CC BY
179
Наука и Образование
МГТУ им. Н.Э. Баумана
]Э5М 15Э4-040В
Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2017. № 02. С. 28-51.
Б01: 10.7463/0217.0000946
Представлена в редакцию: Исправлена:
© МГТУ им. Н.Э. Баумана
08.01.2017 22.01.2017
УДК 678-404: 629.735.063
Анализ надежности и отказобезопасности авиационных топливных систем, перспективы альтернативных путей повышения надёжности топливных систем
Шумилов И.С.1'", Шульжицкий А.А.
1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
1
Анализ топливных систем представляет собой важнейший этап в создании АТС, начиная от решения обликовых задач и кончая конструкторскими решениями по системе и её элементам. Анализ проводится с учётом требований норм летной годности АП25 к АТС и имеет основной целью повышение надёжности АТС и отказобезопасности эксплуатации самолета. В работе рассмотрены требования к конструкции АТС, основные конструктивные требования к АТС, надёжность, конструктивные мероприятия по предупреждению отказов АТС, проведено сравнение надёжности и отказобезопасности АТС с авиационными гидравлическиими системами (АГС), рассмотрены так же перспективы альтернативных путей повышения надежности топливных систем, а также разработаны рекомендации по повышению надежности компонентов трубопроводных систем и трубопроводных систем в целом на основе выбора конструктивных решений. Построение АТС и АГС должно основываться на единых принципах, обеспечивающих наивысшую надёжность и безопасность полётов. Однако в настоящее время этот принцип соблюдается недостаточно и АТС существенно проигрывает в надёжности и отказобезопасности в сравнении с АГС. Предлагаемые улучшения путем применения резервирования элементов топливной системы существенно увеличат надежность топливной системы пассажирского самолета, которая будет без серьезных последствий для полета выдерживать до 2 отказов, по надежности и отказобезопасности будет аналогична АГС
Ключевые слова: авиационные топливные системы, надежность и отказобезопасность, топливные системы, нормы летной годности самолётов, авиационные гидравлические системы, подача топлива в двигатели, топливные насосы, основные и аварийные насосы, трубопроводы и арматура топливной системы, топливные краны
Введение
Анализ топливных систем представляет собой важнейший этап в создании АТС, начиная от решения обликовых задач и заканчивая конструкторскими решениями по системе и её элементам. Анализ проводится с учётом требований норм летной годности АП25 к
АТС и имеет основной целью повышение надёжности АТС и отказобезопасности эксплуатации самолета.
В работе рассмотрены требования к конструкции АТС, основные конструктивные требования к АТС, надёжность, конструктивные мероприятия по предупреждению отказов АТС, проведено сравнение надёжности и отказобезопасности АТС с авиационными гидравлическиими системами (АГС), рассмотрены так же перспективы альтернативных путей повышения надежности топливных систем, а также разработаны рекомендации по повышению надежности компонентов трубопроводных систем и трубопроводных систем в целом на основе выбора конструктивных решений.
Крайне целесообразно вести проектирование АТС и АГС в соответствии с Авиационными правилами АП25 [1] и Руководством по предотвращению авиационных происшествий ИКАО [2], что позволит снизить вероятность возникновения аварийных ситуаций, а в ряде случаев даже избежать появления тяжелых катастроф.
Здесь под авиационной топливной системой (АТС) понимается весь комплекс устройств, существенно определяющий надёжность и безопасность полета и обеспечивающий хранение топлива в баках и его подачу в камеру сгорания двигателя, а также при необходимости перекачку топлива для балансировки самолёта. Под авиационной гидравлической системой (АГС) понимается комплексная система самолёта, так же существенно определяющая надёжность и отказобезопасность полета, в состав которой входят все гидравлические подсистемы самолёта, включая энергетические гидроситемы (ЭГС), гидравлические системы управления рулями (СУР) и механизацией крыла с гидроприводами (СУМК), системы управления выпуском и уборкой шасси (СУШ) и ряд других подсистем с гидравлическими приводами.
