книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 5 Автоматика и регулирование авиационных двигателей и энергетических установок

2.1.5. Выбор топливной системы

иее элементов

2.1.5.1.Выбор топливной системы

Топливную систему двигателя обычно проек­ тируют совместно с САУ.

В соответствии с назначением и выполняемы­ ми функциями с учетом имеющихся аналогов и прототипов выбирают принципиальную схему топливной системы и определяют состав агрега­ тов для конкретного проекта двигателя. На рис. 1.1 и 1.2 приведены примеры состава агре­ гатов топливных систем бесфорсажного и фор­ сажного двигателей. При выборе оптимальной топливной схемы оценивают варианты исполне­ ния, например:

-интеграция насосов;

-интеграция насосов, фильтров и теплообмен­ ников в единый агрегат;

-привод качающих узлов от ротора двигателя или автономный (от электромотора или воздушной турбины);

-интеграция качающего узла, дозатора и расп­ ределителя топлива.

Основное требование к топливной системе - обеспечить КС, ФК и гидроприводные исполнитель­ ные механизмы систем двигателя необходимым ко­ личеством топлива с требуемым давлением. Следо­ вательно, одной из основных задач является выбор насосов топливной системы.

2.1.5.2. Выбор насосов топливной системы

При выборе насоса определяется требуемая про­ изводительность качающего узла, его напорность и оценивается предварительно мощность его при­ вода. Расчет производится для характерных режи­ мов работы двигателя, определенных при расчете высотно-скоростных и дроссельных характерис­ тик. С учетом рассчитанных параметров подбира­ ют насос из имеющихся или выпускают ТЗ на его проектирование.

Для каждого насоса (подкачивающий, основно­ го топлива, форсажного топлива, привода механи­ зации двигателя и привода сопла) составляется ал­ горитм расчета в зависимости от принятой схемы топливной системы двигателя.

Потребная производительность насоса опреде­ ляется по формуле:

м —м ■+- jv/ ■+■м *ьл/ + д«/

1V1\\ 1V1KC 1У1САУ iWMEX 1У1ОТБ Ш ПЕР’

где Мкс - расход топлива в КС (для форсажного насоса Мкс - расход топлива в ФК, для подкачивающего насоса Мкс- сум­

2.1. Топливные системы авиационных ГТД

марный расход топлива в КС и ФК); МсАУ - расход топлива для обеспечения рабо­

ты агрегатов топливной системы, в ко­ торых топливо является рабочим телом;

Мшх -отбор топлива на гидроприводные исполнительные механизмы САУ;

Мотъ- отбор топлива на самолетные нужды; МПЕр - отбор топлива на охлаждение

агрегатов двигателя.

Расход топлива в КС определяется с учетом ухудшения характеристик двигателя по наработке

ис учетом необходимого избытка при приемисто­ сти. Расход топлива на гидропривод определяется при максимальном быстродействии механизации

ивозможном одновременном срабатывании не­ скольких групп гидроприводов. Для уменьшения требуемого расхода топлива необходимо по воз­ можности разнести по времени срабатывание групп гидроприводов.

Потребная напорность качающего узла опреде­ ляется выражением:

где Рн - давление топлива за качающим узлом; Рнвх- давление топлива на входе в качающий

узел.

Для подкачивающего центробежного насоса напорность качающего узла определяется мини­ мально допустимым давлением топлива на входе

внасосы высокого давления для подачи топлива

вКС, насос привода механизации и насос привода сопла. Давление топлива за насосом высокого даваления в магистрали топливопитания КС опреде­ ляется по формуле:

Р н = р к + ^тк+ДПт+ Д^ТФ+

где Рк - давление воздуха в КС; АРтк - перепад давления топлива в форсун­

ках КС; ДРрт - перепад давления топлива в распре­

делителе расхода топлива по контурам форсунок (коллекторам форсунок);

АРТФ - перепад давления топлива на топливном фильтре в магистрали

от насоса к распределителю топлива; Д/^р - потери давления топлива в трубо­

проводах от насоса до форсунок; АРТди - перепад давления топлива

на дозирующем органе топливо­ дозирующего агрегата.

