МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний авіаційний університет

Туз Микола Дмитрович

УДК 629.735.082.6:662.75

Забезпечення захисту паливних систем

від вільної вологи

при експлуатації літаків

05.22.20 – експлуатація та ремонт засобів транспорту

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ 2004

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у Національному авіаційному університеті.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Гаража Валентин Васильович,
професор кафедри конструкції літальних

апаратів НАУ

Офіційні опоненти: член-кореспондент НАН України,

доктор технічних наук, професор

Аксьонов Олександр Федотович,
радник ректорату НАУ

кандидат фізико-математичних наук, професор
Чигринець Анатолій Дмитрович,
завідувач кафедри будівельних і дорожніх машин

Київського університету економіки і технології

транспорту Міністерства транспорту України

Провідна організація - АНТК ім. О. К. Антонова, Міністерство

промислової політики, м. Київ

Захист відбудеться 25 лютого 2004 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.03 в Національному авіаційному університеті.

Адреса: 03058, м. Київ, проспект Космонавта Комарова, 1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного університету (03058, м. Київ, проспект Космонавта Комарова, 1).

Автореферат розіслано 21 січня 2004 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
кандидат технічних наук Павлова С. В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Геополітичні та економічні зміни, які відбулися у світі за останнє десятиріччя, викликали суттєве переосмислення ролі авіації у світовій економіці та народному господарстві окремих держав. Показники економічної ефективності використання, надійності, питомої собівартості перевезень пасажирів та вантажів в умовах цілісного світового авіаційного ринку не лише визначають кількісно парк окремого типу повітряного судна (ПС), а фактично вирішують перспективу подальшого їх використання чи виробництва.

Взаємозв’язок між надійністю ПС, якістю реактивних палив та процесами в паливній системі відноситься до питань авіаційної хіммотології. Про важливість цих проблем говорить статистика. Близько 28 % авіакатастроф, що мали місце у світовій авіаційній практиці з технічних причин, відбулися унаслідок відмов паливних систем літаків. При цьому, прямим чи непрямим приводом до виникнення зазначених подій у 87 % був вплив тепломасообмінних процесів і накопичення вільної вологи в баках-кесонах.

Процес надходження і накопичення води в баках-кесонах ПС фізично обумовлений оборотною гігроскопічністю авіаційних палив при зміні термобаричних умов. Цілком виключити це явище технічними засобами не можливо. Вода завжди знаходиться в паливі у розчиненому стані, і, в більшості випадків, також в емульсійному та вільному станах. При позитивних температурах 15...20 оС в авіаційних паливах міститься розчиненої води до 0,01% по масі (100 г води на 1 т палива). В додаток до цього, по чинним в більшості провідних авіакомпаній світу вимогам на якість палив при заправці ПС, в паливах допускається вміст вільної води у вигляді дрібнодисперсної стійкої емульсії до 0,003 % по масі.

Здатність води змінювати свій фазовий стан під впливом зовнішніх експлуатаційних факторів визначає багатогранність її негативної дії на паливну систему та експлуатаційні показники палива.

Статистика відмов систем літаків свідчить, що застосовувані в паливних системах ПС зливальні пристрої, централізований злив відстою і системи довиробітку залишків палива лише обмежують накопичення води в баках на деякому рівні. Аналіз множини нормальних і екстремальних умов експлуатації ПС показує наступне: можлива така послідовність станів експлуатації у визначених умовах навколишнього середовища і режимах використання ПС, коли кількість вільної води в баках-кесонах стає значною, що безпосередньо впливає на надійність паливної системи та безпеку польотів. Необхідно особливо підкреслити, що зазначена ситуація виникає при повному виконанні пунктів регламенту технічного обслуговування ПС і розрахункових режимах льотної експлуатації.

Сучасні вимоги до надійності літаків визначають дослідження фазових переходів та накопичення води в паливній системі, ефективність методів та засобів запобігання відмов внаслідок цього як одну із актуальних проблем. Її вирішення дозволить цілеспрямовано попереджувати відмови і гарантувати працездатність силових установок літаків.

Держави, що мають повний цикл із проектування, виробництва та експлуатації ПС, у тому числі Україна, повинні мати національну інфраструктуру для проведення комплексу сертифікаційних випробувань авіаційної техніки. Розробка спеціальних стендів для наземних досліджень та забезпечення виконання сертифікаційних льотних випробувань нової авіаційної техніки є також актуальною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконана в лабораторії експлуатаційної надійності та технологічності паливних та масляних систем ПС при кафедрі конструкції літальних апаратів Національного авіаційного університету.

Задачі, які розглянуті та вирішені в дисертаційній роботі, тісно пов’язані з наступними держбюджетними науково-дослідними роботами, що виконані відповідно до Міжгалузевої науково-технічної програми “Розробка та створення спільних заходів, матеріалів та ресурсозберігаючих технологій по підвищенню ефективності експлуатації цивільної та військової авіації України” (1995-1999 рр.):

1. Розробка автоматизованого стенда для ресурсних випробувань основних агрегатів паливних систем повітряних суден. ДКР № 639-ГА95, 1995-1998 рр.

