ГРУППОВОЙ ЗАПРАВЩИК ТОПЛИВОМ САМОЛЕТОВ Российский патент 1998 года по МПК B64F1/28 B64D39/00 

Изобретение относится к устройствам для транспортирования жидкого топлива для заправки летательных аппаратов на стоянке, в частности к групповым заправщикам топливом, и может быть использовано во всех областях народного хозяйства, где необходима заправка техники с производительностью не менее 500 л/мин.

Как показала практика, при окончании заправки летательных аппаратов (ЛА) и срабатывании перекрывных устройств возникает волна повышенного давления (гидроудар), продвигающаяся по трубопроводам в направлении от заправочных агрегатов к емкостям с топливом. Максимальное давление при гидроударе может достигать значений недопустимых для некоторых элементов технологического оборудования группового заправщика [1 - Акт N 9/873107 по результатам государственных испытаний модернизированного централизованного заправщика Ц3-1М, производства 63 КСЗ МО, с. 71 Утвержденный в/ч 25968 от 8.6.1973] и может привести к потере их работоспособности, нарушению герметичности трубопроводов и, как следствие, к экологическим авариям.

В общем случае максимальное давление (P_max) топлива в трубопроводе и элементах технологического оборудования (фильтрах, фильтрах-сепараторах и т. д.) при прохождении гидроударной волны можно представить в виде суммы
P_max=P_раб+ΔP , (1)
где
P_раб - фактическое рабочее давление, Па,
ΔP - - давление гидроудара, Па.

При этом, как известно, давление гидроудара пропорционально скорости заправки и расстоянию от насосной установки до заправляемого ЛА.

Перед разработчиками стояла задача создать групповой заправщик топливом, отвечающий требованиям безопасности эксплуатации технологического оборудования, т. е. должно обеспечиваться условие:
P_max≤P_доп, (2)
где
P_max - максимальное давление топлива в трубопроводе и элементах технологического оборудования, Па;
P_доп - допустимое давление топлива в трубопроводе и элементах технологического оборудования, Па.

Известен групповой заправщик топливом самолетов ("Централизованный заправщик ЦЗ-1М"), содержащий резервуары с трубопроводной обвязкой, насос с электроприводом, фильтры, фильтры-сепараторы, перепускной клапан, установленный на обводном трубопроводе и запорно-регулирующую арматуру [2 - К.В.Рыбаков и др. Системы централизованной заправки самолетов топливом. - М.: Транспорт, 1978, с. 44].

К недостаткам такого устройства можно отнести:
высокое (13 кгс/см²) давление гидроудара для элементов (фильтров и фильтров-сепараторов) технологического оборудования при заправке самолетов, обусловленное низкой пропускной способностью перепускного клапана, предназначенного для снижения давления гидроудара;
расстояния от насоса до фильтров-сепараторов, как показала практика эксплуатации, могут достигать 500 м, что приводит к увеличению длины обводного трубопровода с перепускным клапаном.

Известен также групповой заправщик топливом ("Упрощенная система централизованной заправки самолетов ЦЗС"), содержащий расходный склад, насосно-фильтрационную станцию, блок гидроамортизаторов, заправочный агрегат и присоединительную колонку [2, с. 42].

К недостаткам этого устройства можно отнести:
большое количество гидроамортизаторов (от 10 до 30), необходимых для уменьшения максимального давления при гидроударе;
необходимость зарядки гидроамортизаторов сжатым газом и, как следствие, возможность утечки газов и необходимость периодической подзарядки;
разрушение разделительной диафрагмы гидроамортизаторов при длительной эксплуатации из-за колебаний давления [3 - Л.И.Махарадзе. Устройство для гашения резких повышений давления в напорных трубопроводах. - М.: ЦНИИПИ, 1977, с. 20].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является групповой заправщик топливом самолетов ("Централизованный заправщик топливом ЦЭТ-4"), содержащий последовательно установленные емкости с топливом, насосные установки, фильтры-сепараторы, распределительные гребенки, регуляторы давления, гасители гидроударов и заправочные агрегаты [2 - с. 45 - прототип].

Недостатком известной конструкции является высокое значение давления гидроудара (18,5 кгс/см²) при прекращении заправки ЛА. Применение гасителей гидроударов, установленных в каждой линии распределительной гребенки не обеспечивает снижение давления гидроудара до допустимого давления фильтров-сепараторов (18 кгс/см²).

