачиваемой жидкостью) для насосов внутрибакового исполнения Лекции по Ти. ЭУ 17

Исходя из вышеизложенного, для авиационных ЦБН применяются следующие типы приводов: 1. Электродвигатели постоянного тока с частотами вращения как правило от 5000 до 24000 об/мин и мощностью от 25 Вт до 15 КВт (обычно до 1 КВт) 2. Электродвигатели переменного тока (асинхронные, 400 Гц) на те же параметры 3. Пневмопривод (воздушная турбина) с отбором сжатого воздуха от компрессора двигателя 4. Гидропривод (гидротурбина) с питанием рабочей жидкостью (топливом) от насоса, установленного на двигателе 5. Аварийные приводы, например, выкидные воздушные турбины (обычно используются не для ЦБН, а для аварийных генераторов) 6. Наиболее современные – синхронные вентильные двигатели с ротором на постоянных магнитах Лекции по Ти. ЭУ 19

Возможные направления развития авиационных ЦБН 1. Применение герметичных синхронных вентильных электродвигателей с электронной коммутацией со встроенным регулированием по частоте вращения и датчиками состояния агрегата (включая датчики вибродиагностики) 2. Повышение частот вращения роторов насосов для уменьшения их веса и габаритов 3. Более широкое использование в конструкции неметаллических материалов, в т. ч. и в корпусных деталях 4. Использование подшипников скольжения с высокой износостойкостью для повышения ресурса работы Лекции по Ти. ЭУ 39

Дренаж топливных баков поддерживает в топливных баках заданное избыточное давление для: обеспечения бескавитационной работы насосов; обеспечения минимального внутреннего и внешних давлений на стенки баков; регулирования давления воздуха в баках при их заправке топливом и сливе его.
Систему выработки топлива условно можно разбить на систему перекачки топлива и систему подачи его к двигателям. Схема подачи топлива к двигателям определяется количеством топливных баков, двигателей и их компоновкой на самолёте.
На многодвигательных самолётах применяются общие (централизованные), раздельные и автономные системы подачи топлива (см. рис. 8.1.). В общей системе топливо подается через расходный бак ко всем двигателям. В раздельных системах топливо подаётся к каждому двигателю от определённой группы баков. Автономные системы обеспечивают питание каждого двигателя из своего бака. Подача топлива к двигателям осуществляется из расходного (расходных) отсека с помощью насосов подкачки.
В расходном баке размещаются, как правило, два насоса подкачки, которыми топливо подаётся к двигателям, датчики топливоизмерительной аппаратуры, элементы предохранения бака от переполнения при перекачке в него топлива из других баков, а также устройства, разгружающие стенки бака от чрезмерного давления. Бесперебойная работа двигателя на режимах полёта с нулевыми или отрицательными перегрузками обеспечивается встроенным в конструкцию расходного топливного бака противоперегрузочным отсеком, в котором устанавливается насос подкачки, либо топливным аккумулятором. Принцип действия противоперегрузочного отсека основан на том, что топливо из бака свободно поступает в отсек и заполняет его, но при отливах топлива в расходном топливном баке оно из отсека уйти не может. Объём отсека обеспечивает работу насоса в течение заданного расчетного времени действия перегрузок, в результате которых произошёл отлив топлива в расходном топливном баке.
Подача топлива к насосам высокого давления двигателей для обеспечения их бескавитационной работы производится при двухступенчатом повышении давления. Вначале давление повышается баковыми насосами подкачки, а затем двигательным насосом. В магистралях подачи топлива в двигатели устанавливаются обратные клапаны, краны кольцевания, топливные аккумуляторы, обеспечивающие питание двигателей топливом на режимах полёта с околонулевыми и отрицательными вертикальными перегрузками, перекрывные краны, датчики расходомёров, топливомасляные теплообменники и фильтры.
Топливные фильтры снабжаются перепускными клапанами, через которые обеспечивается питание двигателя топливом в случаях засорения или обледенения фильтра.
Наличие линии кольцевания с кранами кольцевания обеспечивает подачу топлива в любой двигатель при отказах в подкачивающей магистрали любого расходного бака, а также служит для выравнивания количества топлива в симметричных баках.
Топливный аккумулятор (см. рис. 8.2.) представляет собой цилиндрический или сферический сосуд, разделённый прорезиненной мембраной на две полости - воздушную и топливную. Воздушная полость находится под давлением сжатого воздуха. Топливная полость соединена с трубопроводом, идущим от подкачивающего насоса к двигателю, и при работающем подкачивающем насосе заполнена топливом, так как давление воздуха в воздушной полости меньше минимально возможного давления топлива. При этом мембрана прижата к стенкам сосуда и весь его объём заполнен топливом. При отливе топлива от насоса давление в трубопроводе за ним падает, сжатый воздух давит на мембрану и она вытесняет топливо из топливной полости в магистраль подкачки (проходу топлива в насос препятствует установленный в магистрали обратный клапан). Вместимость топливного аккумулятора определяется расчётным временем действия перегрузок, приводящих к отливу топлива от насоса.
Подача топлива в двигатели контролируется сигнализаторами давления, датчики которых устанавливаются за каждым баковым насосом подкачки и на входе в насос высокого давления двигателя, а также сигнализаторами перепада давления, характеризующими состояние фильтров. Сигнализация осуществляется обычно на мнемосхеме топливной системы в кабине экипажа.

Размещение на самолете отсеков для топливных баков производится при компоновке самолета, при этом масса топлива в отсеке определяется как

M т =ρ(W 0 -W св -W a -W ст -W м.б.),= ρ W т

W 0 - объем отсека в конструкции самолета для бака;

ρ - плотность топлива при данной температуре;

W св - свободный объем надтопливного пространства, необходимый для расширения топлива при изменении его температуры;

W a - объем внутрибаковой арматуры, насосов, топливомеров и др.;

W ст - объем стенок баков;

W м.б - объем пространства между внешней поверхностью бака и элементами конструкции самолета;

W т – объем залитого топлива.

Условно приняв плотность топлива при температуре 20 °С за исходную и введя понятие коэффициента заполнения отсека к з.о. , можно оценивать и сопоставлять использование объемов отсеков самолета для размещения топлива. Этот коэффициент представляет собой отношение объема, заполняемого топливом, к объему пространства внутри конструкции самолета, отведенного для него: к з.о. = W т / W 0 .

В зависимости от типа самолета, места расположения, назначения и конструктивной схемы бака этот коэффициент может меняться в довольно широких пределах. Наибольшее значение, близкое к единице, он имеет для баков, выполненных в виде герметизированных отсеков самолета, из которых топливо вытесняется сжатым газом. Наименьшее значение коэффициента заполнения отсека (к з.о. = 0,8-0,9) бывает у расходных протектированных баков с большим количеством устройств автоматического управления порядком выработки топлива, насосами и другим оборудованием.