Основные требования норм АП25 к топливной системе самолета
25.955. Подача топлива в двигатели
а) Каждая топливная система должна обеспечивать подачу топлива с расходом не менее 100% расхода, необходимого для двигателя при каждом ожидаемом эксплуатационном режиме и маневре. Должно быть показано следующее:
1) топливо должно подаваться в каждый двигатель под давлением и с температурой в пределах, указанных в сертификате типа двигателя;
2) при испытаниях количество топлива в рассматриваемом баке не должно превышать величины, установленной в виде не вырабатываемого остатка топлива для этого бака в соответствии с требованиями параграфа 25.959, плюс количество топлива, необходимого для демонстрации соответствия требованиям данного параграфа;
3) каждый основной топливный насос должен обеспечивать каждый режим, а соответствующий аварийный насос должен быть в состоянии заменить основной насос, используемый таким образом;
4) при наличии расходомера топливо должно свободно проходить через расходомер, если он заблокирован, либо через каналы перепуска.
Ь) Если двигатель может питаться топливом более чем из одного бака, топливная система должна:
1) обеспечивать для каждого поршневого двигателя восстановление полного давления топлива, поступающего в этот двигатель, не более чем через 20 с после переключения на любой другой топливный бак, содержащий используемое топливо, если становится очевидным, что нарушение работы двигателя вызвано недостаточным количеством топлива в баке, из которого двигатель до этого питался, и
2) для каждого газотурбинного двигателя дополнительно к соответствующему ручному переключению иметь устройство, предотвращающее перебои подачи топлива к этому двигателю без участия экипажа в случае, если топливо в любом баке, питающем этот двигатель, выработано в процессе нормальной работы, а в любом другом баке, из которого обычно подается топливо только к этому двигателю, содержится используемый запас топлива.
(А) Подача топлива должна:
(1) быть продемонстрирована при наихудших условиях подачи топлива на самолете в отношении высоты полета, пространственного положения самолета и других условий:
- при неработающих баковых насосах подкачки;
- при подаче топлива в два двигателя из одного бака с открытым краном кольцевания.
25.957. Межбаковая перекачка топлива
Если в полете имеется возможность перекачки топлива из одного бака в другой, то система дренажа баков и система перекачки топлива не должны допускать повреждения конструкции баков в случае их переполнения.
Агрегаты и элементы топливной системы
25.991. Топливные насосы
а) Основные насосы. Каждый топливный насос, необходимый для правильной работы двигателя или для удовлетворения требований к топливной системе, изложенных в данном разделе (за исключением требований пункта (Ь) настоящего параграфа),
считается основным насосом. Для каждого основного насоса объемного типа должна быть предусмотрена возможность перепуска избыточного количества топлива. Исключение делается для насосов непосредственного впрыска топлива, одобряемых как часть двигателя. К насосам непосредственного впрыска относятся насосы, обеспечивающие впрыск топлива непосредственно в двигатель, а не в карбюратор,
Ь) Аварийные насосы. В топливной системе должны быть предусмотрены аварийные насосы или дополнительный основной насос для питания каждого двигателя топливом после выхода из строя любого основного насоса (кроме насоса непосредственного впрыска топлива, который одобряется как часть двигателя). Т.е. резервирование насоса непосредственного впрыска топлива в двигатель, который одобряется как часть двигателя, не требуется, в то время как в гидросистемах (АГС) по АП25 гидронасосы резервируются как минимум трижды.
25.993. Трубопроводы и арматура топливной системы
a) Каждый топливный трубопровод должен быть установлен и закреплен так, чтобы он не испытывал чрезмерной вибрации и выдерживал нагрузки от давления топлива и воздействия полетных перегрузок в ожидаемых условиях эксплуатации.
b) Во всех трубопроводах топливной системы, соединенных с частями самолета, между которыми возможно относительное перемещение, должны быть предусмотрены меры, обеспечивающие необходимую гибкость (подвижность).
c) В каждом гибком соединении трубопроводов топливной системы, которые могут находиться под давлением и подвергаться воздействию осевых нагрузок, должны применяться гибкие шланги или другие компенсирующие элементы
ё) Гибкий шланг должен быть одобренного типа или должно быть показано, что он пригоден для данного применения.
е) Гибкие шланги, на которые неблагоприятно воздействуют высокие температуры, не должны устанавливаться в местах, где во время работы двигателя или после его выключения имеют место высокие температуры.