Технический результат изобретения заключается в обеспечении безотказной заправки ЛА без снижения производительности.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном групповом заправщике топливом, содержащем последовательно связанные между собой участками магистрального трубопровода емкости с топливом, насосные установки, фильтры-сепараторы, распределительные гребенки, регуляторы давления, заправочные агрегаты и гасители гидроударов, согласно предлагаемому изобретению гасители гидроударов выполнены в виде вертикальных отводов, размещенных на участках трубопроводов между насосными установками и фильтрами-сепараторами, между фильтрами-сепараторами и распределительной гребенкой, каждый гаситель гидроудара снабжен поворотной перегородкой с центральным отверстием, установленной на входе в соответствующий отвод и воздушным клапаном, установленным в верхней части отвода, при этом суммарный объем отводов рассчитывают по следующей зависимости

где
V - суммарный объем отводов, м³;
W - линейная скорость топлива в трубопроводе при заправке самолета, м/с, рассчитывается из соотношения:

где
Q - пропускная способность заправочного агрегата (берется из паспортных данных заправочного агрегата), м³/с,;
D - внутренний диаметр магистрального трубопровода, м;
P_р - рабочее давление, развиваемое насосной установкой на закрытую задвижку (берется из характеристики насосной установки), Па;
P_доп - допустимое давление топлива в трубопроводе и элементах технологического оборудования (берется из паспортных данных наименьшее значение), Па;
P_о - атмосферное давление воздуха, принимаемое для практических расчетов 0,1 МПа;
L - расстояние от насосной установки до агрегатов заправки, м;
С - скорость распространения возмущения в трубопроводе, м/с, определяемая из соотношения

где
ρ - плотность топлива, кг/м³;
K - модуль всесторонней объемной упругости топлива, Па;
E - модуль всесторонней объемной упругости материала магистрального трубопровода, Па;
δ - толщина стенки магистрального трубопровода, м;
а диаметр (d) отводов составляет:
d = (0,7 - 1,0)D.

На фиг. 1 представлена блок-схема группового заправщика топливом самолетов; на фиг. 2 - гаситель гидроударов.

Групповой заправщик топливом самолетов состоит из емкостей с топливом 1, насосных установок 2, гасителей гидроударов 3 и 5, фильтров-сепараторов 4, распределительной гребенки 6, регуляторов давления 7 и заправочных агрегатов 8, связанных между собой участками магистрального трубопровода 9.

Гасители гидроударов 3 и 5, размещенные на участках трубопроводов между насосными установками 2 и фильтрами-сепараторами 4 и распределительной гребенкой 6, выполнены в виде вертикальных отводов цилиндрической формы. В верхней части отвода на крышке 10 установлен воздушный клапан 11 пружинного типа, а на входе в отвод установлена поворотная перегородка 12 с центральным проходным отверстием диаметром (d_o) 0,024 м (диаметр отверстия выбран исходя из эффективности сглаживания колебаний давления при гидроударе для выбранной конструкции поворотной перегородки), закрепленная одним концом на неподвижной оси 13 и имеющая возможность вращаться относительно оси в плоскости симметрии магистрального трубопровода. Другим концом поворотная перегородка опирается на кольцевой выступ 14, выполненный на корпусе отвода 15.

Для проведения эксперимента на групповой заправщик были установлены образцовые манометры 16 и заслонка 17.

В качестве воздушного клапана 11 может быть использован любой клапан пружинного типа, открывающий проходное сечение при давлении воздуха внутри вертикального отвода меньше, чем атмосферное давление.

Корпус 14, крышка 9 и поворотная перегородка 11 изготовлены из стали Ст. 10, т. е. из того же материала, что и участки магистрального трубопровода.

Объем воздуха в вертикальном отводе, необходимый для компенсации гидроудара, может быть рассчитан по формуле [4 - М.А.Мостков, Прикладная гидромеханика. - М.: ГЭИ, 1963, с. 323 - 351]:

где
V_в - объем воздуха в вертикальном отводе, м³;
K - безразмерный коэффициент, зависящий от конструкции особенностей отвода.

Воздух в вертикальном отводе при установившемся рабочем давлении P_p занимает верхнюю часть объема, нижняя часть заполнена топливом. В начальный момент времени воздух занимает весь объем отвода. Считывая процесс сжатия воздуха в отводе изотермическим, требуемый объем вертикального отвода можно определить по формуле:

где
V - объем вертикального отвода, м³.

P_p - давление воздуха в вертикальном отводе при заправке ЛА, Па;
P_o - давление воздуха в начальный момент времени, равное атмосферному давлению (0,1 МПа).

После подстановки уравнения (3) и (4) получим:

В реальных условиях в групповых заправщиках топливом самолетов достичь полной компенсации гидроудара не представляется возможным. Обычно существует достаточно большое различие между допустимым давлением P_доп, которое обеспечивает сохранение прочностных характеристик трубопровода и технологического оборудования, и рабочим давлением P_p, создаваемым насосной установкой при полном перекрытии магистрального трубопровода, т. е. должно выполнятся условие (2).