Увеличение потребных запасов топлива вызывает определенные трудности в его размещении на самолетах. На транспортных самолетах в фюзеляже размещаются пассажиры и груз, а топливо, в основном, может быть размещено только в консолях крыла. В связи с этим выбор высоты его профилей производится не только из аэродинамических требований, но и из условия размещения в них необходимых запасов топлива. Для наиболее рационального использования внутренних объемов крыльев и увеличения емкости топливной системы на современных самолетах под топливные баки используются образованные конструкцией крыла отсеки. Они покрываются изнутри герметиком и называются баками-кессонами.

Обычно под топливо отводится только часть объема крыла, а в остальном объеме размещаются насосы, механизация крыла, шасси и элементы системы управления самолетом. При верхнем расположении крыла его центроплан может использоваться для размещения топлива, что не допустимо для низкоплана (возможно возгорание топлива при аварийной посадке на “живот”).

Необходимо отметить, что масса топлива в полете разгружает крыло, благодаря чему получается определенный выигрыш в массе его конструкции. При посадке масса топлива увеличивает нагрузку, действующую на крепление крыла, но обычно посадка совершается с небольшим количеством топлива в крыльевых баках. В аварийных случаях посадки через небольшой промежуток времени после взлета предусматривается слив топлива из баков, например на самолетах Ту-104, Ту-114 и др.

Для восполнения запасов топлива и увеличения продолжительности полета на боевых самолетах применяется дозаправка топливом в полете от специальных самолетов-заправщиков. На пассажирских самолетах из соображений безопасности заправка топливом в полете не предусматривается.

На самолетах-истребителях из-за ограниченных объемов конструкции самолета основная масса топлива размещается в фюзеляже и дополнительно в крыле. Фюзеляжные баки имеют сложную форму, которая определяется местом их расположения. Они имеют относительно большую высоту, что способствует более полной выработке топлива. На этих самолетах фюзеляж имеет относительно небольшой свободный объем для топлива в связи с размещением в нем специального оборудования. Поэтому для увеличения запасов топлива применяются подвесные топливные баки.

Подвесные топливные баки на самолетах со стреловидным крылом устанавливают под фюзеляжем и консолями. На самолетах с малыми углами стреловидности крыла подвесные баки устанавливают на концах крыла, что объясняется наименьшим увеличением лобового сопротивления, эффективным увеличением площади крыла и разгрузкой крыла.

Емкость подвесных топливных баков колеблется от 500л до 5000 л, а на некоторых типах самолетов, например бомбардировщике В-58, где подвесной топливный бак выполнен в виде контейнера, подвешиваемого под фюзеляжем, достигает 10000 л.

Подвесные баки оказывают отрицательное влияние на летные характеристики самолета (ухудшаются маневренность и разгонные характеристики, увеличивается лобовое сопротивление, уменьшается высотность и т. д.).

Объем подвесных сбрасываемых баков для конкретного самолета определяется расходом топлива на неответственных участках траектории полета (запуск, опробование, руление, взлет, набор высоты, полет над своей территорией и т. д.). При необходимости на ответственных участках траектории полета (эволюции, воздушный бой) подвесные баки сбрасываются, не зависимо от наличия в них топлива.

Большое распространение на боевых самолетах получила заправка топливом в полете, которая позволяет увеличить продолжительность и повысить боевую эффективность самолета. Размещение топлива во всех свободных объемах крыла и фюзеляжа, а в некоторых случаях и в вертикальном оперении приводит к большому количеству топливных баков, расположенных в различных местах продольной оси самолета. Поэтому по мере выработки топлива из баков происходит изменение положения центра масс самолета.

При компоновке самолета выбирается такое расположение топливных баков, чтобы центр масс самолета, полностью заправленного топливом, располагался вблизи центра масс самолета, не заправленного топливом. В зависимости от компоновки самолета могут быть два варианта размещения топлива на самолете. Симметричное расположение, когда центры масс полностью заправленных баков находятся на одинаковом расстоянии х от центра масс самолета и объемы топлива W 1 и W 2 передних и задних баков (относительно центра масс самолета) равны между собой. Не симметричное расположение, когда объемы баков и их расстояние до центра масс самолета не равны, а равны только моменты масс баков:

ρW 1 X 1 = ρW 2 X 2 .

В первом случае расход топлива при необходимости поддержания постоянной центровки самолета должен производиться при сохранении равенства расходов из передних и задних баков (Q 1 = Q 2 ). При этом расход топлива из каждого бака должен быть пропорционален расходу топлива на двигатель:

Q 1,2 = ,

Q дв. - расход топлива на двигатель;

n - количество двигателей, питаемых из одного расходного бака;

k - количество одновременно вырабатываемых баков в расходный бак.

Неравномерность выработки в этом случае передних и задних баков, т. е. изменение центровки самолета, может происходить из-за различных расходов топлива двигателями и нестабильности гидравлических характеристик перекачивающих магистралей.

На самолетах, где топливо должно вырабатываться несимметрично, перекачка топлива производится с преимущественным расходом топлива из передних или задних баков.

При несимметричном расположении топлива, если не требуется компенсация центровки для сохранения равенства моментов, например при десантировании грузов, расход топлива производится или непрерывно пропорционально закону

Q 1 = или Q 1 = Q 2

или отдельными порциями в границах заданного поля центровок.

В общем случае центровка самолета при расходовании топлива из баков оценивается:

= /b сах,

где G i – запас (или выработка части топлива) i топливного бака;

x i – координата центра масс соответствующего топливного бака относительно носка средней аэродинамической хорды;

b сах, средняя аэродинамическая хорда.

Положение центра масс во время полета определяет необходимые характеристики устойчивости, управляемости при наименьших потерях топлива на балансировочное сопротивление на всех участках траектории полета.

Для самолетов с различной стреловидностью крыла рекомендуются следующие диапазоны центровок:

самолеты с прямым крылом 0,20…0,25;

самолеты со стреловидным крылом (χ=35 0 …40 0) 0,26…0,30;

самолеты со стреловидным крылом (χ=50 0 …55 0) 0,30…0,34;

самолеты с треугольным крылом

малого удлинения 0,32…0,36.

По функциональному назначению топливные баки, являющиеся частью конструкции самолета, подразделяются на расходные и основные. Основные топливные баки предназначены для размещения наибольшего объема топлива на борту. Эти баки могут размещаться в различных «свободных» местах самолета (с учетом необходимых требований), что приводит к их значительному количеству.

Расходные топливные баки, относящиеся к основной топливной системе, служат как для его размещения части топлива, так и для обеспечения двигателей топливом. Кроме того, установленная в них автоматика позволяет управлять порядком выработки топлива в пределах всей топливной системы. Расходные баки обычно размещаются вблизи центра масс самолета так, чтобы существенно не повлиять на изменение центровки самолета после выработки из них топлива.

Наиболее целесообразно располагать в расходных топливных баках заборные отсеки или отсеки отрицательных перегрузок, которые обеспечивают бесперебойную подачу топлива при любых возможных положениях и перегрузках самолета.