Величины АРтк, АРрт, АРТф, АРтр зависят от ве­ личины расхода топлива в данной магистрали

(А Р тк, Д Р р г А Я тф, Д Р тр = У ( ^ 0 т))-

51

Глава 2. То/пиеныс системы ГТД

Для центробежного насоса высокого давления величина Рн является расчетной. Величина давле­ ния топлива за центробежным качающим узлом, определенная по напорной характеристике долж­ на быть не меньше расчетной. В противном слу­ чае необходимо увеличить его напорность за счет увеличения частоты вращения ротора насоса из­ менением передаточного отношения в приводе ко­ робки приводов.

Мощности привода определяется по формуле:

NH= кАРнМн /(Ут^н)»

где ут - удельная плотность топлива при данной температуре,

Т|н - объемный к.п.д. насоса

2.1.5.З. Определение подогревов топлива в топливной системе

Основными источниками тепла является подо­ грев топлива в топливных насосах, ТМТ, а также в гидроцилиндрах топливной системы.

Подогрев топлива в топливном насосе зависит от величины его объемного к.п.д. Г)н.Величина теплоподвода к топливу в топливном насосе опреде­ ляется по формуле

АЛ^Н= APHJkrT (1 - 1 / лн)

Температура топлива на выходе из насоса оп­ ределяется по формуле:

^вых=(7’твхЧСрт + АЛ^н)/М т Срт

Величина теплоподвода в топливо в ТМТ опре­ деляется по формуле:

Щ = кмтс?тс*дгт,

где к - коэффициент, зависящий от конструк­ ции теплообменника, определяется экспериментально и приводится в документации на теплообменник;

Мт - расход топлива через теплообменник; СртСР - удельная теплоемкость топлива при

средней температуре топлива в ТМТ; АТ7 - перепад температур топлива на

выходе и входе в ТМТ, определяемый как АТт—Ттвых- Ттех.

Величина теплоподвода в топлива равна вели­ чине теплосъема в ТМТ из масла двигателя:

ANT =&NM

Л ^м = Ч , СрмСРА7’м.

где Мм - прокачка масла через двигатель (через ТМТ);

Срмср - удельная теплоемкость масла при средней температуре масла в теплообменнике;

ДГМ - перепад температур масла на входе

ивыходе ТМТ, определяемый как

Д? м - ^МВХ ” ^мвых*

Температура топлива на выходе из ТМТ опре­ деляется как:

Гтвых = (* Ч ТгвхСртср + ANM)/ Щ срмср

Подогрев топлива в гидроцилиндрах топливной системы зависит от их расположения на двигателе (от температуры воздуха и корпуса двигателя в ме­ сте их установки), расхода топлива при срабаты­ вании гидроцилиндра, расхода топлива, охлажда­ ющего гидроцилиндр и качества теплоизоляции гидроцилиндра и подводящих топливо трубопро­ водов.

Величина теплоподвода в гидроцилиндры опре­ деляется экспериментально или расчетно-экспери­ ментально с учетом данных по аналогам и прото­ типам топливной системы.

2.1.5.4. Обеспечение температурного состояния топливной системы

Агрегаты топливной системы должны быть ра­ ботоспособны в заданном температурном диапазо­ не на входе в топливную систему двигателя. При отрицательной температуре топлива находящаяся в нем вода кристаллизуется, и кристаллы льда мо­ гут забить топливные фильтры, дроссели и преци­ зионные золотниковые пары гидромеханических агрегатов, что приведет к отказу топливной систе­ мы и САУ двигателя.

Для исключения образования льда в топливо добавляют специальные противоводокристаллизационные присадки или обеспечивают подогрев топлива на входе в основной топливный фильтр установкой перед ним топливомасляного тепло­ обменника. Горячее масло двигателя или масло си­ стемы самолетных приводных агрегатов обеспе­ чивает необходимый подогрев топлива. При этом также происходит охлаждение масла за счет хладоресурса топлива. Температура в топливной си­ стеме не должна превышать предельно допусти­ мую, заданную техническими условиями на топливо. В случае превышения температуры воз­ можен выход из строя агрегатов топливной сис­ темы из-за засорения их продуктами разложения топлива. Для обеспечения требуемого температур­

52

ного режима ограничивают теплоподвод при вы­ соких температурах топлива за счет уменьшения расхода масла через топливомасляный теплообмен­ ник или (и) увеличивают расход топлива через него. Увеличение расхода топлива через теплообменник достигают включением перепуска части топлива после него в бак топливной системы самолета. Для уменьшения теплонапряженности применяют так­ же следующие мероприятия:

-уменьшают перепуски из-за качающих узлов на вход в топливную систему двигателя за счет применения насоса управляемой производительно­ сти (например, плунжерного);

-применяют пневмопривод или электропривод исполнительных механизмов вместо гидроприво­ да (гидроцилиндров);

-уменьшают подогрев масла в маслосистеме двигателя.

