Глава 12 - Системы ГТД

теплообменнике; ∆ÒÌ - перепад температур масла на входе

и выходе ТМТ, определяемый как

∆ÒÌ = ÒÌÂÕ – ÒÌÂÛÕ.

Температура топлива на выходе из ТМТ определяется как:

ÒÒÂÛÕ = (kMÒÒÒÂÕ ÑÐÒÑÐ + ∆NÌ) / kMÒ ÑÐÌÑÐ

Подогрев топлива в гидроцилиндрах топливной системы зависит от их расположения на двигателе (от температуры воздуха и корпуса двигателя в месте их установки), расхода топлива при срабатывании гидроцилиндра, расхода топлива, охлаждающего гидроцилиндр и качества теплоизоляции гидроцилиндра и подводящих топливо трубопроводов.

Величина теплоподвода в гидроцилиндры определяется экспериментально или расчетно-экспе- риментально с учетом данных по аналогам и прототипам топливной системы.

12.2.1.5.4 - Обеспечение температурного состояния топливной

системы

Агрегаты топливной системы должны быть работоспособны в заданном температурном диапазоне на входе в топливную систему двигателя. При отрицательной температуре топлива находящаяся в нем вода кристаллизуется, и кристаллы льда могут забить топливные фильтры, дроссели и прецизионные золотниковые пары гидромеханических агрегатов, что приведет к отказу топливной системы 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 теплообменника. Горячее масло двигателя или масло системы самолетных приводных агрегатов обеспечи- вает необходимый подогрев топлива. При этом также происходит охлаждение масла за счет хладоресурса топлива. Температура в топливной системе не должна превышать предельно допустимую, заданную техническими условиями на топливо. В случае превышения температуры возможен выход из строя агрегатов топливной системы из-за засорения их продуктами разложения топлива. Для обеспечения требуемого температурного режима ограничивают теплоподвод при высоких температурах топлива за счет уменьшения расхода масла через топливомасляный теплообменник или (и) увеличивают расход топлива через него. Увеличе-

ние расхода топлива через теплообменник достигают включением перепуска части топлива после него в бак топливной системы самолета. Для уменьшения теплонапряженности применяют также следующие мероприятия:

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

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

-уменьшают подогрев масла в маслосистеме двигателя.

12.2.1.5.5 - Математическая модель топливной системы

Выбор и разработка топливной системы, зна- чительно облегчается применением ее математи- ческой модели и программы, работающей в интерактивном режиме. Математическая модель позволяет определить:

-давления и температуры по тракту топливной системы;

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

-требуемые мощности на привод насосов;

-эффективность различных вариантов системы и мероприятий по улучшению ее работы.

В математической модели используются экспериментально определенные или рассчитанные характеристики агрегатов и магистралей топливной системы. Программы расчета математических моделей топливной системы, двигателя и его САУ интегрируют. Это позволяет проводить расчеты состояния топливной системы для всех режимов работы двигателя в области полетов.

12.2.1.6 - Гидроцилиндры

В качестве силового привода для лопаток ВНА, клапанов и заслонок, элементов регулируемых сопел и для других целей на авиационных ГТД широко используются топливные гидроцилиндры. На двигателе в зависимости от особенностей его конструкции может применяться от одного-двух до 10…15 и более гидроцилиндров.

Гидроцилиндр – это исполнительный механизм поступательного движения, преобразующий энергию потока жидкости в механическую энергию перемещения поршня. По сравнению с другими видами силовых приводов (пневмоцилиндрами,

748

Глава 12 - Системы ГТД

Рисунок 12.2.1.6_1 - Схемы гидроцилиндров а) одностороннего действия;

б) двустороннего действия; П – поршневая полость; Ш – штоковая полость; 1 – цилиндр; 2 – поршень;

3,6 – уплотнения; 4 – пружина;

5 – øòîê

электродвигателями) гидроцилиндры позволяют получать достаточно высокие располагаемые (полезные) усилия при относительно малых размерах и массе. К недостаткам гидроцилиндров следует отнести ограничения по максимальной температуре применения (во избежание повреждения резиновых уплотнительных колец и коксования топлива) и потенциальную пожароопасность.