Кроме того, применение системы расходных баков позволяет:

а) простыми конструктивными методами обеспечить в расходных баках посадочный остаток топлива (резерв топлива);

б) при сложных схемах перекачки упростить контроль экипажем автоматики и обеспечить резерв времени в случае появления отказа в магистралях перекачки;

в) снизить и выравнить температуру топлива, подаваемого к двигателю;

г) конструктивно обеспечить дегазацию топлива, поступающего в расходный бак из очередных баков, и улучшить кавитационные характеристики насосов подкачки;

д) обеспечить частичный отстой топлива, поступающего к двигателям;

е) мощные насосы подачи топлива в двигатели устанавливать только в расходных баках, во всех остальных баках устанавливать перекачивающие низконапорные и, следовательно, и более легкие насосы.

Количество расходных баков обычно соответствует количеству двигателей, но в отдельных случаях могут применяться схемы с общим расходным баком для нескольких двигателей.

Схема магистралей перекачки зависит от количества топливных баков, их расположения на самолете, минимальной массы и надежности работы

Выполнение заданной программы перекачки топлива на маневренных самолетах требует от системы топливных баков, трубопроводов и агрегатов стабильности гидравлических характеристик вне зависимости от эволюции самолета в пространстве.

Из всех основных баков топливо перекачивается в расходные. При этом порядок перекачки топлива определяется необходимой центровкой самолета в полете и требованиями, выполнение которых необходимо для нормального функционирования самой топливной системы:

Порядок перекачки топлива должен обеспечивать поддержание расходного бака (баков) полным или почти полным до опорожнения всех других баков;

Во всех случаях остаток топлива в расходном баке (баках) к моменту опорожнения всех других емкостей не должен быть меньше резерва топлива,

Порядок перекачки топлива в расходный бак должен исключить попадание топлива в уже выработанные основные баки, так как по окончании выработки топлива из бака перекачивающий насос оголяется, выходит на нерасчетный режим и должен быть выключен экипажем или автоматически. Это же требование сохраняется и при подаче топлива в расходный бак из других баков под давлением воздуха (выдавливанием). В этом случае после окончания выработки топлива из бака наддув отключается и топливо, вновь попавшее в бак, останется невыработанным.

На самолетах-истребителях при отсутствии подвесных сбрасываемых баков начинать перекачку топлива в расходный бак следует из крыльевых баков. Объясняется это малой высотой и большой площадью крыльевых топливных баков, что затрудняет полную и равномерную выработку топлива из них, особенно при эволюциях самолета. Темп перекачки топлива из крыльевых баков обычно невелик, так как прокладка трубопроводов больших диаметров в тонких крыльях затруднительна. В крыльевых баках самолетов-истребителей перекачивающие насосы из-за их больших габаритов обычно не применяются, а подача топлива производится под давлением воздуха, повышение которого связано с увеличением массы конструкции и трудностями обеспечения герметичности баков-отсеков.

Необходимо отметить, что на некоторых типах самолетов-истребителей с целью разгрузки конструкции крыла, в полете первоначально топливо частично вырабатывается из фюзеляжных баков, а затем – из крыльевых.

5.6. СПОСОБЫ ПОДАЧИ ТОПЛИВА К ДВИГАТЕЛЯМ

Схемы

На выбор рациональной схемы подачи топлива к двигателям оказывают влияние: назначение и компоновка самолета, режимы его полета, тип и число двигателей, сорт применяемого топлива, мероприятия по обеспечению безопасности и высотности полетов. Сложность создания рациональной схемы подачи топлива к двигателям обусловлена: необходимостью размещения большого количества топлива в ограниченном объеме, обеспечения бесперебойной работы двигателей в большом диапазоне скоростей и высот полета, включения автоматических устройств, обеспечивающих заданную программу выработки топлива и контроль работы топливной системы.

Одним из важнейших фрагментов схемы магистралей подачи топлива к двигателям является выработка топлива из баков. Для обеспечения выработки топлива применяются следующие способы: самотеком, вытеснением, насосом подкачки

Выработка топлива из баков самотеком (рис. 5.4 а) применяется на самолетах со сравнительно маломощными ПД, где расходы топлива и потребное давление на входе в насос двигателя невелико. На самолете с двигателями, развивающими большую тягу (мощность), выработка топлива из баков самотеком применяется для переливания топлива из бака в бак, как сообщающиеся емкости (или в пределах одной группы, или в качестве аварийного перелива топлива).

Выработка топлива из баков вытеснением (рис. 5.4 б) осуществляется сжатым воздухом или нейтральными газами. Надтопливное пространство бака изолировано от окружающей атмосферы. Преимуществами такой выработки являются: возможность полета на большой высоте, отсутствие топливных насосов на самолете, возможность регулирования давления, отсутствие дренажа, потерь на испарение топлива и расхода энергии на привод насосов. Однако имеются существенные недостатки: большая масса нагруженных баков внутренним давлением и малая живучесть их при повреждении.

На современных самолетах гражданской авиации выработка топлива из баков только вытеснением не применяется, но в некоторых случаях возможен наддув топливного бака небольшим избыточным давлением (15…30 кПа). Такое избыточное давление получают от компрессора двигателя (через редуцирующее устройство) или за счет скоростного напора.

Выработка топлива из баков насосом подкачки (рис. 5.4 в) приводит к тому, что баки нагружены в меньшей степени, стенки их могут быть изготовлены более тонкими, а баки - легкими. Бак может быть расположен и ниже насоса подкачки, возможна автоматизация управления насосом. Подкачка позволяет создать достаточное давление на входе в основной насос двигателя, обеспечивая необходимую высотность. Недостатком способа является утяжеление топливной системы. У насосов подкачки с электрическим приводом повышенная пожарная опасность. Недостаточна высотность самих насосов. Для повышения надежности иногда в топливной магистрали устанавливаются два параллельно работающих насоса.

Системы перекачки топлива на самолете выполняют различные функции и могут быть подразделены на основную и вспомогательную.

Основная система перекачки топлива участвует непосредственно в цепи подачи топлива из очередных баков в расходный с подачей топлива, необходимой для питания двигателей.

Вспомогательные системы обеспечивают откачку топлива из дренажных бачков, выработку остатков топлива из баков и трубопроводов и т.д.

Система балансировочной перекачки обеспечивает создание необходимого балансировочного момента самолета. Наибольшее распространение получили системы перекачки топлива в расходные баки с центробежными электроприводными насосами. Такие системы применяются почти на всех отечественных и зарубежных самолетах.

На рис. 5.5 дана принципиальная схема топливной системы самолета. Она представляет многобаковую систему, обеспечивающую бесперебойную подачу топлива к двигателю на всех допускаемых режимах эксплуатации самолета. Эта схема, состоящая из ряда магистралей, отражает наличие основных, необходимых агрегатов и устройств, обеспечивающих надежную работу силовой установки. В зависимости от назначения, типа самолета и условий его эксплуатации состав топливной системы может варьироваться не только по номенклатуре самих подсистем, но и по входящим в них агрегатам. Поэтому представленную схему следует рассматривать, как функциональную.

В рассматриваемую схему входят:

Подкачивающая магистраль (подача топлива из расходного бака к двигателю);

Перекачивающая магистраль, обеспечивающая подачу топлива из крыльевых и фюзеляжных основных и подвесных топливных баков;

Дренажная магистраль.

