Система дренажа должна соединять надтопливное пространство баков с внешней атмосферой. Для обеспечения работы насосов без кавитации (см. гл. 4) и сохранения формы и прочности баков как конструкции из тонкостенных оболочек в них поддерживают определенное избыточное давление. Таким образом, функции систем дренажа и наддува тесно переплетаются и их можно рассматривать как единую систему, но работающую на разных режимах.
Сжатый газ подается в баки от компрессора двигателя, из баллонов, газогенератора или воздухозаборника, выдвинутого навстречу набегающему воздушному потоку.
В зависимости от типа и назначения самолета системы выполняются по различным принципиальным схемам. Простейшая схема раздельного дренирования баков (рис. 6.1) применялась на самолетах, имевших малую скорость, маневренность и высотность. Существенным недостатком системы является то, что из-за неодинаковых условий обтекания в воздухоприемных патрубках 7, расположенных в различных местах самолета, создаются различные давления. Разность давления может вызвать неуправляемое перетекание топлива между баками и нарушить предусмотренную последовательность их выработки, а также привести к вытеканию топлива из бака 2 через его воздухоприемный патрубок 1 если он окажется в зоне относительно более низкого давления. Обратный клапан 3 пропускает топливо только из бака 4 в бак 2.
Рис. 6.1. Раздельное дренирование баков;
1—приемники воздуха из атмосферы; 2, 4—топливные баки; 3—обратный клапан.
Соединение нескольких баков, расположенных в различных частях самолета, дренажными трубками (рис. 6.2) усложняет и утяжеляет систему, но обеспечивает поддержание в них одинакового давления и позволяет предотвращать выливание топлива через воздухоприемные патрубки при эволюциях самолета.
Рис. 6.2. Схемы дренирования нескольких баков:
а—с приемом воздуха из атмосферы; б—с приемом воздуха из атмосферы или из баллонов; 1—приемник воздуха из атмосферы; 2—петля воздуховода с дренажным жиклером; 3, 5—топливные баки; 6—трубопровод подачи топлива в двигатель; 7—баллон с нейтральным газом; 8—редукционный клапан: 4, 9, 11—обратные клапаны; 10—предохранительный клапан.
Пространственная петля 2, играющая на эволюциях роль гидравлического затвора, в нижней части снабжается калиброванным дренажным каналом для отвода перелитого топлива и случайно попавшей воды.
В остальных случаях дренажный трубопровод должен быть свободен для прохода воздуха, поэтому его прокладка производится без каких-либо перегибов и петель, в которых возможно скопление воды и других посторонних включений.
Целесообразность применения в системе дренажа наддува редукторов, жиклеров, предохранительных, обратных клапанов и других элементов автоматики определяется требованиями надежности, заданным ресурсом, допустимыми величинами расхода воздуха или нейтрального газа, массой, стоимостью изготовления и эксплуатации. Во всех случаях необходимо учитывать опасные последствия выпадения влаги и образования льда на регулирующих и дозирующих элементах автоматики дренажа и наддува.
Не останавливаясь на системах с одинаковым давлением во всех баках, рассмотрим комбинированную систему наддува со строго регламентированной разностью давлений в баках, отражающую общие закономерности проектирования и работы элементов. Она используется на самолетах с большим расходом топлива из очередных или подвесных баков, когда на них нецелесообразно устанавливать мощные насосы, а лучше вытеснять топливо газом повышенного давления.
Комбинированные системы наддува выполняются с использованием различных средств автоматизации.
Система с предохранительными клапанами и жиклерами, ограничивающими расход газа (рис. 6.3), достаточно проста и надежна в эксплуатации. Если, например, с помощью сжатого газа необходимо перекачать топливо из бака 10 в бак 3, то пpи одинаковом исходном давлении перед жиклерами 6 и 7 за ними должно поддерживаться различное давление. Поскольку топливо из бака 10 расходуется в большом количестве на режиме набора высоты, то жиклер 6 при большом расходе газа должен
иметь меньшее гидравлическое сопротивление, чем жиклер 7.