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

Различают гидроцилиндры одностороннего действия (см. Рис. 12.2.1.6_1а) и двустороннего (см. Рис. 12.2.1.6_1б). Схематично гидроцилиндр одностороннего действия состоит из собственно

цилиндра 1, поршня 2 со штоком 5, пружины 4 и уплотнения 3. Поршень делит цилиндр на две полости - поршневую (П) и штоковую (Ш). В поршневую полость подводится топливо, штоковая полость сообщается с окружающим воздухом. В исходном состоянии пружина удерживает поршень в крайнем левом положении. В гидроцилиндр подается топливо с высоким давлением, поршень начинает перемещаться в крайнее правое положение (прямой ход поршня), преодолевая сопротивление пружины, трение в уплотнении и нагрузку на шток от приводимых в движение элементов конструкции двигателя. Для перемещения поршня в исходное состояние (обратный ход поршня) поршневая полость соединяется со сливом, давление в ней снижается, и пружина возвращает поршень обратно в крайнее левое положение. Обратному ходу поршня препятствует остаточное давление в поршневой полости, трение в уплотнении и способствует или препятствует (в зависимости от конкретных условий) внешняя нагрузка на шток.

Гидроцилиндр двустороннего действия отли- чается 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 поршневую полость, то штоковая полость соединяется со сливом. И наоборот – при подаче топлива высокого давления в штоковую полость со сливом соединяется поршневая. Применяется и другая схема подключения гидроцилиндров двустороннего действия, когда в штоковую полость постоянно подводится топливо высокого давления. Преимуществами двусторонних цилиндров является полу- чение большего полезного усилия при обратном ходе поршня, а также меньшие размеры и масса. Недостатки заключаются в усложнении конструкции гидроцилиндра (наличие второго подвижного уплотнения), в необходимости использования более сложного внешнего узла управления подачей топлива, в применении дополнительных трубопроводов.

Основные геометрические параметры гидроцилиндра - диаметр поршня (dÏ), диаметр штока

(dØ) и ход поршня (h).

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

	FÃÖ = FÏ – FØ – FÏÐ ± FÒÐ,
ãäå FÏ	– усилие, создаваемое поршневой
	полостью (F	Ï	= Ð	Ï	π d 2/4);
					Ï

749

Глава 12 - Системы ГТД

Рисунок 12.2.1.6_2 - Гидроцилиндр одностороннего действия:

		П – поршневая полость;
		Ш – штоковая полость;
		1 – корпус (цилиндр); 2 – пор-
		шень; 3 – крышка; 4 – штуцер;
		5, 6 – кольца уплотнительные
		резиновые; 7, 8 – пружины;
		9 – крепежное отверстие
FØ		– усилие, создаваемое штоковой
FÏÐ		полостью (FØ = ÐØ π(dÏ2 – dØ2)/4);
		– усилие пружины (при отсутствии
FÒÐ		пружины FÏÐ = 0);
		– сила трения в уплотнениях (сила
		FÒÐ всегда противоположна
Ð		ñèëå FÃÖ);
		è Ð – избыточное давление топлива
	Ï	Ø в поршневой и штоковой полостях
		гидроцилиндра соответственно (для
		одностороннего гидроцилиндра
		ÐØ = 0).
Время срабатывания одностороннего гидроци-

линдра (τÃÖ) зависит от расхода топлива (QÏ), подаваемого в поршневую полость или сливаемого из нее:

τÃÖ = ∆VÏ/ QÏ ,

ãäå ∆VÏ – изменяемый объем поршневой полости (∆VÏ = πdÏ2 h/4).

Для двустороннего цилиндра:

τÃÖ = ∆VÏ/ QÏ = ∆VØ/ QØ,

ãäå QØ – расход топлива, подаваемого в штоковую полость или сливаемого из не¸;

∆VØ – изменяемый объем штоковой полости

(∆VØ = π(dÏ2 – dØ2) h/4).