Рассмотрим подачу топлива по предложенной схеме (см. рис. 5.5). Топливо из расходного бака 1 поступает в топливозаборник отсека отрицательных перегрузок 8. При действии отрицательных перегрузок топливо, занимая верхнее положение, беспрепятственно будет поступать в заборный патрубок вплоть до полной выработки отсека. Его заполнение происходит при возвращении самолета к нормальному полету через клапаны 9. Последние исключают выливание

Рис.5.5 Принципиальная схема топливной системы самолета 1 - расходный топливный бак, 2 -фюзеляжный топливный бак, 3. - крыльевые топливные баки, 4 - подвесной топливный бак, 5 - подкачивающая магистраль, 6 - перекачивающая магистраль, 7 - аварийная пере­ливная магистраль, 8 - отсек отрицательных перегрузок, 9 - клапан отсека отрицательных перегрузок, 10 -подкачивающий центробежный насос (ГШН), 11 - двигательный центробежный насос (ДЦН), 12 - обратный клапан, 13-топливный аккумулятор, 14 -топливно-масляный аккумулятор, 15 - термо клапан, 16-фильтр тонкой очистки, 17 - перекрывной (противопожарный) кран, 18 - датчик расходомера, 19,21 - поплавковые гидроклапаны, 20 - перекачивающий центробежный насос, 22 - топливный клапан с сервоприводом,23 -гидроклапан выработки топлива, 24 - гидроклапан дренажа крыльевых топливных баков, 25 - дренажная магистраль, 26 - предохранительный клапан, 27 - линия командного давления выработки топлива, 28 - линия командного давления дренажа крыльевых топливных баков,29-сигнализатор давления, 30 - датчик аварийного остатка топлива.

топлива из отсека при некоторых эволюциях самолета. Следует отметить, что отсеки отрицательных перегрузок устанавливаются на пилотажных машинах, а их объем обеспечивает работу двигателя в течение (15…30)с действия отрицательных перегрузок.

Подается топливо к двигателю подкачивающим насосом 10. Для повышения надежности работы в расходных баках устанавливают, как правило, по два насоса с обязательной установкой обратных клапанов на их выходе. При отказе одного из насосов его обратный клапан перекроет перелив топлива обратно в бак от работающего насоса. Дублирующий насос работают или параллельно с основным, или имеет автономное управление и включаются в случае выхода из строя основного насоса.

В качестве дублирующих обычно применяют однотипные насосы, но известны системы с дублирующими насосами, имеющими неэлектрический привод (эжекторные или турбоприводные насосы). В последнем случае может обеспечиваться также перекачка топлива в аварийном случае при отказе системы электропитания самолета.

На самолетах, имеющих большие расходы топлива, в отдельных случаях в качестве основных насосов перекачки топлива применяются центробежные насосы с приводом от воздушной или гидравлической турбины.

В последнее время широкое распространение в системах перекачки топлива (особенно в режиме доработки) получили струйные насосы.

На современных самолетах для обеспечения надежной подачи топлива к двигателям (в том числе и для исключения кавитации на входе в основной насос двигателя) применяется многоступенчатая подкачка. Обычно обходятся одним насосом подкачки первой ступени (НП1) 10и одним насосом подкачки второй ступени на двигателе (НП2) 11. При этом НП1 создает необходимое давление на входе в НП2, а последний обеспечивает потребное давление на входе в основной насос двигателя (ОНД). Преимуществами такой двухступенчатой подкачки является меньшая суммарная масса НП1 и НП2 и также меньшая мощность на их привод по сравнению с одним насосом подкачки, обеспечивающим потребное давление на входе в ОНД. Кроме того, такая схема включения насосов позволяет подавать топливо из расходного бака при меньших давлениях, что разгружает трубопроводы подкачивающей магистрали и исключает возникновение течи топлива.

Топливный аккумулятор 13 может выполнять двоякую функцию: обеспечить подачу топлива из расходного бака (в случае отсутствия отсека отрицательных перегрузок) при действии отрицательных перегрузок и гашения колебаний расхода и давления топлива на переходных режимах.

Топливный аккумулятор состоит из двух полостей, разделенных гибкой резиновой мембраной - воздушной полости и топливной полости. В воздушную полость подается давление воздуха (или газа), несколько меньшее давления, создаваемого топливным насосом расходного бака. Топливная полость сообщена с магистралью питания двигателя, За насосом расходного бака 10, устанавливается обратный клапан 12, пропускающий топливо только в сторону двигателя. При работе насоса за счет гибкой резиновой мембраны аккумулятор заполняется топливом и давлением топлива поддерживается в заполненном состоянии. При падении давления за насосом (уменьшение или прекращение подачи топлива) топливный аккумулятор компенсирует его подачу из своей полости. После восстановления давления за насосом расходного бака аккумулятор вновь заполняется топливом. Длительность действия отрицательных перегрузок и их величина зависят от предназначения самолета и режимов его полета.

На самолетах с ТРД в топливные системы включается топливно-масляные радиатор 14, охлаждающий масло маслосистемы самолета протекающим топливом. При этом нагретое топливо лучше распыляется в форсунках двигателя, предохраняет фильтр 16от возможного обмерзания. Если для питания двигателя требуется расход топлива меньше, чем для охлаждения масла в топливно-масляном радиаторе, то часть топлива, пройдя радиатор, перепускается посредством термоклапана 15, обратно в бак. Фильтр тонкой очистки топлива 9 обязателен во всех топливных системах. Тонкость фильтрации составляет около 15 мкм. При возможном его засорении топливо, минуя фильтроэлемент, поступает к двигателю по перепускному каналу, предусмотренному в конструкции самого фильтра.

Перекрывной (пожарный) кран 17 предназначен для прекращения подачи топлива к двигателю в аварийных ситуациях (пожар, посадка на «живот» и т.д.). Он имеет дистанционный сервопривод на закрытие. Открывается только на земле. Контрольно-измерительная аппаратура представлена датчиком аварийного остатка топлива 30, манометром или сигнализатором давления 29, расходомером 18.

При значительном количестве топлива для его размещения требуются большие баки. Затруднения при монтаже таких баков заставляют использовать сравнительно небольшие баки, но число их соответственно увеличивается. Для организации рациональной подачи топлива к двигателям с малыми гидравлическими потерями давления, небольшой массой магистралей и для обеспечения необходимого диапазона центровки баки объединяют в группы 2, обычно путем их последовательного соединения по схеме сообщающихся сосудов.

Причем таких групп может быть несколько и выработка топлива из каждой группы осуществляется своим перекачивающим насосом 20.

Уровень наполнения расходного бака контролируется клапаном 22. При наличии нескольких групп, каждая из них подключается к своему клапану, при этом порядок выработки топлива среди групп будет зависеть от уровня установки этих клапанов.

Поплавковый клапан (рис. 5.6) служит для предохранения расходного бака от переполнения при перекачке топлива из основных топливных баков.