2.1.5.5. Математическая модель топливной системы

Выбор и разработка топливной системы, значи­ тельно облегчается применением ее математичес­ кой модели и программы, работающей в интерак­ тивном режиме. Математическая модель позволяет определить:

-давления и температуры по тракту топливной системы;

-необходимый расход и давление топлива на привод гидроцилиндров для обеспечения заданно­ го усилия и быстродействия;

-требуемые мощности на привод насосов;

-эффективность различных вариантов системы

имероприятий по улучшению ее работы.

В математической модели используются экспе­ риментально определенные или рассчитанные ха­ рактеристики агрегатов и магистралей топливной системы. Программы расчета математических мо­ делей топливной системы, двигателя и его САУ интегрируют. Это позволяет проводить расчеты со­ стояния топливной системы для всех режимов ра­ боты двигателя в области полетов.

2.1.6. Гидроцилиндры

В качестве силового привода для лопаток ВНА, клапанов и заслонок, элементов регулируемых со­ пел и для других целей на авиационных ГТД ши­ роко используются топливные гидроцилиндры. На двигателе в зависимости от особенностей его кон­ струкции может применяться от одного-двух до 10... 15 и более гидроцилиндров.

Гидроцилиндр-это исполнительный механизм поступательного движения, преобразующий энер­

2.1. Топливные системы авиационных ГТД

гию потока жидкости в механическую энергию перемещения поршня. По сравнению с другими видами силовых приводов (пневмоцилиндрами, электродвигателями) гидроцилиндры позволяют получать достаточно высокие располагаемые (по­ лезные) усилия при относительно малых размерах и массе. К недостаткам гидроцилиндров следует отнести ограничения по максимальной температу­ ре применения (во избежание повреждения рези­ новых уплотнительных колец и коксования топли­ ва) и потенциальную пожароопасность.

Основные требования к гидроцилиндрам - обес­ печение необходимого полезного усилия, достаточ­ ная прочность, высокая герметичность и надежность, ремонтопригодность, малые размеры и масса.

Различают гидроцилиндры одностороннего действия (см. рис. 2.6, а) и двустороннего (см. рис. 2.6, б). Схематично гидроцилиндр односторон­ него действия состоит из собственно цилиндра 7, поршня 2 со штоком 5, пружины 4 и уплотнения 3. Поршень делит цилиндр на две полости - поршне­ вую (П) и штоковую (Ш). В поршневую полость подводится топливо, штоковая полость сообщает­ ся с окружающим воздухом. В исходном состоянии пружина удерживает поршень в крайнем левом по­ ложении. В гидроцилиндр подается топливо с вы­ соким давлением, поршень начинает перемещать­ ся в крайнее правое положение (прямой ход поршня), преодолевая сопротивление пружины, трение в уплотнении и нагрузку на шток от при­ водимых в движение элементов конструкции дви­ гателя. Для перемещения поршня в исходное со­ стояние (обратный ход поршня) поршневая полость соединяется со сливом, давление в ней снижается, и пружина возвращает поршень обрат­ но в крайнее левое положение. Обратному ходу поршня препятствует остаточное давление в пор­ шневой полости, трение в уплотнении и способ­ ствует или препятствует (в зависимости от конкрет­ ных условий) внешняя нагрузка на шток.

Гидроцилиндр двустороннего действия отлича­ ется тем, что топливо подводится и в поршневую, и в штоковую полости. В этой конструкции кроме поршня уплотняется также шток гидроцилиндра. Такие гидроцилиндры могут быть без пружины. Если топливо высокого давления подается в пор­ шневую полость, то штоковая полость соединяет­ ся со сливом. И наоборот - при подаче топлива вы­ сокого давления в штоковую полость со сливом соединяется поршневая. Применяется и другая схе­ ма подключения гидроцилиндров двустороннего действия, когда в штоковую полость постоянно подводится топливо высокого давления. Преиму­ ществами двусторонних цилиндров является полу­ чение большего полезного усилия при обратном ходе поршня, а также меньшие размеры и масса.