Детали гидроцилиндров изготавливаются из легированных сталей и титановых сплавов. Уплот-

нения поршней и штоков осуществляются с помощью резиновых колец, резиновых и фторопластовых манжет. Высокие требования по шероховатости (не более Rа = 0,1 мкм) и точности изготовления предъявляются к рабочим поверхностям корпусов (цилиндров) и поршней. Для повышения износостойкости рабочие поверхности цилиндров и штоков азотируются, никелируются или хромируются.

На двигателях применяются самые разнообразные конструкции гидроцилиндров с различными сочетаниями геометрических параметров. Для примера на Рис. 12.2.1.6_2 показан гидроцилиндр одностороннего действия, предназначенный для привода заслонок перепуска воздуха и устанавливаемый на корпус КВД. Гидроцилиндр состоит из корпуса (цилиндра) 1, выполненного за одно целое со штоком поршня 2, крышки 3 со штуцером 4 для подвода (отвода) топлива и пружин 7 и 8. Уплотнение поршня и крышки осуществлено с помощью резиновых колец 5 и 6.

Параметры гидроцилиндра: dÏ = 59 ìì; dØ = 18 ìì; 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 корпусе винтами за фланец 9. Детали гидроцилиндра изготавливаются из легированных сталей. Для повышения износостойкости рабочая поверхность цилиндра азотируется, а у штока – хромируется.

На Рис. 12.2.1.6_3 представлен гидроцилиндр двустороннего действия, состоящий из корпуса (цилиндра) 1, поршня 2, крышки 3 с регулировоч- ным винтом 6 и соединенной с поршнем тяги 11. Для подвода и отвода топлива на крышке и корпусе предусмотрены штуцеры. Поршень и крышка уплотнены резиновыми кольцами 4, 5 и 7. Шток для повышения надежности уплотнен резиновым кольцом 16 и фторопластовой манжеты 14. Кроме того, на штоке установлены упругие металлические кольца 12 и 13, которые очищают рабочую поверхность корпуса от загрязнений, улучшая условия работы узла уплотнения. Параметры гидроцилиндра:

dÏ = 52 ìì; dØ = 30 ìì; hMAX = 60 мм. Регулировоч- ный винт 6 и имеющаяся на тяге 11 муфта позво-

ляют регулировать крайние положения поршня при прямом и обратном ходе. Крепится гидроцилиндр винтами за боковые приливы на корпусе через отверстия 8 и 10. Отверстие 9 предназначено для штифта, обеспечивающего повышение точности установки гидроцилиндра на двигатель. Детали гидроцилиндра изготавливаются из легированных сталей, кроме крышки, выполненной из титанового сплава. Для повышения износостойкости рабочие поверхности корпуса (цилиндра) никелированы.

750

Глава 12 - Системы ГТД

Рисунок 12.2.1.6_3 - Гидроцилиндр двустороннего действия:

П – поршневая полость; Ш – штоковая полость; 1 – корпус; 2 – поршень; 3 – крышка; 4, 5, 7, 15, 16 – кольца уплотнительные резиновые; 6 – винт регулировочный; 8 и 10 – крепежные отверстия; 9 – отверстие под штифт; 11 – тяга; 12, 13 – кольца пружинные металлические; 14 – манжета фторопластовая

Для обеспечения работоспособности гидроцилиндров, размещаемых в зонах с относительно высокой окружающей температурой, предусматривают различные способы охлаждения - обдув корпусов более холодным воздухом, выполнение в корпусах полостей и каналов для продувки охлаждающего воздуха, перепуск топлива через специальный жиклер в поршне, что позволяет отвести избыточное тепло в сливные линии. Кроме того, может применяться теплоизоляция гидроцилиндров и др.

Конструкция гидроцилиндров достаточно отработана на практике и обеспечивает необходимые безотказность и ресурс. Наличие дефектов обычно связано с нарушением условий эксплуатации. Чаще всего неисправностью гидроцилиндра является разгерметизация из-за механического или термического повреждения уплотнительных колец или манжет. Механическое повреждение колец становится возможным при нерасчетных боковых нагрузках, приводящих к касанию поршня или штока боковой поверхности цилиндра и ее повреждению (образование выработок).