Устанавливается клапан внутри расходного бака в верхней его части. Клапанный узел помещен в корпус 1. Разъем между корпусом и крышкой 5 герметизируется резиновой прокладкой 4. Внутри корпуса находится клапан-демпфер 2, перекрывающий доступ топлива в бак. Он состоит из грибкового клапана 20, и ряда деталей, собранных в один узел. При гидравлическом ударе клапан 2 перемещается в поршне вниз, отходит от седла корпуса и стравливает избыточное давление в бак. При достижении определенного уровня топлива в расходном баке клапан-демпфер 2 перекрывает доступ топлива в бак под действием пружины 3 и давления топлива в момент перекрытия клапаном 6 отверстия в крышке 5. При снижении уровня топлива в баке рычаг с поплавком клапан 6 открывается, что вызывает снижение давления под поршнем 18. Под давлением топлива клапан-демпфер 2, сжимая пружину 3, отходит от седла, открывая проходное сечение и топливо

через окна в корпусе 1 выливается в бак и заполняет его. При заполнении бака, когда поплавок занимает верхнее положение, клапан 6 перекрывает отверстие в крышке 5. Через жиклер в клапане 20 топливо протекает во внутреннюю полость клапана и своим давлением совместно с пружиной 3 прижимает клапан-демпфер к седлу, перекрывая поступление топлива в бак. Из крыльевых баков 3 и подвесного бака 4 топливо вылавливается под избыточным давлением, отбираемым либо от двигателя или баллонов сжатого газа.

По схеме выработка из бака 4 осуществляется в первую очередь с помощью поплавкового гидроклапана 19 и гидроклапана выработки топлива 23, их принципиальные схемы даны соответственно на рис.5.7 и 5.8.

При снижении уровня топлива в баке 1 поплавок 4 (см.рис.5.7) опускается вниз и шариковый клапан 2 перекрывает сброс топлива (отбор последнего осуществляется от насоса 10). Это вызывает рост давления в командной магистрали 6, которая подключена к мембранной коробке 1 гидроклапана (см. рис.5.8). Под действием избыточного давления мембрана 4, преодолевая усилие пружины 3, открывает клапан 6, чем обеспечивает подачу топлива в расходный бак. При достижении необходимого уровня топлива в расходном баке поплавок 4 (см. рис.5.7) откроет шариковый клапан, давление в командной магистрали упадет и клапан 23 (см. рис.5.5) перекроет подачу топлива из подвесного бака. После опорожнения подвесного бака гидроклапан выработки 23 будет находиться в открытом состоянии.

Выработка топлива из крыльевых баков контролируется гидроклапаном 21 и его поплавок установлен на более низком уровне топлива в расходном баке. При уменьшении уровня топлива, ниже заданного, в командной магистрали 28 возрастает давление, которое закрывает клапан 3 (см. рис. 5.9), отсекая полости крыльевых баков от общей системы дренажа. В крыльевых баках возрастает давление, под действием которого вытесняется через открытый клапан 23 и повышает уровень топлива в расходном баке 1. После чего гидроклапан 22 сбрасывает давление в командной магистрали 28. Клапан сброса командного давления 24 соединяет полости крыльевых баков с дренажем и подача топлива прекращается.

5.7 ТОПЛИВНЫЕ НАСОСЫ.

Насосы, применяемые в топливных системах самолетов, должны обеспечивать в зависимости от типа самолета подачу топлива от 0,3 до 100 м 3 /ч и более при сравнительно невысоком давлении (не более 200 ...250 кПа) и небольших подпорах на входе. Они должны быть надежными в работе, иметь малые массу и габаритные размеры и большой ресурс работы. Кроме того, к топливным насосам предъявляются специальные требования, обусловленные температурой топлива и окружающего воздуха, величинами перегрузок, положением агрегата в пространстве и т.д. Из большого количества существующих в настоящее время типов насосов наиболее полно соответствуют этим требованиям лопастные и струйные насосы.

Лопастные (центробежные) насосы по сравнению с объемными имеют ряд преимуществ:

Работают при значительной частоте вращения рабочего колеса;

Обладают высокой производительностью;

Характеризуются малыми габаритами и небольшой массой;

Упрощается соединение крыльчатки с приводом (как, правило, напрямую), что устраняет сложные передаточные механизмы;

Обеспечивают свободное протекание топлива при неподвижной крыльчатке.

Все эти преимущества и относительно высокий к.п.д. делают лопастные насосы надежными в работе и удобными в эксплуатации.

Струйные насосы по сравнению со всеми перечисленными типами насосов имеют наименьшую массу и большую надежность, но обладают не всегда удовлетворительными характеристиками по экономичности из-за малых значений к.п.д.

Центробежные топливные насосы приводятся в действие с помощью различных типов приводов. Непосредственный привод от вала авиадвигателя наиболее надежен и экономичен, но может быть использован только для насосов, установленных непосредственно на авиадвигателе, например насосов второй ступени подкачки топлива. Для всех остальных топливных насосов применяются различные приводы: электрические, гидромоторные и пневмотурбоприводы.

Топливные насосы с приводом от электродвигателя .

Широкое распространение получили внутрибаковые электроприводные центробежные насосы (ЭЦН) (рис.5.10). Основным преимуществом этих насосов является возможность их размещения внутри бака с использованием топлива для охлаждения электродвигателя.

Надежность и ресурс работы внутрибаковых ЭЦН во многом зависит от степени герметичности и, следовательно, от совершенства конструкции уплотнений вращающихся деталей. Охлаждение уплотнительной манжеты осуществляется топливом, просачивающимся между манжетой и валом насоса. Просачивающееся топливо, попадая на центробежный отражатель 4, закрепленный на валу, отбрасывается к дренажному каналу 10, к которому подсоединяется трубка, свободный конец которой выводится за борт самолета в область пониженного давления.

Насосы с приводом от электродвигателей имеют достаточно высокую надежность. В подкачивающих и перекачивающих топливных насосах на случай выхода из строя привода подача топлива обеспечивается самотеком (благодаря подсосу последующей насосной ступенью) по внутренним каналам крыльчатки.

В качестве привода центробежных насосов наибольшее распространение получили электродвигатели постоянного тока со смешанным возбуждением и трехфазные асинхронные двигатели переменного тока. Необходимо отметить, что ресурс электропривода постоянного тока определяется надежностью щеточно-коллекторного узла.

Большим преимуществом электродвигателей переменного тока благодаря отсутствию коллектора и щеток является безотказность в работе в сильно разряженной атмосфере с пониженной влажностью (большие высоты). Недостатками электродвигателя переменного тока являются строго регламентированные частоты вращения и меньший, чем у двигателей постоянного тока, пусковой момент, что в некоторых случаях ограничивает их применение.

Топливные насосы с пневмотурбоприводом. Потребная мощность привода насосных агрегатов в некоторых случаях может превышать (7... 10) кВт.

Пневмотурбопривод обладает небольшой массой и габаритными размерами при больших мощностях, высокой надежностью и отсутствием влияния привода на тепловой баланс топлива. Этим объясняется широкое распространение такого типа привода на сверхзвуковых самолетах с высокими температурами топлива на входе в двигатель.