2. Розробка комплексу гідромеханічних та тепломасообмінних енергозберігаючих методів захисту паливних систем ПС від низькотемпературних порушень їх працездатності. НДР № 709-ГБ96, 1996-1998 рр.

3. Дослідження впливу властивостей авіаційних палив на працездатність паливних систем в екстремальних умовах експлуатації. НДР № 828-ГБ98, 1998-2000 рр.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – дослідження ефективності існуючих та розробка перспективних методів і засобів захисту паливних систем літаків від негативного впливу наявності в баках-кесонах вільної води в умовах експлуатації.

Об’єктом досліджень є процес функціонування засобів захисту паливних систем від вільної вологи, який здійснюється в межах льотної та технічної експлуатації літаків.

Предметом досліджень є льотно-технічні, експлуатаційні та технологічні характеристики і параметри засобів захисту паливних систем від вільної вологи в баках-кесонах літаків, що підлягають управлінню на етапах їх розробки та експлуатації.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі виконано постановку наступних задач:

- провести аналіз та формалізувати закономірності процесів надходження, накопичення та перерозподілу між окремими можливими станами вільної вологи в баках-кесонах літаків в процесі експлуатації;

- розробити експериментальні стенди, спеціальне обладнання та методики для проведення досліджень тепломасообмінних процесів в баках-кесонах літаків, ефективності існуючих та перспективних засобів захисту паливних систем від вільної вологи;

- дослідити вологообмін в баках-кесонах та порожнинах окремих агрегатів паливної системи в нормальних та екстремальних умовах експлуатації; експериментально визначити баланс вологи у паливній системі сучасних літаків відносно діапазону можливих умов експлуатації;

- дослідити характеристики водно-паливних емульсій, утворених внаслідок гідромеханічних процесів в паливних системах сучасних літаків;

- експериментально дослідити ефективність існуючих типових систем та перспективних методів і технічних пристроїв захисту паливних систем літаків від негативного впливу вільної вологи;

- розробити математичну модель для прогнозування виділення та накопичення води в баках-кесонах ПС.

Методи досліджень. Рішення зазначених вище задач здійснювалось апробованими методами: теорії системного аналізу; теорії моделювання складних технічних систем; теорії математичного моделювання; математичної статистики; теорії ймовірностей; теорії оптимального керування.

Наукова новизна одержаних результатів.

В процесі виконання роботи вперше у вітчизняній практиці експериментально установлені баланс вологи між можливими фазами та інтенсивність накопичення відстійної води в баках-кесонах сучасних літаків.

Визначені дисперсність та сталість у часі водно-паливних емульсій, утворених внаслідок природного вологопереходу та диспергування вільної води у відцентрових та струминних насосах в баках-кесонах літаків. Досліджено вплив емульсій на працездатність паливної системи при відсутності теплового захисту паливних фільтрів.

Експериментально досліджені характеристики ефективності клапанів зливу відстою, систем централізованого зливу відстою та довиробітку і відсмоктування залишків палива по видаленню із баків-кесонів відстійної води. Визначені межі їх функціональних можливостей.

Установлені закономірності та особливості поведінки відстійної води на дні баків-кесонів, умови і спроможність її перетікання до зон гарантованого забору та подальшого видалення.

Розроблена математична модель надходження та накопичення води в баках-кесонах літаків під час експлуатації та при тривалому зберіганні, яка дозволяє прогнозувати та корегувати процес технічної та льотної експлуатації літака.

Експериментально установлені загальні характеристики процесу масообмінного збезводнення палив у баках-кесонах сучасних літаків.

Практичне значення одержаних результатів.

Експериментально визначена ефективність існуючих засобів видалення води із баків-кесонів літаків дозволяє прогнозувати інтенсивність накопичення та можливу кількість води у баках-кесонах. Залежно від умов використання, схеми та оснащення паливної системи, порядку виробітку палива, це дає можливість обґрунтовувати необхідні заходи оперативного управління процесом технічної та льотної експлуатації літака.

Доведено доцільність застосування в паливних системах літаків системи масообмінного збезводнення палива в баках-кесонах, використання якої практично виключить виникнення відмов паливних систем внаслідок наявності в баках вільної вологи.

На основі математичного моделювання процесу надходження і накопичення води в баках-кесонах літаків під час експлуатації можливе корегування існуючих та розробка нових, оптимальних регламентів обслуговування паливних систем.

Урахування одержаних результатів впливу вільної вологи на працездатність окремих агрегатів паливної системи дає змогу збільшити назначений ресурс агрегату та зменшити трудомісткість технічного обслуговування.

Результати досліджень, отриманих в дисертації, були впроваджені:

1. Методика расчета количества воды в баках летательного аппарата и оптимального содержания противоводокристаллизационной жидкости в топливе. Пакет усовершенствованной версии прикладных программ “ПРИАМ”. В/ч 75360, г. Люберцы, Московская обл. Підтверджений економічний ефект 250 тис. у.о. на рік.

2. Регламент технічного обслуговування паливної системи в частині періодичності зливу відстою палива із баків літака Ту-204. ММЗ “Опыт”, м. Москва.

3 Обґрунтування оптимального режиму роботи системи довиробітку та відсмоктування відстою палива із паливних баків літака Ту-204. ММЗ “Опыт”, м. Москва.

