CC BY
170
НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ. Н. Э. БАУМАНА
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл № ФС77 - 4S211. Государственная регистрация №0421200025. ISSN 1994-0408
электронный научно-технический журнал
Агрегаты хранения жидкости авиационных
гидросистем.
# 12, декабрь 2012
Б01: 10.7463/0113.0513812
Шумилов И. С., Солотёнков Н. П., Виноградова Т. Г.
УДК 62-522.2
Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана Россия, ОАО «Туполев» shumilov-it@yandex. щ
К ним относятся гидравлические и дренажные баки с системой наддува или поддавливания. Гидробаки предназначены: для хранения необходимого запаса жидкости; обеспечения подачи жидкости в насосы на всех режимах полёта, включая положительные и отрицательные перегрузки по трём координатным осям самолёта; для сепарации газа, если нет в ГС дополнительных устройств; для компенсации объёмов рабочей жидкости при изменениях её температуры и давления, ошибках обслуживающего персонала при дозаправке ГС жидкостью, при работе дифференциальных агрегатов, расчётных утечках рабочей жидкости в эксплуатации; для уменьшения пенообразования; для ограничения давления в баке; для сброса излишков жидкости и т. д.
1
Рисунок 1 - Простейшая схема ГБ открытого типа. 1-оболчка; 2-заливная горловина (не рекомендуется к применению); 3-наддув; 4-датчик дистанционного уровнемера; 5-противоперегрузочная перфорированная перегородка; 6-питание насоса; 7-сливной кран; 8-слив из ГС; 9-визуальный уровнемер (в настоящее время применяется редко).
Гидробаки бывают открытого и закрытого типов. Гидробаки открытого типа (рис. 1) представляют собой тонкостенную ёмкость, позволяющую
содержать заданное количество жидкости и обеспечивать выше приведённые требования, при этом гарантируется заданная статическая и циклическая прочность его оболочки.
Гидробаки открытого типа имеют простую и надёжную конструкцию без подвижных частей, но обладают большими габаритами и требуют наличия дренажного бака (рис. 1, 2.), а также сложной и тяжёлой системы его наддува, не обеспечивают работу насосов при длительных перегрузках, включая отрицательные. Без применения специальных противоперегрузочных камер, ухудшают условия эксплуатации рабочей жидкости из-за её постоянного контакта с воздухом или азотом.
Дренажные баки подключаются к основным и служат для сброса жидкости, пены и её паров при ошибках во время заправки ГС жидкостью и расчётных колебаниях уровня жидкости в баке. Дренажные баки предохраняют конструкцию и воздушную среду самолёта от жидкости и её паров. Дренажный бак устанавливается один на все баки ГС, если позволяют компоновочные условия, или на каждый бак ГС свой дренажный бак (рис. 2 и 3.)
Рисунок 2 - Пример схемы подключения дренажного бака. 1-основной бак, 2-штуцер системы наддува, 3-дренажный бак, 4-кран для слива жидкости из дренажного бака, 5-трубопровод для несанкционированного сброса
излишков жидкости и пены за борт.
Рисунок 3 - Пример конструкции дренажного бака. 1-корпус, 2-горловина, 3-штуцер для трубопровода, соединяющего дренажный бак с основным, 4 и 5-горловина и штуцер для трубопровода сброса излишков жидкости и пены, 6-горловина, 7-штуцер слива жидкости и пены на регламентных работах, 8-перфорированная перегородка.
На рис. 4. показан пример системы наддува баков открытого типа с наддувом воздухом, которая функционирует от баллонов высокого давления (до 150 кг/см )
с сухим газом (воздухом), обеспечивая высокую надёжность благодаря отсутствию влаги в заправленном в баллоны газе. Предусмотрены аварийные системы наддува от системы кондиционирования воздуха (СКВ), где присутствует влажный воздух, требующий специальных устройств для осушения поступающего воздуха от СКВ.
Гидробаки открытого типа широко применяются на пассажирских, транспортных и неманёвренных самолётах, например: ТУ-134, Ту-154, Ту-144,Ту-204,Ту-334, Ил-86, Ил-96, В -707, В-727, В-737, В-747, А-300,А-310,А-320 и др.