^ Конструкция и установка всякого трубопровода топливной системы внутри фюзеляжа должны допускать приемлемую деформацию и удлинение без течей.
25.994.Компоненты топливной системы
Компоненты топливной системы в гондоле двигателя или в фюзеляже должны быть защищены от повреждения, результатом которого могло бы быть вытекание такого количества топлива, чтобы создалась угроза пожара при посадке с убранным шасси на взлетно-посадочную полосу с твердым покрытием.
25.995. Топливные краны
В дополнение к требованиям 25.1189 к перекрывным устройствам каждый топливный кран должен:
a) [б ы т ь з а р е з е р в и р о в а н];
b) быть закреплен таким образом, чтобы нагрузки, возникающие при работе крана или в полетах с перегрузками, не передавались на подсоединенные к крану трубопроводы.
25.997. Топливные фильтры
Между заборником топлива из бака и входом либо в приводимый двигателем насос объемного типа, либо в топливо регулирующую аппаратуру, в зависимости от того что ближе к баку, должен устанавливаться сетчатый или другой топливный фильтр. Такой топливный фильтр должен:
a) быть доступным для слива отстоя или очистки и иметь быстросъемную сетку или элемент;
b) иметь отстойник со сливом, за исключением случая, когда слив не нужен, если сетчатый или другой фильтр легко снимается для этой цели;
c) быть установлен таким образом, чтобы его масса не нагружала присоединенные трубопроводы или входной и выходной штуцеры самого фильтра, если не предусмотрены достаточные запасы прочности трубопроводов и штуцеров при всех случаях на-гружения;
ё) иметь пропускную способность (с учетом эксплуатационных ограничений, установленных для двигателя), обеспечивающую нормальную работу топливной системы двигателя на топливе, загрязненном до степени (в отношении размера частиц и их концентрации в топливе), превосходящей установленную для двигателя Частью 33 Авиационных Правил.
Сравнение АТС и АГС с точки зрения надежности и отказобезопасности.
В этом разделе приводится сравнение топливной системы пассажирского самолета и его гидравлических систем (АГС) и систем управления рулями (СУР) с точки зрения надежности и отказобезопасности при выполнении требований норм АП25. На рис.1. приведен пример типовой схемы топливной системы двух двигательного пассажирского самолета.
Рис.1. Пример типовой схемы топливной системы двух двигательного пассажирского самолета, где:
[<—| - заслонка управляемая \7 - струйный насос
А - штуцер запрабки
- кран топлидный перекрыдной с электроприводом
лЧ - клапан топлидный разгруженный
- кран топлидный перекрыдной ¡^{Ц) днутрибакодый с ддумя
злектроддигателям и
- клапан слида отстоя
©Щ>- топлидный электронасос центробежный
—ОЛ - сигнализатор дадления
- обратный клапан
Н1- термоклапан —[X]-- кран слидной
-О - клапан топлидный попладкодый
- поршнедой клапан перекачки или запрадки
- клапан обратный топлидный
- теплообменник
^—4Х] - штуцер консердации
Согласно АП-25 в СУР и АГС любой один отказ (гидравлический или электрический), сочетание 2-х электрических отказов, а также один электрический и один механический отказ не приводит ни к каким серьезным последствиям для самолета.
Проанализируем схему типовой топливной системы самолета. Что произойдет с самолетом при появлении расчетных одиночных отказов и их сочетаний в АТС: двух электрических отказах, а также механическом и электрическом отказах?
Изначально в каждом двигателе данного самолета присутствует только 1 основной топливный насос высокого давления с регулятором в виде сервопоршня, золотника и дозирующей иглы, выполняющей функцию управляемого дросселя. В АП25 п.25.991.Ь. записано: «В топливной системе должны быть предусмотрены аварийные насосы или дополнительный основной насос для питания каждого двигателя топливом после выхода из строя любого основного насоса, кроме насоса непосредственного впрыска топлива, который одобряется как часть двигателя». Заклинивание золотника или сервопоршня, разрушение элементов насоса приведет к выходу насоса из строя и отказу двигателя. Это соответствует Сложной ситуации (СС) по классификации АП25.