4 Програма розрахунку накопичення вільної води в баках-кесонах літака Ан-70. АНТК ім. О.К.Антонова, м. Київ.

5. Установка для обводнення реактивних палив в процесі заправки повітряних суден при проведенні льотних випробувань. АНТК ім. О.К.Антонова, м. Київ. Підтверджений економічний ефект 32 тис. у.о. на рік.

Особистий внесок здобувача. Всі результати досліджень, які увійшли до дисертаційної роботи, отримано особисто автором.

У роботах, опублікованих у співавторстві, дисертанту належать наступні результати: методика зливу відстою палива з баків-кесонів літаків [2, 4]; математична модель кінетики вологи та результати фізичного та математичного моделювання фазових переходів вологи в баках-кесонах літаків [3, 7]; результати досліджень ефективності методів захисту паливних систем від вільної вологи [5, 8, 9]; результати седиментометричних досліджень водно-паливних емульсій та методика обводнення палив ультразвуковим методом з триступеневим диспергуванням [6].

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися на:

- III Міжнародній науково-технічній конференції “Авіа-2001”. Україна, Київ, НАУ, 2001 р., ( 1 доповідь);

- IV Міжнародній науково-технічній конференції “Авіа-2002”. Україна, Київ, НАУ, 2002 р., ( 3 доповіді);

- V Міжнародній науково-технічній конференції “Авіа-2003”. Україна, Київ, НАУ, 2003 р., ( 2 доповіді).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 робіт.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків і додатків. Загальний обсяг – 261 стор., з них 139 стор. машинописного тексту, 71 стор. ілюстративного матеріалу, 34 стор. додатків. Бібліографія - 174 найменування на 17 стор.

Зміст дисертаційної роботи

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми дослідження фазових переходів і накопичення води в паливній системі літаків, ефективності методів та засобів запобігання відмов внаслідок цього. Визначені мета та задачі дослідження.

У першому розділі проведено аналіз гігроскопічності палив та необхідності боротьби з їх обводненістю при експлуатації ПС. Зазначається, що всі авіаційні палива мають властивість оборотної гігроскопічності, тобто, при контакті з атмосферою вони здатні до деякої міри поглинати присутню в ній вологу і виділяти її при зміні атмосферних умов. Розчинність води в паливі залежить від температури, вологості та тиску повітря, хімічного складу палива.

Розглянуто теоретичні основи фазових переходів та проведено аналіз фазових станів води в паливі. Вода в паливі може бути в розчиненому та вільному станах. Вільна вода зустрічається в різних фазах: твердій (кристали льоду, іній) та рідкій (конденсат, мікрокраплі, відстійна вода). Показано, що дослідження типового механізму фазових переходів води в паливних баках літака має першорядне значення для забезпечення працездатності паливної системи.

Проаналізовано механізм конденсаційного росту крапель при переході води із розчину в емульсію у паливі. Розглянуто чинники, які визначають процес, в першу чергу швидкість охолодження палива та зміну тиску повітря. Визначено умови та інтенсивність коагуляції, замерзання крапель у паливі та переходу води в надпаливний простір.

Розглянуто дифузію води в паливі та дифузійні моделі, які використовуються для аналізу вологообміну в баках-кесонах ПС. Аналіз кінетики вологопереносу в системі “паливо - вода – надпаливний простір” в баці-кесоні літака проведено при умовному поділі процесу на три стадії: перенос вологи з повітря до границі повітря - паливо; власне розчинення водяної пари у паливі через його поверхню; перенос розчиненої вологи від границі фази в об’єм палива.

Проведено аналіз існуючих методів захисту паливних систем ПС від негативного впливу вільної вологи. Дані класифікація методів в конструктивно-технологічному відношенні, загальна їх характеристика, переваги та недоліки, ефективність та перспективи використання.

На підставі аналізу даних про фактичний рівень загального вологовмісту палива в баках літаків, паливозаправниках та аналізу фазових переходів води у паливі в польоті і впливу різних фазових станів води на працездатність і надійність паливних систем обґрунтовано безпечний вологовміст заправленого палива. Він становить 0,002 % по масі.

По результатам аналітичних досліджень та проведеного огляду і аналізу літературних джерел сформульовано мету та задачі роботи.

У другому розділі проведено дослідження впливу кліматичних та експлуатаційних факторів на фазові переходи води, інтенсивність та напрямок вологопереносу в баці-кесоні літака. Показано, що при експлуатації літаків, в умовах обмеженого масообміну палива в баках-кесонах із зовнішнім повітрям, основним джерелом утворення емульсійної і накопичення відстійної води є волога, що міститься в розчиненому виді в заправленому паливі.

Враховуючи результати теоретичних та експериментальних досліджень кінетики вологопереходів в баках-кесонах ПС, рівень фактичного обводнення палив при експлуатації літаків та вплив води на надійність паливних систем, розроблена програма досліджень.

Наведено описання спеціально розробленого обладнання та стендів для проведення експериментальних досліджень. Моделювання процесів надходження, накопичення води, вологообміну у баках-кесонах ПС у нормальних і екстремальних умовах експлуатації проводилося на експериментальному комплексі для досліджень хіммотологічної надійності паливних систем ПС та їх агрегатів.