Чем больше допустимое давление P_доп превышает рабочее давление P_р, тем меньший объем вертикальных отводов необходим для компенсации гидроудара Δρ. По аналогии с уравнением (4) можно записать:

где
V^min - минимальный объем вертикального отвода, необходимый для компенсации гидроудара, м³.

С учетом условия (6), используя (5) минимальный объем вертикального отвода можно определить по формуле:

В ходе проведения работ были изготовлены образцы вертикальных отводов с различными геометрическими размерами (табл. 1).

Исследования проводились при следующих эксплуатационных параметрах:
длина трубопровода L = 600 м;
внутренний диаметр магистрального трубопровода D = 0,147 м;
рабочее давление P_р = 1,6 МПа;
допустимое давление P_доп = 1,8 МПа;
давление воздуха в вертикальном отводе P_о = 0,1 МПа;
диаметр отверстия в поворотной перегородке d_о = 0,24 м;
высота вертикального отвода h = 1,5 м;
количество вертикальных отводов n = 2.

Значение скорости потока в процессе экспериментов, имитирующих заправку, изменялось от 1 до 1,8 м/с [5 - Материалы экспериментальных исследований гидроударных режимов в системе ЦЗТ. Ульяновск. 1986]. При этом время перекрытия сечения трубопровода соответствовало времени срабатывания перекрывных клапанов топливных систем ЛА и осуществлялось заслонкой 16 за время 1 с. Давление гидроудара фиксировалось визуально по показаниям образцовых манометров 17.

Определение коэффициента k осуществлялось в следующей последовательности. После установки и фиксации вертикальных отводов запускалась насосная установка и при этом фиксировалось повышение давления P_max, вызванное пуском установки. При минимальном расходе топлива 1000 л/мин линейная скорость в трубопроводе составляла 1 м/с. При этой скорости с помощью перекрывного топливного клапана создавался гидроудар, соответствующий окончанию заправки, и фиксировались показания измерительных приборов (P_max). После отработки серии экспериментов при различных отношениях диаметра отвода к диаметру трубопровода (d/D) при одинаковой скорости заправки (W) определялся коэффициент запаса прочности оборудования по давлению от гидроудара

При значениях m≥ 5% подачу топлива увеличивали, что приводило к повышению гидроударного давления ΔP и соответственно P_max. Повышение линейной скорости заправки (W) производилось до тех пор, пока коэффициент запаса прочности (m) не снижался до 5% (табл. 2). Значение скорости (W_max), обеспечивающее этот запас прочности по давлению от гидроудара в момент окончания заправки являлось расчетным для определения величины коэффициента k формулы (7), т. е.

где

В табл. 3 показаны значения коэффициента k, полученные из формулы (9) при максимальной линейной скорости топлива для установленных отводов.

Исходя из полученных результатов принимаем коэффициент k в формуле (7) по максимальному значению, обеспечивающему 5% запас прочности во всем диапазоне скоростей заправки, равным:
k = 0,22.

Групповой заправщик топливом самолетов работает следующим образом: при включении насосной установки 2 (начало заправки ЛА) возникает волна повышенного давления (гидроудар), распространяющаяся от насосной установки 2 к заправочным агрегатам 8. При последовательном повышении давления в точках установки гасителей 3 и 5 открывается поворотная перегородка 12, давая доступ топлива в отвод. Воздушный клапан 11 находится в закрытом положении. Уровень топлива в отводе поднимается. При этом происходит сжатие воздуха, находящегося в отводе. За волной повышенного давления следует волна пониженного давления. Давление топлива в трубопроводе и точках установки гасителей становится меньше давления топлива в отводах, поворотная перегородка 11 закрывается и истечение топлива из отвода в трубопровод происходит через центральное отверстие в поворотной перегородке 11, тем самым уменьшая колебания давления в магистральном трубопроводе 9. Затем вновь следует волна повышенного давления и процесс повторяется до полного затухания колебаний давления.

При установившемся процессе заправки (без колебаний давления) топливо из емкостей 1 по трубопроводу 9 последовательно проходит насосную установку 2, фильтры-операторы 4 и поступает в распределительные гребенки 6. Далее по каждой линии распределительной гребенки 6 топливо проходит через регулятор давления 7 в заправочные агрегаты 8. Из заправочного агрегата 8 топливо поступает на борт ЛА. При этом в гасителях гидроударов 3 и 5 топливо находится на некотором установившемся уровне, зависящем от давления топлива в точке установки вертикального отвода.