Рисунок 4 - Пример системы наддува гидробаков открытого типа с баллоном
воздуха высокого давления, применяемой на самолёте Ту-154 [1]. 1-регулятор давления, 2-воздушный баллон, 3-обратный клапан, 4-воздушный
фильтр, 5- воздушный фильтр, 6-манометр, 7-клапан сброса давления, 8-манометр, 9-предохранительный клапан, 10-регулятор давления, 11 -дренажный бак ГС №3, 12-сливной кран, 13-влагоотделитель, 14-редуктор, 15-бортовой зарядный штуцер, 16-запорный клапан, 17-дренажный бак ГС №1 и №2.
Гидробаки закрытого типа в отличии от гидробаков открытого типа не имеют прямого контакта жидкости с воздухом или азотом благодаря наличия подвижного разделительного поршня, наиболее часто применяемого на манёвренных ( F100-105, F111, Ягуар, Су, МиГ, беспилотные ЛА и др.) и некоторых пассажирских (Ь-1011, DC-9, DC-10 и др.) самолётах, или гибкой мембраны (металлического сильфона, как, например, на Конкорде).
Рис. 5. Схема блока питания ГС с гидробаком закрытого типа [2]. 1-корпус, 2-неподвижный блок, 3-поршеннь, 4-уплотнение, 5-подвижный блок, 6-пружина, 7-насос, 8-фильтр, 9-предохранительный клапан (ПК) линии нагнетания, 10-теплообменник, 11 -ПК линии слива из корпуса бака.
Гидробаки закрытого типа позволяют повысить ресурс рабочей жидкости и её жёсткость из-за существенного уменьшения в ней количества растворимого воздуха или газа, позволяют применить вакуумирование рабочей жидкости при её заправке в ГС. Гидробаки закрытого типа имеют меньшие габариты, некритичны к пространственному расположению, некритичны к перегрузке, имеют более простую систему наддува. Однако имеют много подвижных частей, сложнее в изготовлении, имеют ограниченный ресурс, меньшую по сравнению с баками открытого типа надёжность.
На рис. 5 представлен пример схемы блока питания ГС с гидробаком закрытого типа. В этой схеме имеется пружина 6, взаимодействующей с
подвижным штоком 5. Усилие Рпр сжатой пружины обеспечивает необходимое
2 2
давление всасывания рвс=4Рпр/л(Б -ё ) на входе в насос при запуске двигателя самолёта. После запуска давление всасывания обеспечивается в основном за счёт поддавливания рабочим давлением рн гидросистемы в соответствии с соотношением
п б2 4Р
р _ Нни +__пр
Рвс й2 - б2 п(Б2 - б2) , (1)
где второе слагаемое может работать или не работать после запуска двигателя в зависимости от предъявляемых требований конструктора. На рис. 6 представлена конструктивная схема гидробака закрытого типа.
Рисунок 6 - Конструктивная схема гидробака закрытого типа [4]. 1-поршень, 2-корпус, 3- , 4-шток, 5-пружина, 6-направляющая внутренняя, 7-поршеннь поддавливания с направляющей внешней, 8-уплотнение, АА-штуцер стравливания воздуха, В-штуцер линии нагнетания ГС, С и Е-штуцера линии слива ГС, А и Б-штуцера линии всасывания ГС, О-полость поддавливания
поршня с давлением рн.
Расчёт основных геометрических размеров гидробака открытого типа
(рис. 7.).
Рисунок 7 - Расчётная схема простейшего гидробака открытого типа для определения его основных геометрических размеров. Высота Их определяется свободным протеканием жидкости между патрубком и днищем бака. Площадь Ркщ кольцевой щели должна быть > площадиРвс всасывающего патрубка, тогда
ТТГ\ 2 Н 2
пйЛ , Ь > п 1 4 ' 1 4сП
(2)
1. Высота Ь2 необходима при отрицательной перегрузке по оси у. При &Пу (0 в ^ находится газ, а жидкость под действием &Пу (0 будет перетекать
через перфорированную перегородку в верхнюю часть бака. Объём перетечек жидкости Упер = Опе^-АПу где Опер - расход жидкости через п отверстий
перфорации в перегородке в течение времени С&п действия отрицательной
перегрузки.