Основними складовими частинами експериментального комплексу є: термобароклав (термобарокамера) типу KTBV-8000/2, у корисному об’ємі якого розташований стенд для ресурсних випробувань агрегатів паливних систем літаків, стенд підготовки палива, паливосховище, пульт управління та реєстрації параметрів, шина мережі силового та спеціальних струмів. Технічні можливості термобароклава дозволяють моделювати умови польоту в масштабі реального часу, в тому числі температуру зовнішнього середовища в діапазоні +300 оС... - 70 оС, висоту польоту до 43 км.

Наведено схеми, опис та принцип роботи модифікацій стенда та установок для проведення окремих експериментальних досліджень, зокрема установок: для дослідження диспергування води паливними насосними агрегатами; для дослідження умов перетікання вільної води у баках-кесонах літаків; для досліджень ефективності системи зливу відстою палива; стенда для експериментальних досліджень ефективності типової системи довиробітку та очищення залишків палива у паливних баках літаків. Представлено об’єкти досліджень та їх характеристики.

Для проведення досліджень розроблено такі методики: методику досліджень кінетики вологопереходів і процесу накопичення відстійної води в баках-кесонах ПС (на прикладі паливної системи літака Ан-70); методику седиментометричного аналізу водно-паливних емульсій; методику досліджень умов перетікання вільної води у баках-кесонах; методику проведення досліджень ефективності системи зливу відстою із паливних баків літаків; методику проведення експерименту дослідження процесу довиробітку відстою паливних баків струминними насосами та ефективності роботи систем довиробітку та відсмоктування відстою; методику обробки отриманих експериментальних даних.

У третьому розділі виконано теоретичні і експериментальні дослідження вологообміну та гідромеханічних процесів у баках-кесонах сучасних літаків в експлуатаційних умовах. Проведено аналіз чинників, який дозволяє виявити значимі фактори цих процесів і шляхом корегування регламентів льотної та технічної експлуатації літака знижувати інтенсивність процесів та ступінь їх негативної дії на надійність паливної системи та безпеку польотів.

Дослідження кінетики вологи в баках-кесонах літаків в умовах експлуатації проведено на натурному стенді паливної системи літака Ан-70 на паливі РТ (ДСТУ 321.00149943.011.99) без вмісту ПВК рідини. Проведено 3 підготовчих та 9 експериментів основного призначення відповідно методиці. Установлено, процеси виділення води з палива і її перерозподілу в паливних баках мають місце на всіх етапах експерименту, що моделює політ: заправлення, набір висоти, виробіток палива на двигун і зниження.

Узагальнені результати експериментів по інтенсивності охолодження та збезводнення палива у баках-кесонах стенда в процесі модельованого польоту показано на рис. 1і 2 відповідно.

Експериментально установлено, що питома кількість відстійної води, яка може накопчуватись в баках за один політ, становить (9,7...14,1)?10-3 г/кг палива. При експлуатації літака без зливу відстою відбувається стабілізація загальної кількості відстійної води в баках-кесонах завдяки динамічному балансу між її надходженням в черговому польоті та водою, що видаляється з паливом при живленні силової установки. Для літака Ан-70 стабілізація досягається після виконання 11 польотів, а загальна кількість води в баках-кесонах становить 9,3 л. Волога, що надходить з заправленим паливом в наступних польотах, розподіляється в пропорціях: біля 35 % накопичується у вигляді конденсату на верхніх панелях баків-кесонів, 30...40 % переходить у відстій та 25...35 % у вигляді розчиненої та емульсійної води разом з паливом вироблюється на двигуни.

Основним джерелом надходження і накопичення води в паливній системі літака при тривалій стоянці є волога з атмосферного повітря, що проникає в баки через дренажну систему.

Рис. 1. Інтенсивність охолодження палива в баках експериментального стенда та повітря в термобарокамері:

1 - повітря в термобарокамері; 2 - паливо в баці "0" черги виробітку; 3 - паливо в баці I черги виробітку; 4 - паливо в баці II черги виробітку; 5 - паливо в баці III черги виробітку | Рис. 2. Зміна вмісту води в паливі по групах баків в процесі модельованого польоту:

1 - паливо в баці I черги виробітку; 2 - паливо в баці II черги виробітку; 3 - паливо в баці III черги виробітку

Кількість вологи, що надходить в бак з масою повітря, визначається як |

(1)

де - абсолютна вологість атмосферного повітря; - густина повітря в надпаливному просторі бака наприкінці аналізованого інтервалу часу;- об’єм повітря в надпаливному просторі бака.

Установлено виражену залежність температурного режиму та інтенсивності вологопереходів усередині бака від зовнішніх кліматичних умов. Це дозволило визначити емпіричні коефіцієнти рівнянь для розрахунку інтенсивності накопичення вільної води в паливних баках літака Ан-70, що становлять (29...56) 10-4 % по масі/год при середньодобових градієнтах температури 10...14 оС та вологості до 30 %. Обернений процес збезводнювання за тих самих умов досягає інтенсивності - (60...75) 10-4 % по масі/год.