Применение насосов с приводом от воздушной турбины позволяет уменьшить мощность агрегатов, установленных непосредственно на двигателе. При этом уменьшается мидель силовой установки и ее масса.

Струйные насосы. На самолетах с ГТД при наличии на борту высоконапорного топлива из линии перепуска основных и форсажных насосов двигателя струйные насосы благодаря простоте их конструкции, удобству в эксплуатации, надежности в работе и практически неограниченному ресурсу получают все большее распространение.

Принципиальная схема установки и питания струйного насоса I ступени подкачки топлива показана на рис.5.11. В такой схеме топливо из расходного бака поступает в струйный насос и далее подается к центробежному насосу второй ступени подкачки. Высоконапорное топливо в струйное сопло насоса поступает по трубопроводу 6 из контура постоянного перепуска насоса-регулятора ТРД. Электроприводной насос, размещенный в топливном баке, подключен трубопроводом 7 к магистрали между струйным насосом и насосом П ступени подкачки и обеспечивает подачу топлива на режимах приемистости двигателя.

Возможны схемы питания струйных перекачивающих насосов за счет резервной мощности подкачивающих насосов I ступени, установленных в расходном баке, поскольку их полная производительность используется лишь в течение короткого времени на режиме набора самолетом высоты.

На рис. 5.12. приведены данные КПД эжектора для различных значений, коэффициента смешения q см и различных коэффициентов размерных соотношений m. Как видно из этих графиков, максимально возможный КПД струйного насоса составляет 27 % при q 0 = 2,25 и m = 7.75.

Значения КПД струйного насоса (25...27) % могут быть получены только при постоянных значениях коэффициента смешения q c м и коэффициента размерных соотношений m , что может быть реализовано в некоторых случаях только для перекачивающих насосов. Получить высокие значения КПД для струйных насосов I ступени подкачки, для которых характерны переменные значения коэффициента смешения q см , можно только при применении специальных систем регулирования соотношения размеров сечения сопла и смесительного трубопровода (при переменном значении коэффициента m ).

5.8. КАВИТАЦИЯ

Кавитация (от латинского cavitas – пустота) произвольный переход жидкой фазы топлива в парообразную, когда статическое давление в жидкости сравнивается с давлением насыщенных паров.

В магистралях авиационных силовых установок кавитация может возникнуть в связи с уменьшением внешнего давления при увеличении высоты полета. В начальной стадии паровая фаза представлена мелкими пузырьками; затем происходит укрупнение пузырьков, которые в горизонтальной трубе движутся в верхней части сечения и, наконец, возможно разделение паровой и жидкой фаз и разрыв струи.

Наибольшее давление паров, находящихся над жидкостью, которое устанавливается при выделении пара в закрытом сосуде при данной температуре, называется давлением насыщенных паров (p t). Для однокомпонентной жидкости величина p t зависит только от температуры и физических свойств данной жидкости и не зависит от объемного соотношения паровой и жидкой фаз, для многокомпонентной жидкости - не только от температуры, но и от соотношения паровой и жидкой фаз (с уменьшением объема, занятой паровой фазой, давление насыщенных паров вырастает). При испытаниях авиационных топлив в лабораториях принято стандартное отношение паровой и жидкой фаз, равное 4/1. . На графиках рис. 5.13 даны значения р t для различных топлив.

С ростом температуры давление насыщенных паров одно- и многокомпонентных жидкостей увеличивается, но у разных жидкостей в разной степени. Для характеристики давления насыщенных паров жидкости одним числом, условно принята температура 37,8°С = 100°F, при которой давление называют давлением по Рейду и обозначается p Rid . Эта величина является физической характеристикой конкретного топлива и находится по справочным данным.

С увеличением высоты полета уменьшающееся атмосферное давление приводит к падению давления в баках и топливных магистралях, при этом в надтопливное пространство выделяется большее количество воздуха и газовых включений, которые уносят с собой пары топлива. Если внешнее давление выше давления насыщенных паров топлива, то испарение топлива с поверхности несущественно влияет на размеры и интенсивность выделения пузырьков воздуха; если внешнее давление ниже давления насыщенных паров топлива, то начинается внутреннее испарение (кипение) топлива, которое начинается тем раньше, чем выше давление насыщенных паров топлива.

В начальной стадии небольшое снижение давления приводит к выделению растворенного в топливе воздуха, который появляется в потоке топлива в виде мелких пузырьков, приблизительно равномерно распределенных по объему движущейся жидкости (рис. 5.13а, а ).

При дальнейшем снижении давления происходит выделение из жидкости паров легкокипящих фракций топлива. Пузырьки, в основном, состоят из паров топлив, а поток жидкости становится двухфазным; с последующим укрупнением пузырьков. В горизонтальной трубе они движутся преимущественно в верхней части сечения (рис. 5.13а, б ). Наконец, возможны случаи полного разделения паровой и жидкой фаз и движение их осуществляется самостоятельными потоками (рис. 5.13а, в ).

При глубоком снижении давления вся жидкость переходит в парообразное состояние, что приводит к нарушению сплошности потока и возникновению паровых “пробок”. Это вызывает прекращение подачи жидкости (рис. 5.13а, г ).

Отрицательные последствия заключаются в снижении пропускной способности магистрали (вплоть до полного срыва подачи), возникновении колебательных процессов течения топлива и кавитационного разрушения элементов топливной системы.

Колебания расхода вызвано тем, что паровая пробка, попав в крыльчатку насоса, практически полностью прекращает его производительность. Это приводит к снижению скорости потока и росту статической составляющей давления, превышающего упругость паров топлива. Это вызывает их конденсацию, жидкость становится однофазной, подача топлива восстанавливается и процесс повторяется.

Кавитационное разрушение поверхностей объясняется следующим. В процессе турбулентного течения топлива, имеющиеся паровые пузырьки оказываются на поверхности стенки в пограничном слое, где статическое давление превышает упругость пара. В результате конденсации пузырька в месте контакта создается местный гидроудар, приводящий к удалению поверхностной защитной окисной пленки. Со временем этот участок вновь окисляется и процесс повторяется снова. Таким образом, поверхность подвержена эррозионно-коррозонному разрушению.

5.9. КАВИТАЦИОННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

Кавитационной характеристикой центробежного насоса (рис.5.14) называется зависимость действительной производительности Q д в зависимости от давления на его входе P вх . Кавитационные явления чаще всего возникают на входе в насосы.

Кавитационные характеристики, определяются опытным путем и снимаются при постоянной частоте вращения крыльчатки насоса и постоянным перепадом давления на его выходе и входе ∆Р нас =Рвых. - Р вх =const. Эти характеристики приводятся для конкретного топлива и эксплуатационной температуры.

Кавитационные явления чаще всего возникают на входе в насосы. Кавитационные свойства насоса определяются кавитационными характеристиками, которые определяются испытаниями и устанавливают зависимость между давлением на входе и подачей насоса (рис. 5.14). Эта характеристика приводится для данной жидкости при некоторой постоянной значениях частоте вращения

Рис.5.14 Кавитационная (высотная характеристика центробежного насоса)

вала насоса и температуры. Для определения подачи насоса при испытаниях поддерживают постоянный перепад давления и наоборот, для определения перепада давления, создаваемого насосом, поддерживают постоянную подачу.