Опер 2&ПуН Ь пер
V
пер
Б
(3)
В большинстве конструкций гидробаков разделительная перегородка выполняется без перфорации, а для удаления воздуха (газа) используется противоперегрузочный клапан и в этом случае Опер=0.
Необходимо учитывать уход жидкости из бака при работе агрегатов с дифференциальными площадями поршней гидроцилиндров, например, шасси,
интерцепторов и т.д.
V'
V' = V ^
' да
да
I
(4)
где -объём жидкости, забираемый из бака при работе дифференциальных
агрегатов во время действия отрицательной перегрузки, - объём жидкости, необходимый для выполнения полного цикла движения дифференциального
агрегата за время ^да, &пу -время действия отрицательной перегрузки.
к = V-
Э .
Необходимо не допускать всасывания воздуха (газа) в магистраль питания насоса при максимально близком положении уровня жидкости к всасывающему
патрубку и предусмотреть запас высоты на воронкообразование Леор:
Л2 = Лпер + + Кор . (5)
Целесообразно коструктивно не допускать перетечек жидкости через
противоперегрузочную перегородку и тогда Лпер = 0. 2.
h3 - высота всасывающего диффузора
лб1 _ б2
Ресд)Рес пбвсК Кз) ~ес
ес. д/' ес ""ес. д 3/ . 3/ „.
4 ' 4бес.д . (6)
3. После окончания действия отрицательной перегрузки придонный воздушный пузырь перемещается под противоперегрузочную перегододку, занимая высоту 11вп и удаляется в верхнюю часть бака через отверстия в ней.
Засасывание воздуха и образования воронки не должно происходить. Дефлектор улучшает условия всасывания жидкости, уменьшает вероятность образования воронки (необходимая величина 11е уменьшается) и засасывания воздуха:
Н = Кеп + К = (К + Кпер + Л') + К . (7)
4 Л
5 -для компенсационного запаса жидкости. Компенсация объёма жидкости для работы агрегатов с
дифференциальными площадями поршня гидроприводов - К . Компенсация температурного расширения жидкости:
ДУ, = Vт -V. V, = V ос(1 + а + а2,2) к (8)
'тт 'тах 5 ^ ^ 5 Э V /
Компенсация изменения объёма жидкости при изменении давления от
р р ДУ = V - V Т-Т * ..
ат до . сж Ратм Рном . При этом учитывается объём жидкости в
магистралях и агрегатах высокого давления.
V = ^ (1 - вДР) , Д = VРатм вДР , Лсж = ^ . (9)
Компенсация ошибки уровнемера, которая зависит от типа прибора и может достигать несколько процентов от измеряемого объёма:
Л
Э .
Компенсация ошибки заправки жидкости в бак. Зависит в основном от
еческого фактора бак ошибочно, получим
«человеческого фактора», задаваясь ± 'запр объёмом жидкости, запрвляемым в
Л - Д Vзапр
запр
Э
Компенсация внешних утечек жидкости по всем подвижным и неподвижным уплотнениям во всей гидросистеме в целом во время полёта и
стоянки самолёта, которая регламентируется Руководством по эксплуатации
~ л .. &V
самолёта и может составить суммарный объём жидкости ут, тогда
Ь
ут Б ■
Интегральный уровень жидкости в баке над противоперегрузочной перегородкой составит
Ь = ь+Ьсж+Ь
ур + Ьзапр + Ьут
(10)
5 ^ V
1 азовая полость газп над максимальным уровнем жидкости
обычно составляет -10^15 % от общего объёма жидкости в баке. При этом
система наддува баков гарантирует поддержание необходимого давления в баках
при возникновении 3-х последовательных отказов в системе наддува.
Ь = Ь = ^азп
газ.п "6 б .
ьоткр
6. Суммарная высота 2 гидробака открытого типа составляет
ьоткр = Ь+ь2 + Ьз+ь4+Ь5+Ьб (11)
7. Соотношение диаметра ё и высоты И (принимая для упрощения написания выкладок Ь = Ь0ткр) гидробака открытого типа влияет на массу тонкостенной оболочки [3], которая по прочности должна выдерживать давление наддува, и выбирается обычно по компоновочным соображениям и минимума массы т. Приняв необходимый общий объём бака за У, запишем:
У=лё\/4
и общая площадь А внешней оболочки гидробака
А=Ацилиндра+2 Б дна=лёЬ+2лё2/4=4У/ё+лё2/2. (12)
Графически эти зависимости представлены на рис. 8.