В умовах експлуатації у паливній системі літака безперервно відбуваються гідромеханічні процеси, обумовлені впливом на паливо працюючих насосних агрегатів - електропривідних відцентрових (ЕВН) і струминних (СН) насосів. Змінюється агрегатний стан вільної води в баках, що являється чинником, визначаючим працездатність агрегатів системи. Тому були проведені седиментометричні дослідження водно-паливних емульсій, утворених при диспергуванні вільної води робочим колесом ЕВН, в камері змішування СН, від сумісної дії цих паливних насосів та при ультразвуковому диспергуванні.

Дисперсність емульсій оцінювалась значеннями диференціальної та інтегральної функцій розподілу. Диференціальна функція представляє собою відносний вміст дисперсної фази даного розміру, віднесений до одиничного інтервалу дисперсності

, | (2)

де - радіус краплі; - тривалість седиментації; , - початкова та поточна об'ємні концентрації емульсійної води в паливі.

Інтегральна функція розподілу оцінює відносний вміст емульсійної води з радіусами крапель меншими аналізованого значення r, тобто не осілих нижче рівня добору проб до визначеного моменту, знаходилася шляхом підсумовування отриманих значень градієнтів в’язкого опору паливаосіданню крапель |

(3)

Результати визначеного експериментально відносного розподілу емульсійної води за розмірами крапель, отриманої диспергуванням у ЕВН, СН і при їх сумісній дії приведені на рис. 3, 4.

Проведено зіставлення характеристик водно-паливних емульсій, утворених гідродинамічним диспергуванням вільної води в паливі, в тому числі ультразвуковим диспергуванням, рис. 5. Видно, при диспергуванні води на крильчатці ЕВН створюється водно-паливна емульсія, в якій 60 % емульсійної води становлять краплі розмірами менше 30 мкм, 20 % - 30...80 мкм і 20 % - понад 80 мкм. Руйнування такої емульсії в баках літаків внаслідок випадання у відстій відбувається протягом 2...6 год.

Рис. 3. Розподіл емульсійної води, одержаної внаслідок диспергування відстою на крильчатці електропривідного відцентрового (ЕВН-463) та в струминному насосах |

Рис. 4. Розподіл емульсійної води за розмірами крапель при двоступеневому диспергуванні вільної води на крильчатці відцентрового і в струминному насосах

При диспергуванні відстійної води СН утворюється більш груба емульсія, в якій 60 % емульсійної води становлять краплі розмірами понад 70 мкм, тривалість осадження яких на 1 м стовпа палива становить менше 50 хв. Емульсія при ультразвуковому диспергуванні високодисперсна, з розмірами крапель не більше 25...30 мкм, що відповідає природному емульгуванню палива в баках-кесонах. Вона надзвичайно стійка і при відсутності умов виморожування води з палива може зберігатися у баках понад добу.

Рис. 5. Розподіл емульсійної води по розміру крапель при механічному диспергуванні вільної води в паливі:

УЗД - ультразвукове диспергування; ЕВН - електричний відцентровий насос; СН - струминний насос

Досліджено умови перетікання та визначено критичні кути скочування крапель відстійної води по дну баків-кесонів. Установлено, краплі мають високу адгезію до елементів конструкції бака, заповненого паливом. Поля води з діаметром площадки змочування понад 50 мм перекочуються при кутах нахилу дна біля 2...40 або незначних токах палива. Дрібні краплі, з діаметром до 5 мм, надійно утримуються у змоченому стані до кутів 80 0 включно, рис. 6.

Рис. 6. Залежність кута скочування крапель відстійної води від діаметру краплі:

1 - кут скочування; 2 - маса краплі; 3 - висота краплі

Визначено мінімальні розміри прохідних перетинів між ділянками дна, відокремленими елементами силового набору.

Аналіз апріорної інформації та одержаних експериментальних даних кінетики вологи в баках-кесонах літака виявив 14 основних значимих факторів, які визначають інтенсивність накопичення вільної води у паливній системі літака в експлуатації. Це температура to та атмосферний тиск Bo на початку польоту, температура Tп та загальний вологовміст Срo палива, висота h, швидкість v та тривалість польоту, теплоємність палива та коефіцієнт розчинності води в ньому n, об’єм бака-кесона Vб, товщина обшивки , кількість заправленого палива Vп, коефіцієнти площі змочування дна бака Lб і виробітку палива із нього gтy.

В ході статистичного моделювання розглядались умови типових та екстремальних польотів літаків Ан-70, Ан-140 та Ту-204. Після аналізу фізичної природи та взаємозв’язку факторів на тлі процесу, що розглядається, статистичне моделювання виконувалось на базі восьми комплексних факторів to, Bo, h, v, , Tп, Vп, Срo при фіксованих значеннях інших на визначених рівнях. Отримано апроксимацію функції відгуку, що з урахуванням результатів експериментів і розрахунку коефіцієнтів регресії дозволило формалізувати математичну модель другого порядку виділення та накопичення вільної води в баках-кесонах літаків в процесі експлуатації

= 152,6 + 0,0369to + 13,5 Bo – 0,123h + 45,3v – 78,2Tп + 0,0354Bo2 ––

12,3Срo2 – 6,32hv2 + 12,85toh + 0,36Срo to | (4)

Вирішено ряд оптимізаційних задач при практичному використанні моделі, зокрема, при прогнозуванні накопичення води на протязі польоту та при тривалій стоянці. Оцінка адекватності математичної моделі реальному процесу показала: кореляція результатів для умов типового польоту літака - 94,7 %, при довготривалій стоянці з повністю або частково заправленими баками - не нижче 76 %, рис.7а, 7б відповідно.