53

Глава 2. Тотивные системы ГТД

1 2

3

4

5

Подвод и отвод топлива

а

Подвод и отвод топлива

+

Подвод и отвод топлива

б

Рис. 2.6. Схемы гидроцилиндров:

а - одностороннего действия; б - двустороннего

действия; П - поршневая полость; Ш - штоковая полость; 1- цилиндр; 2 - поршень; 3, б- уплот­ нения; 4 - пружина; 5 - шток

Недостатки заключаются в усложнении конструк­ ции гидроцилиндра (наличие второго подвижного уплотнения), в необходимости использования бо­ лее сложного внешнего узла управления подачей топлива, в применении дополнительных трубопро­ водов.

Основные геометрические параметры гидроци­ линдра - диаметр поршня (dn), диаметр штока (сЗш) и ход поршня (И).

Величину полезного (располагаемого) усилия (F ), развиваемого гидроцилиндром при прямом и обратном ходе, можно определить по формуле:

	^ г ц ^	^ П Р ^ ^ Т Р ’
где Fn	- усилие, создаваемое поршневой
	полостью (Fn = Рп к £/п2/4);
Fm	- усилие, создаваемое штоковой
Fnp	полостью (Fm = Ршя(</п2 - </ш2)/4);
	- усилие пружины (при отсутствии
	пружины F np = 0);

FTP	- сила трения в уплотнениях (сила
	FTP всегда противоположна
	силе F ru);

рп и Рш- избыточное давление топлива

впоршневой и штоковой полостях гидроцилиндра соответственно (для одностороннего гидроцилиндра

Время срабатывания одностороннего гидроци­ линдра (тгц) зависит от расхода топлива (g n), по­ даваемого в поршневую полость или сливаемого из нее:

где AVn- изменяемый объем поршневой полости

(ДКП= Kdn2 h/4).

Для двустороннего цилиндра:

\ ц = д ^п/ 2 п = А^ц/Сш.

где Q]U - расход топлива, подаваемого в штоко­ вую полость или сливаемого из нее;

AVm- изменяемый объем штоковой полости (ДКш = л(с/п2- ^ ш2) Ы4).

Детали гидроцилиндров изготавливаются из ле­ гированных сталей и титановых сплавов. Уплотне­ ния поршней и штоков осуществляются с помощью резиновых колец, резиновых и фторопластовых манжет. Высокие требования по шероховатости (не более Ra = 0,1 мкм) и точности изготовления предъявляются к рабочим поверхностям корпусов (цилиндров) и поршней. Для повышения износо­ стойкости рабочие поверхности цилиндров и штоков азотируются, никелируются или хромируются.

На двигателях применяются самые разнообраз­ ные конструкции гидроцилиндров с различными сочетаниями геометрических параметров. Для при­ мера на рис. 2.7 показан гидроцилиндр односто­ роннего действия, предназначенный для привода заслонок перепуска воздуха и устанавливаемый на корпус КВД. Гидроцилиндр состоит из корпуса (цилиндра) 7, выполненного за одно целое со што­ ком поршня 2, крышки 3 со штуцером 4 для подво­ да (отвода) топлива и пружин 7 и 8. Уплотнение поршня и крышки осуществлено с помощью рези­ новых колец 5 и 6.

П араметры гидроцилиндра: dn= 59 мм; dm= 18 мм; h = 15,5 мм. Установка двух пружин вместо одной позволяет получить большее усилие на обратном ходе при меньших размерах и массе гидроцилиндра. Гидроцилиндр крепится на корпу­ се винтами за фланец 9. Детали гидроцилиндра из­ готавливаются из легированных сталей. Для повы­

54

Глава 2. Топливные системы ГТД

полостей и каналов для продувки охлаждающего воздуха, перепуск топлива через специальный жик­ лер в поршне, что позволяет отвести избыточное тепло в сливные линии. Кроме того, может приме­ няться теплоизоляция гидроцилиндров и др.

Конструкция гидроцилиндров достаточно отра­ ботана на практике и обеспечивает необходимые безотказность и ресурс. Наличие дефектов обычно связано с нарушением условий эксплуатации. Чаще всего неисправностью гидроцилиндра является раз­ герметизация из-за механического или термическо­ го повреждения уплотнительных колец или манжет. Механическое повреждение колец становится воз­ можным при нерасчетных боковых нагрузках, при­ водящих к касанию поршня или штока боковой по­ верхности цилиндра и ее повреждению (образова­ ние выработок).