Расчет топливной системы на высотность заключается в определении условий бескавитационной работы топливной системы. Основная величина, определяющая нормальную работу топливной системы, давление. на входе в топливный насос р вх , которое, во избежание появления кавитации, должно превышать упругость паров топлива р t на некоторую величину.

Потребное давление на входе в насос р вх потр однозначно определяется по имеющейся кавитационной характеристике при заданном минимально допустимом расходе топлива Q min .

При отсутствии кавитационной характеристики р вх потр определяется расчетным путем:

р вх ≥ р t + Δ р кав . (5.4)

Здесь Δ р кав - кавитационной запас давления, превышающий упругость паров топлива, может быть определен двумя различными способами – расчетным и использованием опытных данных.

Расчетный вариант оценивается по формуле С.С. Руднева:

Δ р кав =ρg 10, (5.5)

где Q - подача насоса, м 3 /с;

n – частота вращения рабочего колеса, об/мин;

с – коэффициент кавитации: для насосов с плохими кавитационными свойствами с =600…700, обычных насосов с =800…1000; и насосов с хорошими свойствами с =1000…1500.

Это условие должно выполняться на всех режимах полета самолета при всех перегрузках и температурах топлива. Величина потребного кавитационного запаса для различных насосов меняется в очень широких пределах от сотых долей атмосферы до нескольких атмосфер, в зависимости от типа насоса, режима его работы, быстроходности, и т. д.

Даже для одного и того же насоса, в зависимости от расхода, условий работы и предъявляемых к нему требований, потребный кавитационный запас может существенно изменяться.

Сточки зрения требований к производительности перекачивающего насоса и создаваемому им давлению, его работа даже в зоне заметно развитой кавитации может оказаться удовлетворительной. Однако, пониженное давление на всасывании для насосов подкачки недопустимо, так как при этом возникают резкие колебания давления в системе, приводящие к нарушению работы автоматики и т.д. Кроме того, резкие колебания давления могут вызвать эрозионный износ насосов двигателя и, в частности, плунжерных пар.

В ряде случаев потребный кавитационный запас должен исключать даже малые признаки кавитации, не оказывающие влияния на протекание основных характеристик насоса.

Насосы перекачки могут работать с довольно малыми давлениями на всасывании, то есть в области существенной кавитации на входе, при условии, что они должны обеспечивать потребный расход топлива.

Величина наддува топливных баков большей частью определяется требованиями к основным насосам подкачки, установленным в расходных баках, хотя по условиям работы насосов перекачки наддув баков в большинстве случаев мог бы быть меньше.

Потребные кавитационные запасы давления Dр кав для различных насосов в большинстве случаев определяются экспериментальным путем.

Ниже приводятся осредненные статистические (опытные) данные по кавитационным запасам давления для насосов топливной системы.

Для насосов невысокого давления (100…150) кПа и умеренной производительности (баковые насосы подкачки и перекачки) Dр кав =(10…25) кПа. Для ДЦН (промежуточные насосы подкачки, устанавливаемые на двигателе) -Dр кав =(60…80) кПа.

Для насосов высокого давления (насосы-регуляторы) - Dр кав = (150…250) кПа.

Чтобы уменьшить выделение воздуха из топлива для самолетов с большой скороподъемностью увеличивают кавитационный запас (запас по давлению в баках) примерно, на (70 … 100) мм рт. ст.

Для улучшения кавитационных характеристик насосов подкачки (и других центробежных насосов) перед рабочим колесом (крыльчаткой) устанавливают внутренний насос подкачки (преднасос) в виде осевой или шнековой ступени (рис. 5.6).

Преднасос, благодаря низкому давлению, создаваемому им и пониженным нагрузкам на лопасти не требует таких больших давлений на всасывании как основные, более нагруженные ступени. Вместе с тем лопастное колесо преднасоса создает за собой закрутку топлива, чем обеспечивает понижение относительной скорости входа жидкости в центробежную ступень, которая в основном определяет местное разрежение на входе в колесо и тем самым потребный кавитационный запас.

Установленная в качестве преднасоса сепарирующая крыльчатка пропускает расход больше, чем основная центробежная ступень, и вместе с избытком топлива, отводимым между ступенями обратно в бак, удаляются и пузырьки воздуха и газа, выделившегося из топлива. Все это улучшает кавитационные характеристики насоса.

В этих случаях насосы требуют совершенно ничтожных кавитационных запасов, вплоть до удовлетворительной работы насоса подкачки на кипящей и, особенно, воздуховыделяющей жидкости.

Все эти качества сепарирующих крыльчаток проявляются в полной степени только в тех случаях, когда излишек производительности преднасоса вместе с захваченными им пузырями пара и воздуха может свободно отсепарироваться в полость бака. Если же этой возможности нет или она затруднена, то часто установка такой осевой ступени оказывается даже вредной.

5.10. ОСНОВЫ РАСЧЕТА ТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЫ

Расчет топливной системы сводится к следующему:

Определение потребной емкости баков;

Определение необходимых объемов воздушных подушек, особенно для закрытых систем;

Расчеты, связанные с порядком выработки топлива из баков и обеспечением центровки самолета;

Расчет топливной системы на высотность.

Высотностью топливной системы называется предельная высота полета, до которой обеспечивается бесперебойная подача топлива к основным насосам двигателя с необходимым давлением и требуемым расходом.

Поскольку с первого по третий пункты полностью решаются в процессе предварительных эскизных компоновок самолета, далее эти вопросы не рассматриваются и считается, что в расчете топливной системы заданными являются емкости баков, их конфигурация и размещение на самолете, а также потребный порядок выработки топлива.

Требования при расчете высотности топливной системы

Технические условия должны предусматривать самые невыгодные из возможных режимов условия эксплуатации самолета:

Принципиальную и монтажную схемы топливной системы с их геометрическими и гидравлическими характеристиками;

Максимальные расходы топлива Q ;

Наиболее высокие (а иногда самые низкие) расчетные температурные условия топлива t (РаТУ);

Максимальные высоты полета H рас;

Наибольшую скороподъемность;

Максимальные перегрузки n x , n y и n z .

Напорные и кавитационные характеристики насосов ТС самолета.

Дополнительно должны быть известны:

физические характеристики топлива – плотность r , коэфф. кинематической вязкости n , давление насыщенных паров топлива при эксплуатационной температуре Р t .

Рассчитываются участки магистрали, находящиеся в наименее благоприятных условиях подачи топлива (по длине трубопроводов и относительной высоте одного объекта над другим). Поэтому расчетная схема топливной системы должна давать представление о протяженности магистралей и взаимном расположении агрегатов. Исходя из наименее благоприятных условий, берется случай, когда топливо в баке на исходе (т. е. уровнем топлива в баке следует пренебречь).