Рис. 7. Порівняння результатів математичного моделювання інтенсивності накопичення води в баках-кесонах літаків з даними льотних випробувань та експлуатаційних обстежень

В четвертому розділі представлено результати експериментальних досліджень існуючих та перспективних методів захисту паливних систем літаків від негативного впливу вільної вологи в баках-кесонах на працездатність та надійність систем.

Дослідження ефективності зливу відстою палива з літакових паливних баків проведено шляхом моделювання умов роботи клапанів зливу відстою палива літаків Іл-62, Ту-154, Ту-204 і Ан-24 на натурному експериментальному стенді. Установлено, клапани зливу відстою мають характерні відстані захоплення відстійної води та осаджених механічних домішок. Величина відстані захоплення визначається конструктивними особливостями клапана, однак для всіх клапанів вони надзвичайно малі по відношенню до розмірів дна баків-кесонів сучасних літаків, рис. 8. Тому ефективність видалення відстою повністю залежить від можливості перетікання води до клапанів.

Рис. 8. Відстані захоплення води та механічних домішок клапанами зливу відстою

Розглянуто конструктивні та експлуатаційні особливості паливних систем літаків, оснащених системою довиробітку та очищення залишків палива. Їх ефективність експериментально досліджена на прикладі системи довиробітку та відсмоктування залишків палива (ДВЗП) літака Ту-204. Методика планування експериментів базувалась на попередній оцінці кількості можливого надходження вологи в очікуваних умовах, розгляді нормальних та екстремальних умов експлуатації, окремих ділянок польоту.

Як екстремальні умови роботи системи розглядався випадок прильоту літака в аеропорт з температурою зовнішнього повітря tнп = 40 оС, температурою палива у видатковому відсіку tп = - 20 оС.

Результати досліджень роботи системи ДВЗП при наборі висоти показали, що з висотою зростає тиск, отже і витрата, активного палива СН. На висоті 12 км СН працює в режимі, близькому до кавітаційного, проте працездатність його зберігається.

Ефективність видалення із баків-кесонів відстійної води за допомогою систем централізованого зливу відстою палива (СЦЗВП) досліджена на системі літака Ан-70. Установлено, що вона визначається можливістю перетікання без перешкод відстійної води в зону монтажу забірників системи. В цьому випадку, при однаковій кількості точок відбору, ефективність системи по видаленню відстійної води практично не відрізняється від дієвості клапанів зливу відстою. Тому використання системи дає лише суттєве покращення технологічності обслуговування літака і в цілому не підвищує кількість видаленої води із баків-кесонів в порівнянні з традиційним зливом.

Для забезпечення чистоти баків-кесонів літаків доцільно комбінувати конструкцію СЦЗВП з системою довиробітку та відсмоктування залишків палива.

Експериментально досліджено інтенсивність збезводнення палива у баках-кесонах літаків масообмінним методом. Фізична сутність методу полягає у видаленні вологи із палива при барботажній продувці через нього повітря з нижчим, ніж у палива, відносними вологовмістом при спільних для зазначених середовищ термодинамічних умовах.

Визначена ефективність різних режимів продувки повітря при зниженні температури палива, тиску та температури атмосферного повітря, що мають місце в реальному польоті.

Рис. 9. Зміна параметрів палива та повітря в типовому експерименті при моделюванні процесу масообмінного збезводнювання в польоті літака:

1 - вміст води в паливі; 2 - вологість повітря в термобарокамері; 3 - подача повітря для продувки; 4, 5 - температура палива та повітря в термобарокамері; 6 - вміст повітря в паливі; 7 - висота модельованого польоту; 8 - ступінь перенасичення палива

На рис. 9 представлена зміна параметрів палива та повітря в типовому експерименті по моделюванню масообмінного збезводнення. Установлено: при реалізації продувки палива в баці-кесоні літака атмосферним повітрям при наборі висоти об’ємний коефіцієнт вологообміну між паливом і надпаливним простором підвищується в 103...104 рази, а питомі витрати повітря при цьому не перевищують 10...12 кг/м3 палива*год. Необхідна ступінь збезводнення палива забезпечується за час набору літаком висоти. При цьому загальний вміст води знижується до величини, меншої 0,0018 % по масі. Повністю виключається можливість появи в паливі емульсійної води, кристалів льоду та інею на панелях надпаливного простору. Не спостерігається впливу продування палива повітрям на фізико-хімічні показники палива.

Втрати палива на випар внаслідок переходу фракцій у газову фазу не перевищують 0,0024 % по масі.

Оцінено дієвість захисту сіток відцентрових насосів від обмерзання методом гідрозмиву. Обмерзання найбільш ймовірно у витратних баках-кесонах при температурах палива – 6 ... –24 оС внаслідок перекачки в ці баки емульсованого палива з переохолодженими краплями. Дослідження ефективності методу проведено на обладнаному перфоколектором гідрозмиву насосі ЕВНГр-5А.