Более подробно вопросы, касающиеся схем, конструкций, характеристик и расчета гидроцилиндров, изложены в специальной литературе [12.2.4.2].

12.2.1.7 - Топливные фильтры

Чистота топлива во многом определяет надежность 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 загрязнений посредством ее пропускания через пористые или ячеистые материалы. Чем меньше ячейки или поры, тем лучше очищается жидкость.

Фильтры условно подразделяют на поверхностные и глубинные. В поверхностных фильтрах ча- стицы загрязнений задерживаются, в основном, на поверхности фильтрующего материала, в глубинных – по всей его толщине. К фильтрам поверхностного действия относят фильтры с использованием металлических и неметаллических сеток, бумаги, тканей. К фильтрам глубинного действия относятся керамические и металлокерамические фильтры, а также некоторые типы бумажных фильтров.

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

751

Глава 12 - Системы ГТД

Одним из основных параметров фильтра является тонкость фильтрации. Различают абсолютную

èноминальную тонкость фильтрации. Абсолютная тонкость фильтрации соответствует максимальному размеру частиц, пропускаемых фильтром. Номинальная тонкость фильтрации соответствует размеру частиц, не менее 97 % которых задерживаются фильтром. Например, если указывается, что фильтр обеспечивает абсолютную тонкость фильтрации 25 мкм и номинальную 16 мкм, это означает, что в отфильтрованном топливе будут отсутствовать частицы размером более 25 мкм и будет содержаться не более 3 % частиц размером 16…25 мкм.

Âсистеме топливопитания двигателя устанавливается основной топливный фильтр (ОТФ) и ряд вспомогательных фильтров. ОТФ устанавливается перед насосом высокого давления и обеспечивает фильтрацию всего топлива, поступающего в двигатель. Вспомогательные фильтры устанавливаются на входе в отдельные агрегаты, а также в сливных магистралях, соединяющих агрегаты с основной магистралью топливопитания двигателя помимо ОТФ.

ОТФ должен удовлетворять следующим требованиям:

- обеспечивать необходимую степень фильтрации топлива в течение установленного межпромывочного ресурса;

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

- в конструкции фильтра должен быть предусмотрен перепускной клапан, открывающийся при нерасчетном засорении фильтроэлемента и обеспе- чивающий подачу топлива с необходимым расходом; - фильтр должен быть оборудован сигнализатором перепада давления, позволяющим опреде-

лить предельное засорение фильтроэлемента; - на фильтре должны быть установлены уст-

ройства (клапаны) для слива топлива из полости фильтроэлемента перед его снятием и для стравливания воздуха после его установки;

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

èэлектропроводки при съеме фильтроэлемента;

-фильтроэлемент должен быть легкосъемным. При снятии фильтроэлемента должна исключаться возможность попадания загрязнений в топливную систему;

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

-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 минимальными.

Для применения на отечественных ГТД разработаны топливные фильтры унифицированной конструкции. Основные параметры и размеры фильтров приведены в ОСТ1 03512-80, технические условия – в ОСТ1 00852-88.

Фильтры обеспечивают тонкость фильтрации: номинальную – 16 мкм; абсолютную – 25 мкм. По пропускной способности они поделены на 7 типоразмеров – с максимальным расходом топлива от 6000 до 20400 л/ч. Перепад давления на фильтре при максимальном расходе топлива для каждого типоразмера не превышает 0,2…0,3 кгс/см2. Перепускной клапан настроен на давление открытия 0,7…0,8 кгс/см2. Фильтры имеют электрический сигнализатор перепада давления на фильтроэлементе, срабатывающий при повышении перепада до (0,4 ± 0,1) кгс/см2. Для слива топлива и стравливания воздуха на фильтрах установлены шариковые клапаны. Фильтры рассчитаны на эксплуатацию при рабочем давлении топлива до 10…20 кгс/см2 (в зависимости от типоразмера) и температуре до 180°С. Окружающая температура может составлять до 350°С. Герметичность и прочность фильтров

проверяется при давлении, равном 1,5·ÐÐÀÁ, при этом фильтры не должны разрушаться при давле-

нии менее 3·ÐÐÀÁ (ãäå ÐÐÀÁ – максимальное рабочее давление топлива).