При окончании заправки ЛА возникает волна повышенного давления, распространяющаяся в направлении от заправочных агрегатов 8 к емкостям с топливом 1. При последовательном повышении давления в точках установки гасителей 5 и 3 открывается поворотная перегородка 12, давая доступ топлива в отвод. Воздушный клапан 11 находится в закрытом положении. Уровень топлива в отводе поднимается. При этом происходит сжатие воздуха, находящегося в отводе. Уменьшение давления гидроудара происходит за счет перехода кинетической энергии движущегося топлива в работу сжатия воздуха в отводе. За волной повышенного давления следует волна пониженного давления. Давление топлива в трубопроводе становится меньше давления топлива в отводе, поворотная перегородка 12 закрывается и истечение топлива из отвода в трубопровод происходит через отверстие в поворотной перегородке 12, тем самым уменьшая колебания давления в магистральном трубопроводе. Затем следует волна повышенного давления и процесс повторяется до полного затухания колебаний давления.

При давлении воздуха в отводе меньше атмосферного давления (после отключения насосной станции), воздушный клапан 11 соединяет внутреннюю полость отвода с атмосферой, тем самым поддерживая количество воздуха, находящегося в отводе постоянным.

Применение изобретения обеспечивает защиту от гидроударов и безотказную работу технологического оборудования при увеличении скорости потока до 1,8 м/с (табл. 4).

Источники информации, принятые во внимание.

1. Акт N 9/873107 - 007 по результатам государственных испытаний модернизированного централизованного заправщика ЦЗ-1М, производства 63 КЗС МО. М. , 1973. 96 с.

2. Рыбаков К. В. , Кухтерин Е.И., Алпатов А.С., Рожков А.Ф., Системы централизованной заправки самолетов топливом. - М.: Транспорт, 1978, 208 с. (прототип).

3. Махарадзе Л. И. Устройства для гашения резких повышений давления в напорных трубопроводах. - М.: ЦНИИПИ, 1977, 54 с.

4. Мостков М.А. Прикладная гидромеханика. - М.: ГЭИ, 1963, - 463 с.

5. Материалы экспериментальных исследований гидроударных режимов в системе ЦЗТ. - Ульяновск, 1996.

Изобретение относится к устройствам для транспортирования жидкого топлива для заправки летательных аппаратов на стоянке и направлено на обеспечение безаварийной заправки летательных аппаратов без снижения производительности. Групповой заправщик топливом содержит емкости с топливом, насосные установки, фильтры-сепараторы, распределительные гребенки, регуляторы давления, гасители гидроударов и заправочные агрегаты. Гасители гидроударов выполнены в виде вертикальных отводов, размещенных на участках трубопроводов между насосными установками и фильтрами-сепараторами и между фильтрами-сепараторами и распределительной гребенкой. Каждый гаситель гидроудара снабжен поворотной перегородкой с центральным отверстием, установленной на входе в отвод, и воздушным клапаном, установленным в верхней части отвода. Суммарный объем отводов определяют по математической зависимости. 2 ил., 4 табл.

Групповой заправщик самолетов топливом, содержащий последовательно связанные между собой участками магистрального трубопровода емкости с топливом, насосные установки, фильтры-сепараторы, распределительные гребенки, регуляторы давления, заправочные агрегаты и гасители гидроударов, отличающийся тем, что гасители гидроударов выполнены в виде вертикальных отводов, размещенных на участках трубопроводов между насосными установками и фильтрами-сепараторами, между фильтрами-сепараторами и распределительной гребенкой, каждый гаситель гидроударов снабжен поворотной перегородкой с центральным отверстием, установленной на входе в соответствующий отвод, и воздушным клапаном, установленным в верхней части отвода, при этом суммарный объем отводов рассчитывают по следующей зависимости:

где V - суммарный объем отводов, м³;
W - линейная скорость топлива в трубопроводе при заправке самолета, м/с, рассчитываемая из соотношения

где Q - пропускная способность заправочного агрегата (берется из паспортных данных заправочного агрегата), м³/с;
D - внутренний диаметр магистрального трубопровода, м;
Р_р - рабочее давление, развиваемое насосной установкой на закрытую задвижку (берется из характеристики насосной установки), Па;
Р_доп - допустимое давление топлива в трубопроводе и элементах технологического оборудования (берется из паспортных данных наименьшее значение), Па;
Р₀ - атмосферное давление воздуха, принимаемое для практических расчетов 0,1 МПа;
L - расстояние от насосной установки до агрегатов заправки, мм;
С - скорость распространения возмущения в трубопроводе, м/с, определяемая из соотношения

где ρ - плотность топлива, кг/м³;
К - модуль всесторонней объемной упругости топлива, Па;
Е - модуль всесторонней объемной упругости материала магистрального трубопровода, Па;
δ - толщина стенки магистрального трубопровода, м,
а диаметр d отводов составляет
d = (0,7 - 1,0)D.