После заполнения бака 3 ограничитель расхода 4 (поплавковый клапан или другой регулятор уровня) перекрывает подачу топлива. В баке 10 давление возрастет выше допустимой нормы, предохранительный клапан 5 откроется, поддерживая расчетный перепад давлений наддува между баками. По окончании выработки топлива из бака 10 уровень топлива в баке 3 понизится. В определенный момент откроется клапан 4 и воздух повышенного давления начнет продувать всю систему. В атмосферу он выходит через клапан 8, унося с собой пары топлива и воды. Конструктивная схема этой системы описана ниже.
Существенное сокращение затрат воздуха и потерь топлива достигают применением систем с редукционными клапанами (рис. 6.4), каждый из которых отрегулирован на определенное давление. За редукционным клапаном 4 давление должно быть достаточным для обеспечения работы насоса 10 без кавитации (расчет см. выше). После редуктора 6 давление существенно выше, оно используется для восполнения гидравлических потерь в топливном трубопроводе, соединяющем баки, и преодоления противодавления в баке 11. Как и в предыдущем случае, наиболее сложным и ответственным является момент окончания выработки топлива из бака 7, когда воздух повышенного давления вслед за последними порциями топлива устремляется в бак II, рассчитанный на меньшее давление. Это происходит потому, что потери напора в соединительном трубопроводе при прохождении воздуха меньше, чем при прохождении топлива. Установка клапана 8, перекрывающего подачу воздуха после израсходования топлива из бака 7, устраняет это явление.
Рис. 6.4. Схема системы с различным давлением наддува баков, поддерживаемым воздушными редукторами:
а—с клапаном предельного давления; б—с соплом-ограничителем расхода воздуха; 1—приемник воздуха из атмосферы; 2—обратный клапан; 3—предохранительный клапан; 4—редукционный клапан низкого давления; 5—источник сжатого воздуха; 6—редукционный клапан повышенного давления; 7—бак с топливом, расходуемым в первую очередь; 8—клапан перекрытия подачи воздуха; 9—клапан предельного перепада давлений; 10—насос подкачки; 11—бак подачи топлива в двигатель; 12—клапан предельного уровня; 13—сопло-ограничитель расхода воздуха.
Оценка возможного повышения давления в последовательно вырабатываемых баках может быть произведена следующим образом. В расчете принимается, что бак 7 — баллон емкостью W7 наполненный воздухом с абсолютным давлением Р7. В первый момент дополнительная подача воздуха из двигателя не учитывается. Свободный от топлива и заполненный газом объем трубопровода и бака 11 обозначим W11, а рабочее давление в нем P11. После прохода газов из бака 7 в бак 11 в системе установится общее давление P′11. Считая процесс перетекания и расширения воздуха изотермическим, можно написать равенство
Преобразуя его, находим относительное повышение давления в системе после выравнивания давления в баках
Из уравнения следует, что давление P′11 тем выше, чем больше отношение свободных объемов W7/W11 и абсолютных давлений в подвесном и расходном баках P7/P11.
Требования, предъявляемые к прочности баков, определяются величиной избыточного давления в них. Известно, что избыточное давление ΔP7 в баке 7 определяется гидравлическими потерями ΔPг магистрали перекачки, избыточным давлением ΔР11 в баке 11 и разностью уровней топлива h в баках 11 и 7.
В качестве примера можно подсчитать величину избыточного давления в системе
после прохождения воздуха из бака 7 в бак 11 при трех значениях относительного объема:
Примем постоянными первоначальные перепады давлений ΔР11= 0,3 кгс/см² и ΔР7=1,5 кгс/см². Подставив названные величины в уравнение (6.2), построим график зависимости давлений от величины относительных свободных объемов баков (рис. 6.5).
Из графиков следует, что на высоте, соответствующей внешнему давлению Рн = 0,2 кгс/см², первоначальное давление в системе составляло
После прохода воздуха из бака 7_(см. рис. 6.4) в бак 11 при отношении их свободных объемов 
= 2,0 оно составит P11 = 1,3 кгс/см2, перепад давлений достигнет величины ΔP11= 1,1 кгс/см2 вместо расчетного ΔP11= 0,3 кгс/см2. Отношение свободных объемов может принимать большое значение в конце выработки топлива из подвесного бака 7 значительных
размеров при почти полном расходном баке 11.