Дослідженнями установлено, що оптимальним для насосу ЕВНГр-5А з умов його енергетичного потенціалу є колектор з діаметром отворів 2 мм. При надлишковому тиску в перфоколекторі 0,09 МПа швидкість витоку струменів становить 9 м/с, подача – 0,84 м3/год, або 15% продуктивності насоса по подачі. При меншому діаметрі отворів спостерігалось їх обмерзання та повна закупорка кристалами льоду.

Результати досліджень показують, що при інтенсивному обледенінні сітки тиск за насосом знизився від 0,082 МПа до 0,02 за 7 хв, а витрата часу на відновлення режиму подачі до 0,08 МПа за допомогою гідрозмиву становить не менше 45 хв, рис. 10. Тому гідрозмив обледеніння захисних сіток ЕВН не може розглядатися як надійний і ефективний засіб захисту паливних систем від негативного впливу вільної вологи в баках-кесонах при експлуатації літаків.

Рис. 10. Ефективність гідрозмиву обледеніння із захисної сітки паливного насоса ЕВНГр-5А:

Тп - температура палива; Ревн - зниження тиску за насосом; Св - вміст емульсійної води в паливі; Qп - подача насоса

Наявність диспергування вільної води в баках-кесонах паливними насосами призводить до вмісту емульсійної води у витратних відсіках літаків у кожному польоті, особливо на етапах злету і в перші 30...50 хв польоту. Її концентрація може досягати 0,025 % по масі та більше, розмір крапель води 0,5...60 мкм.

Відповідно вимогам Авіаційних правил АП-25, FAR-25 всі нові типи літаків повинні пройти льотні випробування на обводненому паливі. Для потреб АНТК ім. О.К.Антонова, враховуючи результати проведених досліджень кінетики вологи в баках-кесонах сучасних літаків та характеристики водно-паливних емульсій, утворених внаслідок диспергування води паливними насосами, розроблена та виготовлена установка для обводнення реактивних палив (УОРП).

УОРП дозволяє моделювати за фактичною дисперсністю як висококонцентровані емульсії, що утворюються в паливі у баках-кесонах літаків внаслідок фазових перетворень води, так і виникаючі при довиробітку відстійної води відцентровими та струминними насосами. Дисперсність мікрокрапель води в паливі становить 0,5...5,0 мкм. Сталість емульсії у часі до зниження вологовмісту на 10 % від початкового значення - не менше 4,5 год.

Висновки

1. Основним джерелом надходження та накопичення води в баках-кесонах літаків є розчинна та емульсійна вода в заправленому паливі та атмосферна волога, що надходить у баки через дренажну систему. Зворотна гігроскопічність авіаційних палив на тлі зміни зовнішніх факторів та умов експлуатації забезпечує механізм накопичення вільної води в баках-кесонах літаків. Інтенсивність та напрямок вологопереходів залежить від особливостей паливної системи, характеристик палив та умов експлуатації.

2. В результаті досліджень кінетики вологопереходів в баках-кесонах літаків в експлуатації установлено, що волога, яка надходить з заправленим паливом, розподіляється в пропорціях: біля 35 % накопичується у вигляді конденсату на верхніх панелях баків-кесонів, 30...40 % переходить у відстій та 25...35 % у вигляді розчиненої та емульсійної води разом з паливом вироблюється на двигуни.

3. Розроблена математична модель виділення та накопичення вільної води в баках кесонах літаків в процесі експлуатації у вигляді поліному другого порядку. Адекватність моделі реальному процесу становить не менше 93 % для умов польоту і 76 % для умов довгострокового зберігання літака. Модель дозволяє прогнозувати накопичення вологи в баках-кесонах і, на основі розрахункових даних, корегувати процес технічної та льотної експлуатації літака.

4. Відцентрові та струминні насоси при роботі в складі паливних систем сучасних літаків подрібнюють вільну воду до дрібнодисперсного стану із виникненням стійких в часі, з тривалістю осадження не менше 3,2 год, водно-паливних емульсій. Концентрація емульсійної води в паливі у витратних баках літаків може становити 0,025...0,06 % по масі та більше, паливні системи цих літаків обов”язково повинні бути оснащені тепловим захистом паливних фільтрів.

5. Результати експериментальних досліджень показали - відстійна вода на дні баків-кесонів має незначну спроможність до перетікання в нижні точки, тому системи захисту від накопичення вологи в баках-кесонах літаків повинні видаляти відстій не з локальних зон, а усієї площі дна.

6. Злив відстою палива через клапани не гарантує відсутність накопичення відстійної води в баках-кесонах. Він лише стабілізує загальний вміст відстійної води на деякому рівні і не виключає виникнення відмов паливних систем літаків в експлуатації.

7. Системи довиробітку і відсмоктування відстою палива є ефективними засобами запобігання накопиченню відстійної води в баках-кесонах літаків за умов роботи системи протягом всього польоту.

8. Використання системи централізованого зливу відстою палива дає лише суттєве покращення технологічності обслуговування літака і в цілому не підвищує кількість видаленої води із баків-кесонів в порівнянні з традиційним зливом.

9. Гідродинамічний захист запобіжних сіток відцентрових насосів не перешкоджає обмерзанню сіток при роботі на обводненому паливі в умовах польоту і не може розглядатися як надійний засіб захисту.