Пример фильтра унифицированной конструкции приведен на Рис. 12.2.1.7_1.

Фильтр состоит из корпуса 1 с фланцами для подвода и отвода топлива, установленного в корпусе перепускного диафрагменного клапана 6, стакана 7, который крепится к корпусу с помощью резьбы, и фильтроэлемента 8, размещенного между дном стакана и перепускным клапаном. Снаружи на корпусе фильтра установлены электрический сигнализатор перепада давления 4 и клапан для стравливания воздуха 2. В нижней части стакана имеется сливной клапан 9. Фильтроэлемент содержит перфорированные каркас 10 и защитный кожух 12, между которыми размещена фильтрующая сетка 11 из никелевой проволоки саржевого плетения, выполненная с продольными гофрами в виде цилиндра. Такая форма придается сетке для того, чтобы при относительно небольших размерах фильтроэлемента обеспечить достаточную величину фильтрующей поверхности. В данном случае это около 0,48 м2. Для повышения прочно-

752

Глава 12 - Системы ГТД

сти с внутренней стороны фильтрующей сетки установлена более грубая защитная сетка из стальной нержавеющей проволоки. По торцам сетки и каркас привариваются к фланцам фильтроэлемента. Крепление фильтра осуществляется за специальные ушки (приливы) 3, 5 и 13 с отверстиями, имеющиеся на корпусе.

При работе двигателя топливо через входной фланец поступает в стакан, проходит через фильтроэлемент и отводится через выходной фланец. При полном засорении фильтроэлемента возрастает перепад давления между входом и выходом из фильтра, открывается перепускной клапан

и топливо проходит через фильтр, минуя фильтроэлемент. За некоторое время до этого (т.е. при меньшем перепаде давления) срабатывает электрический сигнализатор, выдавая сигнал в систему контроля о засорении фильтра. Для замены фильтроэлемента из полости фильтра сливается топливо через сливной клапан 9, отворачивается стакан, вместо загрязненного фильтроэлемента устанавливается чистый. После заворачивания стакана че- рез клапан 2 стравливается воздуха и фильтр заполняется топливом.

Максимальная пропускная способность фильтра 12000 л/ч. Корпус фильтра выполнен из алюминиевого сплава, детали стакана – из титановых сплавов, остальные детали – из нержавеющей стали, титановых и алюминиевых сплавов.

При наличии больших потребных расходов топлива (например, в ТРДФ и ТРДДФ) применяют многосекционные основные топливные фильтры с унифицированными фильтроэлементами. Многосекционные фильтры имеют меньшую массу, размеры и более удобны в обслуживании по сравнению с односекционными фильтрами такой же пропускной способности.

Пример конструкции многосекционного фильтра показан на Рис. 12.2.1.7_2. В корпус 1 ввернуты стаканы 2 и 6, в которых размещены одинаковые фильтроэлементы 3 и 7. Конструкция

Рисунок 12.2.1.7_1 - Основной топливный фильтр
унифицированной конструкции
1 – корпус; 2 – клапан стравли-
вания воздуха; 3, 5, 13 – ушки
для крепления фильтра;	Рисунок 12.2.1.7_2 - Двухсекционный основной топ-
4 – электрический сигнализа-	ливный фильтр
тор перепада давления; 6 – пе-	1 – корпус; 2, 6 – стаканы;
репускной клапан; 7 – стакан;	3, 7 – фильтроэлементы;
8 – фильтроэлемент; 9 – слив-	4, 5 – перепускные клапаны;
ной клапан; 10 – каркас;	8 – кран сливной; 9 – электри-
11 – фильтрующая сетка;	ческий сигнализатор перепада
12 – защитный кожух	давления

753