В системах с постоянным по высоте полета абсолютным давлением ΔP7 избыточное давление ΔP11 в присоединенных баках будет еще выше.
Действительное увеличение давления может оказаться меньшим, поскольку в рассмотренном примере не учитывались гидравлические потери и параметры реальных газов, способствующие смягчению пневматического удара.
Pис. 6.5. К расчету пневматического удара в вытеснительной системе подачи топлива
Защиту системы от разрушения осуществляют установкой клапанов предельного давления, перепуском излишнего воздуха в атмосферу, установкой устройств с малым гидравлическим сопротивлением для топлива и большим для воздуха, их комбинацией и другими средствами. Такой комбинацией может явиться система с воздушным предохранительным клапаном и соплом 13 в топливопроводе (см. рис. 6.4, б). Несколькими расчетами отыскиваются оптимальные размеры и масса предохранительного клапана, а также величина критического сечения сопла 13 на случай прохода через него расчетного количества воздуха.
Площадь критического сечения
где М — массовый расход воздуха;
Т* и р* — соответственно температура торможения и полное давление воздуха перед соплом.
При прохождении топлива в критическом сечении сопла может возникнуть кавитация, поэтому в нем подсчитывается статическое давление при максимальном расходе топлива. Давление должно быть выше упругости паров при наибольшей расчетной температуре топлива:
где р — давление в критическом сечении сопла;
р₇ — давление в подвесном баке (см. рис. 6.4, б);
рт — давление гидравлических потерь в системе на участке от бака до сопла;
ρ — плотность топлива при наибольшей расчетной температуре;
р8 — упругость паров топлива при этой же температуре;
Ʋ — скорость топлива в критическом сечении сопла.
При расчете воздуховода дренажа и наддува следует учитывать сжимаемость газов.
Для предварительных расчетов трубопроводов без разветвлений может быть использована номограмма (рис. 6.6).
В зависимости от расчетного случая определяется один из параметров — коэффициент давления σ, расход газа М, давление p1*, температура Т1* или суммарный коэффициент потерь.
Разветвленные системы воздуховодов рассчитывают графоаналитическим методом или с помощью ЭЦВМ.
При проектировании систем наддува и дренажа расчетными случаями могут явиться:
— определение потребного давления в баках для бескавитационной работы насосов;
— проверка системы при пикировании или аварийном снижении самолета, когда быстро возрастающее внешнее давление может смять баки;
— проверка работоспособности системы при аварийном сливе топлива;
— проверка пропускной способности системы при заправке топливом;
— проверка системы при крутом наборе высоты.
Рассмотрим основной случай расчета системы наддува — определение потребного давления в топливном баке для обеспечения бескавитационной работы установленного на нем насоса.
Давление в баке должно быть больше потребного давления перед насосом:
где ркав — запас давления, определяющийся конструктивными особенностями насоса;
ps — давление насыщения паров топлива;
Рр.г — запас давления, учитывающий влияние растворенных газов.
Зная потребное давление в баке, производят проверку работоспособности клапанов системы наддува с учетом допусков на действительное срабатывание редукционного 4 и предохранительного 3 (см. рис. 6.4) клапанов. Если, например, из условий бескавитационной работы насосов в баке необходимо обеспечить давление Pб = 0,2 кгс/см² (рис. 6.7), то редукционный клапан при допуске регулировки δРр.к = ±0,05 кгс/см2 может поддерживать давление в пределах
Рис. 6.7. Зависимость максимально возможного давления в баке от допусков на регулировку клапанов.
Предохранительный клапан, работающий совместно с редукционным, обычно не рассчитан на постоянный перепуск газа в атмосферу. Поэтому, защищая систему от избыточного давления, он должен открываться только при давлениях более высоких, чем максимально возможные за редукционным клапаном.
В рассматриваемом примере оно составит: Рп.к±δРп.к = 0,35±0,05 кгс/см².
Конструкция бака должна быть прочной и выдерживать с учетом допусков давление порядка Рб.пр = 0,45±0,05 кгс/см2 при потребном давлении в баке всего лишь 0,2 кгс/см². Следовательно, увеличение допусков на срабатывание элементов автоматики системы наддува вызывает необходимость существенного увеличения прочности топливных баков и их массы.