В общем случае расчеты выполняются для ряда режимов. Необходимо проверить работу магистралей подачи топлива в наиболее тяжелых условиях работы. Таковыми являются разбег и разгон самолета до скорости отрыва, взлет и набор высоты на максимальном режиме, горизонтальный полет на высоте заданного эшелона. Перегрузки п определяются из аэродинамических расчетов. Если этих данных нет, то для самолетов гражданской авиации можно принять:

п у =(+4…-0,5); п х =±0,3; п z =0.

Зависимость объемного расхода топлива двигателем от высоты полета (рис. 5.15) указана в его характеристиках.

Необходимые режимы работы двигателей определяются аэродинамическими расчетами. Для расчета высотности ВС гражданской авиации с работающими НП1 рекомендуется принять характер изменения объемного расхода топлива по линии абв, соответствующей максимальному режиму, а для расчета высотности с неработающими НП1 - по линии абгд, где участок гд - крейсерский режим.

Расчет ТС можно подразделить на два варианта: проектировочный и проверочный.

5.10.1. Проектировочный расчет высотности ТС.

Он сводится к оценке источников давления (величины наддува в топливном баке Δр б . и давления за подкачивающим насосом р нас .), которые, преодолев все гидравлические потери по тракту топливной магистрали, обеспечивали бы потребное давление на входе в основной топливный насос двигателя.

Расчет ТС базируется на уравнении Бернулли, записанного для двух сечений 1-1 и 11-11, высота уровней соответствующих сечений y 1-1 и y 11-11 оценивается относительно произвольно взятой базовой плоскости 0-0. Все обозначения даны на расчетной схеме рис.5.16.

р 1 +y 1 ρg+ =p 11 +y 11 ρg+ +Δp, (5.6)

где p 1 - давление в надтопливном пространстве;

V 1 - вертикальная скорость перемещения жидкости в баке;

V 11 - скорость движения топлива на выходе из топливной системы;

Δp - потери давления по тракту подкачивающей магистрали.

Здесь можно принять V 1 , исходя из FVρ= сonst , то ,а F 1 >>F 11 и V 1 <.

Тогда (5.6) можно записать:

p 1 =p 11 +(y 11 - y 1) ρg + +p трен. +p местн. +p ин. , (5.7)

где p трен. , p местн. , p ин. соответственно потери давления от трения, от преодоления местных сопротивлений и инерционные давления.

Статическое давление в сечении 1-1определяется давлением атмосферы p H , соответствующей заданной высоте полета H, и величиной наддува топливного бака Dp б . : p 1 =p H +Dp б. .

Наддув баков (Dp б.) не следует делать больше минимально необходимого, так как это вызывает неоправданное увеличение массы баков (или контейнеров - в случае мягких баков) особенно, если в конструкции присутствуют баки с более или менее плоскими стенками.

Для несущих баков наддув можно принять несколько увеличенным, так как влияние внутреннего давления на вес баков в этом случае существенно снижается. Встречаются даже случаи при очень тонкостенных баках или при передаче стенкой бака тяги двигателя, когда повышение внутреннего давления улучшает условия работы конструкции несущего бака и даже приводит к снижению его веса.

Обычно для самолетов с насосной подачей принимается Dp б max 30 кПа . В случае вытеснительной подачи - Dp б. = 80 кПа.

Давление p 11 есть ничто иное, как потребное давление на входе в насос (ДЦН или основной насос двигателя) p вх потр. и может быть определено по выражению (5.4) или по имеющимся кавитационным характеристикам.

Выражение (5.7) запишется в следующем виде, если считать левую часть уравнения источниками давления, а правую - потерями:

p H +Dp б. = p вх потр. ± yrg + p трен. + p мест. +р ин. + , (5.8).

Гидростатическое давление . В случае горизонтального полета гидростатическое давление yrg определяется высотой y (см. рис. 5.16). Знак «+» берется в случае принижения уровня топлива в баке относительно выходного трубопровода ТС и в противном случае – знак «-»

В полете с некоторым углом j к горизонту y находится как превышение зеркала топлива в расходном баке над окончанием топливной системы самолета и запишется в следующем виде:

y = -h топл ± , (5.9).

где h топл -превышение высоты топлива над заборным патрубком бака;

l x и l y –проекции длин трубопроводов (при сложной пространственной схеме) на соответствующие координатные оси самолета.

Знаки перед суммой определяются по следующему правилу: если топливо в трубопроводах течет по направлению земного тяготения, то берется знак «-» и в противном случае – знак «+»

Гидравлические потери. Путевые потери давления p трен. вызываются трением жидкости о стенки трубопровода и выражается:

p трен. = , (5.10)

где l – длина трубопровода,

d - гидравлический диаметр диаметр трубопровода.

Здесь же для турбулентного течения коэфф. трения , число Рейнольдса Re=Vd/ν , где ν – коэфф. кинематической вязкости топлива при эксплуатационной температуре топлива.

В проектировочных расчетах V принимается равной (1…2) м/с при движении топлива самотеком и (4…7) м/с при насосной подаче. Потребный диаметр d при заданной прокачке топлива Q определится:

d= , (5.11)

Полученное значение d округляется до стандартного значения, далее оценивается p трен (формула 5.10) по истинным величинам V n

В направлении осей х и z перегрузки обычно невелики, но зато длины трубопроводов могут быть большими. Как правило, все же наиболее существенной оказывается перегрузка в направлении оси у, доходящая в отдельных случаях до расчетных значений п у = (10… 12)

Для расчета необходимо брать предельно неблагоприятный случай, когда все давления относятся к категории потерь.

Теперь, когда определены все составляющие потерь, из (5.8) можно найти величину источника давления:

Dp б. = p вх. потр. ± yrg + p трен. + p мест. +р ин. + - p H . (5.14)

Если полученное значение Dp б > 30 кПа, то в систему необходимо включить подкачивающий насос с давлением на выходе р нас.

В этом случае выражение (5.14) примет вид:

р нас. = p вх. потр. ± yrg +(p трен.) 1 +(p мест.) 1 + +() 1 -(p H +Dp б) . (5/15)

В (5.15) значения (p трен.) 1, (p мест.) 1 и () 1 определить при новых значениях скоростей, соответствующих насосной подаче топлива [принимается V= (4…7) м/с]. Полученное значение р нас. соответствует одному расчетному режиму Работы силовой установки.

5.10.2.Проверочный расчет высотности ТС (полет на потолке) .

Полет на потолке предполагает равномерный и горизонтальный полет. В этом случае инерционные потери давления р ин. равны нулю.

Особым случаем расчета топливной системы является проверочный расчет ее высотности на высотах существенно выше статического потолка самолета в связи с тем, что для скоростных самолетов с высокой энерговооруженностью динамический потолок может значительно отличаться от статического.

Для некоторых (например, опытных) самолетов остановка двигателей на предельных высотах в ряде случаев допустима, поскольку после выполнения задания самолет может снизиться до умеренных высот, на которых система запуска позволяет произвести надежный запуск двигателей и продолжать полет. Для боевых самолетов необходимость существенного снижения высоты полета для запуска двигателей может полностью уничтожить все преимущества, получаемые за счет превышения статического потолка путем использования накопленной кинетиче