10. Експериментальними дослідженнями установлено, що застосування на літаку бортової системи масообмінного збезводнення палива в баках-кесонах повністю виключає можливість появи у паливі емульсійної води, кристалів льоду та інею на панелях надпаливного простору, запобігає накопиченню відстійної води і відмовам паливної системи з цих причин.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ

1. Туз Н.Д. Исследование эффективности слива отстоя топлива из самолетных баков // Вопросы авиационной химмотологии: Сб. научн. трудов – Киев, КИИГА, 1983.- С. 31-35.

2. Василенко В.Т., Туз Н.Д. Обоснование оптимальной методики сли-ва отстоя топлива на авиационной технике // Исследование эксплуатационных свойств авиационных горюче-смазочных мате-риалов и спецжидкостей. Сб.науч.тр. – К.: КИИГА, 1984. - С. 4-9.

3. Туз Н.Д., Голубушкин В.Н., Сахно Г.И. Полнофакторное моделирование процесса накопления воды в топливных баках воздушных судов // Исследование процессов подготовки применения и контроля качества авиа ГСМ и спецжидкостей: Сб. научн. трудов – Киев, КИИГА, 1988.- С. 77-81.

4. Козаченко А.И., Туз Н.Д. Оптимизация регламента технического обслуживания топливных систем воздушных судов, оборудованных системами довыработки топлива // Обеспечение безопасности полетов при летной эксплуатации воздушных судов: Сб. научн. трудов – Киев, КМУГА, 1993.- С. 75-80.

5. Максютинский П.Ф., Козаченко А.И., Туз Н.Д. Методы защиты топливной системы воздушных судов от низкотемпературных нарушений её работоспособности // Вісник КМУЦА. Вип. 2. К.: КМУЦА, 1999. С. 232-237.

6. Бережний В.Г., Туз М.Д., Кер’якос Джозеф. Оптимальний режим обводнення палив для газотурбінних двигунів методом ультразвукового диспергування // Вісник КМУЦА. Випуск № 1-2. – К.: КМУЦА, 2000. - С. 193-195.

7. Туз М.Д., Кер’якос Джозеф. Шляхи утворення водно-паливних сумішей, їх властивості і накопичення відстійної води у паливних баках повітряних кораблів // Вісник КМУЦА. Випуск № 3-4. – К.: КМУЦА, 2000.- С. 211-215.

8. Гаража В.В., Туз М.Д. Захист паливних систем повітряних суден від накопичення вільної вологи у баках-кесонах. III Міжнародна науково-технічна конференція “Авіа-2001”.Україна, Київ, НАУ, 2001.- С. 03.91-03.94.

9. Карелин Ю.В., Кукуруза В.Б., Туз Н.Д. Системы обнаружения воды в топливных баках самолета и централизованного слива отстоя топлива // Збірник доповідей IV Міжнародної наук.-техн. конф. “Авіа-2002”.Україна, Київ, НАУ, 2002. –Т. III, С. 32.59-32.60.

10. Туз Н.Д. Изменение газового состава надтопливного пространства и потери топлива на испарение при массообменном методе обезвоживания топлива в баках-кессонах самолетов. V Міжнародна науково-технічна конференція “Авіа-2003”. Україна, Київ, НАУ, 2003. Том 3. С.32.53-32.57.

11. Туз М.Д. Утворення водно-паливних емульсій у баках-кесонах при роботі насосних агрегатів паливних систем сучасних літаків. V Міжнародна науково-технічна конференція “Авіа-2003”. Україна, Київ, НАУ, 2003. Том 3. С.32.47-32.51.

Анотації

Туз М.Д. Забезпечення захисту паливних систем від вільної вологи при експлуатації літаків. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.20 – експлуатація і ремонт транспортних засобів. – Національний авіаційний університет, Київ, 2004 р.

В роботі досліджено ефективність існуючих та перспективних методів і засобів захисту паливних систем літаків від негативного впливу наявності в баках-кесонах вільної води в умовах експлуатації.

Проведено аналіз та формалізовано закономірності процесів надходження, накопичення та перерозподілу між окремими можливими станами вільної вологи в баках-кесонах літаків в процесі експлуатації.

Експериментально досліджено кінетику вологи в баках-кесонах літаків в нормальних та екстремальних умовах експлуатації, кількісно визначений баланс вологи між фазовими станами. Досліджено характеристики водно-паливних емульсій, утворених внаслідок гідромеханічних процесів в паливних системах сучасних літаків. Установлені дисперсність емульсій, закономірності масообміну, осадження та вплив емульсій на працездатність агрегатів. Розроблена математична модель виділення та накопичення вільної води в баках-кесонах у вигляді поліному другого порядку, яка дозволяє прогнозувати накопичення вологи в баках і, на основі розрахункових даних, корегувати процес технічної та льотної експлуатації літака.

На натурному стенді паливної системи досліджені технічні можливості та ефективність клапанів зливу відстою, систем централізованого зливу та довиробітку залишків палива. Визначено дієвість гідрозмиву по запобіганню обледеніння сіток відцентрових насосів. Установлені управляючі параметри та отримані їх значення для масообмінного методу збезводнення палива в баках-кесонах