Использование герметизированных отсеков самолета в качестве емкостей для топлива может изменить требования к величине давления наддува. Конструктивные элементы в этом случае рассчитываются в соответствии с общими требованиями к компоновке самолета.
Работа системы дренажа при наборе высоты происходит в соответствии с принятой схемой поддержания давления в баках. Возможны системы, поддерживающие постоянное избыточное давление ΔРб= const в баке или постоянное минимально потребное абсолютное давление Рб = const (рис. 6.8).
Размещение клапана в начале магистрали наддува, в конце ее или на специальном дренажном бачке влияет на величину фактического давления в разных баках при переменных расходах топлива. Здесь имеет значение гидравлическое сопротивление участков воздушных трубопроводов, расположенных до клапана и после него, а также его размещение по отношению к источнику сжатого газа. Если предположить, что абсолютное
давление в баке Рб = 400 мм рт. ст. достаточно для обеспечения бескавитационной работы насоса на высоте 15 км, то клапан постоянного перепада давлений должен быть отрегулирован на перепад ΔРб = 310 мм рт. ст.
Рис. 6.8. Зависимость давления в баках от способа регулирования наддува:
1—клапаном постоянного перепада давлений; 2—клапаном постоянного минимального абсолютного давления; 3—изменение давления в зависимости от высоты по Международной стандартной атмосфере; бр—допуск давления на срабатывание клапана.
Следует заметить, что на больших высотах избыточное давление практически определяет абсолютное давление в баках. На меньших высотах это заданное избыточное давление перегружает баки, что особенно неблагоприятно в сочетании с гидродинамическими нагрузками, вызванными ударами топлива о стенки баков при эволюциях самолета. Маневрирование самолета на малых высотах обычно сопровождается большими инерционными перегрузками:
где m — масса топлива;
n — коэффициент перегрузки в рассматриваемом направлении;
g — ускорение силы тяжести.
Метод поддержания постоянного перепада давлений при наддуве получил распространение благодаря сравнительной простоте конструкции и надежности применяемых клапанов (рис. 6.9,а).
Лучшие условия для работы баков топливной системы создаются при использовании клапанов, поддерживающих постоянным потребное абсолютное давление на высотах вплоть до расчетной (см. рис. 6.8).
Рис. 6.9. Схемы предохранительных клапанов:
а—постоянного перепада давлений; б—поддерживающего постоянное
минимально потребное абсолютное давление в баке; 1—анероидная ко-
робка; 2— пружина.
Конструкция клапана постоянного давления (см. рис. 6.9, б) сложнее клапана постоянного перепада. Основным отличительным элементом этого клапана является вакуумная анероидная коробка 1 или другое устройство, реагирующее на изменение внешнего атмосферного давления. Под действием этого давления анероид сжимает пружину и держит открытым клапан до
подъема самолета на высоту, где внешнее давление равно потребному абсолютному давлению в баке (см. точку А на рис. 6.8). Только при дальнейшем наборе высоты клапан 10 (см. рис. 6.2, б) закрывается и поддерживает постоянное давление наддува в баке, например, до Pб = 400 мм рт. ст.
Открытие клапана происходит при возникновении на нем разности давлений, превышающей расчетную. Это может быть вызвано уменьшением расхода топлива в баках, присоединенных к магистрали наддува, или увеличением подачи и напора газа от источника питания. Гидравлические потери в трубопроводе, расположенном перед открытым клапаном, возрастают. В трубопроводе за клапаном потери понижаются, так как открытый клапан и этот участок трубопровода оказываются параллельно присоединенными к одному источнику (расчет параллельно включенных трубопроводов см. выше). Соотношение гидравлических сопротивлений и проходных сечений клапана и участков трубопровода определяется расчетом. Расчетная скорость в подводящем трубопроводе при открытом клапане подсчитывается по формуле
где Qmax — максимальный расход газа через предохранительный клапан;
Qmin — минимальный расход газа через трубопроводы, присоединенные к бакам (в данном расчете принимают Qmin = 0).