1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
.8
M
Рис.8. Зависимость площади А поверхности оболочки ГБ от его диаметра d при
различных его объёмах V=Const.
1 - площадь А1 при V1=40л; 2- площадь А2 при V2=60л; 3- площадь А3 при V3=80л; 4- площадь донных частей бака nd /2 при V1; 5- площадь цилиндрической части бака 4V/d при V1.
При одинаковой толщине стенки оболочки ГБ для цилиндрической части и дна и крышки зависимости площади от диаметра могут быть пропорционально преобразованы в зависимости массы гидробака от его диаметра, имеющую вполне определённый минимум при d^. При проектировании гидробака предпочтительно выбирать его диаметр вблизи d^, если позволяют компоновочные условия в данном отсеке самолёта.
Расчёт основных геометрических размеров гидробака закрытого типа существенно упрощается, благодаря отсутствию противоперегрузочной камеры, отсутствию открытого уровня жидкости и возможности образованию воронки, отсутствию крупных объёмов газа. Высота ГБ в основном определяется ходом поршня, который составляет
hзакр = h' + h + h + h + h + h (( homKp
иъ ri -1-^4- 11сЖ T 11ур T П3апр T llym W 11ъ (13)
Список литературы
1. Волошин Ф.А., Кузнецов А.Н., Покровский В.Я., Соловьев А.Я. Самолёт Ту-154. Конструкция и техническое обслуживание: учеб. пособие : в 2 кн. М.: Машиностроение, 1975. Кн. 1. 291 с.; Кн. 2. 250 с.
2. Системы оборудования летательных аппаратов / Под ред. A.M. Матвеенко и В.И. Бекасова. М.: Машиностроение, 1995. 368 с.
3. Шумилов И.С. Системы управления рулями самолётов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. 472 с.
4. Wang Zhanlin, Li Peizi. Airplane Fluid Drive and Servocontrol. China National Defense Industry Press, 1980.
SCIENTIFIC PERIODICAL OF TIIE BAUMANMSTU
SCIENCE and EDUCATION
EL № FS77 - 48211. №0421200025. ISSN 1994-0408
electronic scientific and technical journal
Units for storing liquids in aviation hydraulic systems.
# 12, December 2012
DOI: 10.7463/0113.0513812
Shumilov I.S., Solotenkov N.P., Vinogradova T.G.
Russia, Bauman Moscow State Technical University
Tupolev JSC shumilov-it@yandex. ru
This article presents schema and constructions of hydraulic tanks of open and closed types used in passenger and maneuverable aircraft. The authors propose a technique of calculation of the necessary volume of fluid for hydraulic tanks of open and closed types; this method takes into account all flight regimes, including flights with a negative overload. The design procedure of the tank geometry which would have an optimal weight is also presented in the article, along with the scheme of open type tank pressurization with high-pressure dry air and reserve pressure boost from the cabin air-conditioner, the scheme of connection and design of the vent tank.
Publications with keywords: aircraft, hydraulic tank Publications with words: aircraft, hydraulic tank
References
1. Voloshin F.A., Kuznetsov A.N., Pokrovskii V.Ia., Solov'ev A.Ia. Samolet Tu-154. Konstruktsiia i tekhnicheskoe obsluzhivanie : v 2 kn. [Aircraft Tu-154. Construction and maintenance : in 2 vols.]. Moscow, Mashinostroenie, 1975, vol. 1. 291 p.; vol. 2. 250 p.
2. Matveenko A.M., Bekasov V.I. Sistemy oborudovaniia letatel'nykh apparatov [Systems of equipment of flying vehicles]. Moscow, Mashinostroenie, 1995. 368 p.
3. Shumilov I.S. Sistemy upravleniia ruliami samoletov [The control systems of the rudders of aircraft]. Moscow, Bauman MSTU Publ., 2009. 472 p.
4. Wang Zhanlin, Li Peizi. Airplane Fluid Drive andServocontrol. China National Defense Industry Press, 1980.