Более подробно вопросы, касающиеся схем, конструкций, характеристик и расчета гидроци­ линдров, изложены в специальной литературе

[2.2].

2.1.7. Топливные фильтры

Чистота топлива во многом определяет надеж­ ность работы качающих узлов насосов и элементов топливо-регулирующей аппаратуры. Для очистки топлива от механических загрязнений применяют фильтры. Фильтр - это агрегат, в котором обеспе­ чивается удаление из жидкости механических заг­ рязнений посредством ее пропускания через пори­ стые или ячеистые материалы. Чем меньше ячейки или поры, тем лучше очищается жидкость.

Фильтры условно подразделяют на поверхност­ ные и глубинные. В поверхностных фильтрах час­ тицы загрязнений задерживаются, в основном, на поверхности фильтрующего материала, в глубин­ ных - по всей его толщине. К фильтрам поверхнос­ тного действия относят фильтры с использованием металлических и неметаллических сеток, бумаги, тканей. К фильтрам глубинного действия относят­ ся керамические и металлокерамические фильтры, а также некоторые типы бумажных фильтров.

Наибольшее распространение в топливных сис­ темах ГТД получили сетчатые фильтры, в которых используются сетки квадратного или саржевого пле­ тения из металлической проволоки круглого сече­ ния (латунь, бронза, нержавеющая сталь, никель).

Одним из основных параметров фильтра являет­ ся тонкость фильтрации. Различают абсолютную и номинальную тонкость фильтрации. Абсолютная тонкость фильтрации соответствует максимально­ му размеру частиц, пропускаемых фильтром. Номи­ нальная тонкость фильтрации соответствует разме­ ру частиц, не менее 97 % которых задерживаются

фильтром. Например, если указывается, что фильтр обеспечивает абсолютную тонкость филь­ трации 25 мкм и номинальную 16 мкм, это озна­ чает, что в отфильтрованном топливе будут отсут­ ствовать частицы размером более 25 мкм и будет содержаться не более 3 % частиц размером 16...25 мкм.

В системе топливопитания двигателя устанав­ ливается основной топливный фильтр (ОТФ)

иряд вспомогательных фильтров. ОТФ устанав­ ливается перед насосом высокого давления и обес­ печивает фильтрацию всего топлива, поступаю­ щего в двигатель. Вспомогательные фильтры устанавливаются на входе в отдельные агрегаты,

атакже в сливных магистралях, соединяющих аг­ регаты с основной магистралью топливопитания двигателя помимо ОТФ.

ОТФ должен удовлетворять следующим требо­ ваниям:

-обеспечивать необходимую степень фильтра­ ции топлива в течение установленного межпромы­ вочного ресурса;

-иметь достаточную пропускную способность (т.е. перепад давления на чистом фильтре при мак­ симальном расходе топлива не должен превышать заданной величины);

-в конструкции фильтра должен быть предус­ мотрен перепускной клапан, открывающийся при нерасчетном засорении фильтроэлемента и обеспе­ чивающий подачу топлива с необходимым расхо­ дом;

-фильтр должен быть оборудован сигнализато­ ром перепада давления, позволяющим определить предельное засорение фильтроэлемента;

-на фильтре должны быть установлены устрой­ ства (клапаны) для слива топлива из полости филь­ троэлемента перед его снятием и для стравливания воздуха после его установки;

-фильтр должен располагаться в легкодоступ­ ном месте на двигателе. Не допускается демонтаж каких-либо агрегатов, датчиков, трубопроводов

иэлектропроводки при съеме фильтроэлемента;

-фильтроэлемент должен быть легкосъемным. При снятии фильтроэлемента должна исключать­ ся возможность попадания загрязнений в топлив­ ную систему;

-расположение перепускного клапана должно сводить к минимуму возможность попадания за фильтр скопившихся загрязнений в случае его от­ крытия;

-фильтроэлемент и фильтр должны обладать достаточной прочностью и герметичностью;

-назначенный ресурс и срок службы должны быть не меньше, чем для двигателя в целом;

-масса и размеры фильтра должны быть мини­ мальными.

56