Расчетный перепад давлений в трубопроводе, перед клапаном
и гидравлические потери в нем при полностью открытом клапане подсчитываются по формуле
(6.11)
где Роmах — максимальное давление перед входом в магистраль;
Ркл — предельное расчетное давление перед клапаном при максимальном расходе Qmax.кл через него.
Для расширения диапазона давлений срабатывания клапана и ограничения бесполезно затрачиваемого расхода воздуха Qmax кл в подводящую магистраль можно включать дополнительные гидравлические сопротивления в виде жиклеров или сопел. Система регулирования давления с предохранительными клапанами требует повышенного внимания в связи с возможностью образования в баках взрывоопасных смесей. Для понижения вероятности возникновения пожара сжатый воздух, подаваемый в систему наддува, целесообразно предварительно охлаждать в радиаторах.
Нельзя допускать, чтобы жиклеры ограничивали количество воздуха, потребное для обеспечения нормальной работы топливной системы.
Постановка жиклеров регламентируется максимально возможным расходом газа для наддува баков при больших расходах топлива на форсированных режимах работы двигателей.
Проверка работоспособности системы наддува и дренажа (рис. 6.10) при заполнении баков топливом производится в следующей последовательности. Известно, что в начальный период заправки происходит некоторое сжатие газов в баках. Затем при постоянной скорости подачи топлива процесс истечения газа через систему дренажа стабилизируется.
Если в первом приближении не учитывать сжимаемость газа, то можно записать, что объем газа, вышедшего в единицу времени, равен объему поданного в бак топлива:
Wт = Wг. (6.12)
Расчетный перепад давлений между внутренней полостью бака и окружающим пространством определяется прочностью бака. Он зависит от противодавления в системе дренажа, ее гидравлического сопротивления:
Максимально допустимый перепад давлений (ΔРб) max должен
быть больше предельного давления (ΔРкл)mах открытия предохранительного клапана 3 (см. рис. 6.10) с учетом величины допуска δPкл на его регулировку:
Рис. 6. 10. Схема дренирования топливной системы при централизованной заправке топливом:
1—штуцер вывода дренажа в атмосферу; 2—дренажный трубопровод:
3—предохранительный клапан; 4—топливный бак; 5—заправочная горловина; 6 — приемник топлива.
В большинстве случаев для защиты системы от разрушения сжатым воздухом устанавливают управляемые предохранительные дренажные клапаны 1, 3, 4, 12 и 17 (см. рис. 4.23) большой пропускной способности.
Открытие клапанов осуществляется давлением топлива, подаваемого от заправщика, или электрическими, пневматическими клапанами с автоматической или полуавтоматической системой управления, расположенной на специальном щитке.
Особенно важна автоматизация управления дренажом баков при дозаправке самолетов в полете.
Важно учитывать варианты программ и последовательность заправки баков и их групп.
В качестве примера, иллюстрирующего методы проектирования систем дренажа и наддува, рассмотрим систему одноместного скоростного самолета (см. рис. 4.23). В обычных условиях полета в систему наддува подается воздух от компрессора газотурбинного двигателя, который используется не только для обеспечения бескавитационной работы насосов, но и для выдавливания топлива при перекачке из бака в бак, а также наддува топливного аккумулятора, питающего двигатель при эволюциях самолета.
Для предотвращения утечек воздуха из системы при работающем двигателе и недопущения вытекания топлива через открытый воздухозаборник при эволюциях самолета устанавливается обратный клапан 96, который уравновешен пружиной, поэтому он четко срабатывает при незначительных изменениях давлений. Обычно обратный клапан закрыт, так как давление, создаваемое компрессором в системе больше, чем скоростной напор набегающего воздуха, поступающего через открытый воздухозаборник 18. В клапане делают отверстие диаметром 2—3 мм для прохода теплого воздуха из системы, предотвращающего обмерзание и обеспечивающего продув конденсата воды и снега, попадающих через открытый воздухозаборник.
Воздух, идущий от компрессора двигателя, имеет высокую температуру, поэтому перед поступлением в систему его охлаждают в воздухо-воздушном радиаторе 20 или турбохолодильнике (см. рис. 4.23).
На выходе из радиатора устанавливается обратный клапан, препятствующий попаданию топлива и его паров в компрессор двигателя при пикировании с выключенным двигателем, когда напор со стороны компрессора ниже скоростного напора воздуха, поступающего через воздухозаборник 18.
Регулирование наддува в системе осуществляется предохранительными клапанами, открывающимися при определенном избытке давления. Ограничение бесполезного перепуска воздуха через клапаны в атмосферу осуществляется калиброванными жиклерами.
Как указывалось выше, сжатый воздух в рассматриваемой системе используется для нескольких целей, поэтому в каждой подсистеме поддерживается свое давление или разность давлений по отношению к базовому. В качестве такового принято давление наддува в баках № 2 и 3, из которых топливо откачивается насосами 76 и 80.
Величина давления наддува определяется кавитационными характеристиками насосов. Поскольку из остальных баков топливо поступает в эти баки вследствие избыточного давления воздуха, то базовое давление является минимальным в системе. Поддерживается оно дросселем и предохранительным клапаном 19. Для повышения пропускной способности в чрезвычайных обстоятельствах и надежности клапан 19 выполняется сдвоенным, каждая его секция в отдельности способна поддерживать заданное давление в системе. Давление наддува в баке № 1 и крыльевых баках поддерживается предохранительным клапаном 8 на уровне, достаточном для преодоления гидравлического сопротивления арматуры и трубопроводов, разности уровней и противодавления в баках N° 2 и 3.
Клапан 8 регулируется на определенный перепад давлений относительно базового давления, поэтому его выходной канал присоединен к основной магистрали дренажа, а не выведен в атмосферу. По такой же схеме осуществляется наддув бака № 4 и топливного аккумулятора 32 с обеспечением необходимого перепада давлений. Топливо из подвесного фюзеляжного бака расходуется в первую очередь на режиме наибольшей тяги, следовательно, и наибольшей подачи топлива и воздуха. Магистраль
наддува выполняется трубами большого диаметра с малым гидравлическим сопротивлением. Предохранительный клапан 44 отрегулирован по перепаду давлений между баком и атмосферой. Сделано это для того, чтобы не увеличивать размеры общего предохранительного клапана 19. Недостатком изображенной на рис. 4.23 схемы является отсутствие крана или клапана, предотвращающего подачу воздуха в подвесной фюзеляжный бак после его сбрасывания, что ведет к бесполезной утечке воздуха, взятого от компрессора. Стремление к упрощению конструкции и снижению ее массы заставило отказаться от крана и его автоматики.
При пикировании самолета с двигателем, работающим при малой частоте вращения, в результате падения давления наддува и давления воздуха, подаваемого от двигателя через кран 94 к турбине, вращающей насос 80, может произойти снижение напора, развиваемого этим насосом подкачки. Если бы предохранительный клапан 31 наддува системы вытеснения топлива из аккумулятора был соединен с атмосферой, а не с основным трубопроводом наддува, то поддерживаемое им давление возрастало по мере приближения к земле. В некоторый момент оно превзошло бы давление топлива, подаваемого насосом 80, и клапан 88 перекрыл бы магистраль, началось бы расходование топлива из аккумулятора 32. После его окончания двигатель остановился бы, поскольку подача топлива из бака № 3 заблокирована. Поэтому выходной канал предохранительного клапана приходится подключать к магистрали наддува бака № 3, чтобы всегда сохранялся необходимый перепад давлений между баком и топливным аккумулятором. Подобные соединения усложняют и утяжеляют конструкцию, увеличивают нагрузку на главный предохранительный клапан 19, но их приходится делать для обеспечения надежной работы на указанном режиме. При пикировании самолета с выключенным двигателем наддув расходных баков № 2 и 3 осуществляется скоростным напором набегающего воздуха через воздухозаборник и открывшийся обратный клапан 96. Это гарантирует включение подачи топлива к двигателю в любой момент. Остальные баки защищены от смятия возрастающим внешним давлением противовакуумными клапанами 15, 38, 54 и 67у открывающимися при ничтожном избыточном внешнем давлении (около 0,05 кгс/см2). Дренирование системы при централизованной заправке топливом осуществляется принудительным открытием клапанов 1, 3, 4, 12 и 17 командным давлением топлива, подаваемого из топливозаправщика.