При возникновении аналогичного второго отказа на другом двигателе произойдет заглохание второго двигателя, что повлечет за собой управляемое планирование самолета с посадкой вне посадочной полосы. Это аварийная ситуация (АС), переходящая с большой вероятностью в ситуацию катастрофическую (КС).
По сравнению с АГС и СУР топливные системы (АТС) существенно проигрывают по надежности и отказобезопасности как по требованиям, изложенным в АП25, так и в реализации на самолетах.
Аналогичные рассуждения можно провести и по пожарным кранам, закрывающих подачу топлива в двигатель при возникновении пожара по команде экипажа. Однако пожарный кран перекроет подачу топлива в двигатель и при одном ложном электрическом сигнале - последует отказ двигателя, а при втором ложном электрическом сигнале - последует отказ второго двигателя с последствиями, указанными выше. Возможны и другие ситуации при возникновении расчетных отказов в АТС, которые приводят к УУП, СС, АС по классификации АП25, в то время как при возникновении аналогичных расчетных отказов в АГС полетные условия либо вообще не ухудшаются либо отражаются на полете гораздо мягче и безопасней.
Рассмотрим возможные усовершенствования АТС на примере типовой топливной системы (рис.1.), которые позволят повысить надежность и отказобезопасность до уровня АГС.
На рис.2. представлен только один основной топливный насос, который в соответствии с АП25 одобряется как часть двигателя, но его одиночный отказ приводит к отказу двигателя, изменению плана полета, что вызывает по квалификации АП25 сложную ситуацию (СС), а отказ второго насоса - отказу второго двигателя, что квалифицируется как аварийная ситуация (АС), переходящая с большой вероятностью в катастрофическую ситуацию (КС).
Двигатель №1
Рис.2. Основной топливный насос с регулятором в двигателе.
Предлагается поставить в двигатель второй насос параллельно первому, который будет работать в случае, если первый откажет по каким либо причинам. Второй насос может приводиться, как и первый от коробки самолетных агрегатов (КСА) или от дополнительного электродвигателя и включаться после отказа первого.
Рис.3. Предлагаемые улучшения - установка второго (резервного) топливного насоса с регулятором.
Система подачи топлива к двигателю состоит из термоклапана и пожарного крана, который закрывается в полете только в одном единственном случае: если двигатель загорелся, и нужно срочно перекрыть подачу топлива к нему. С точки зрения отказобезопасности по сравнению с АГС данная схема не выдерживает никакой критики: при одном электрическом отказе (ложный сигнал), система выйдет из строя и двигатель заглохнет. На рис.4. Представлена система подачи топлива к двигателю в зоне пожарного крана.
Двигатель №1
Рис.4. Система подачи топлива к двигателю в зоне пожарного крана.
На рис.5. предложены улучшения в системе подачи топлива к двигателю в зоне пожарного крана. Предлагается сделать пожарный кран с 2-х цепевым управлением (т.е. он срабатывает только при обоих замкнутых контактах), также параллельно добавить такой же пожарный кран и последовательно опять такой же, но двухмоторный и двухцепевой пожарный кран параллельно ему тоже поставить кран одномоторный двухцепевой. Данная схема без последствий выдержит 2 электрических отказа, которые включают в себя: выход из строя по разным причинам приводящего электродвигателя, подача ложного электрического сигнала на один или два контакта.
Рис.5. Предлагаемые улучшения в системе подачи топлива к двигателю в зоне пожарного крана.
Рассмотрим подробно бак №2 с точки зрения отказобезопасности. В случае если электродвигатель, приводящий в движение подкачивающий насос, выйдет из строя, а также выйдет из строя поплавковый клапан, позволяющий топливу стекать в предрасходный отсек самотеком на случай отказа насоса, то топливо останется в баке №2 «взаперти». Т.е. данная схема не выдерживает сочетание из одного электрического и одного механического отказов.
Рис. 6. Бак №2
Чтобы предотвратить описанную выше ситуацию, предлагается в бак №2 поставить второй подкачивающий насос, аналогичный первому. Тогда, на случай выхода из строя первого насоса и поломки поплавкового клапана, второй насос будет качать топливо в предрасходный отсек.
Рис.7. Предлагаемые улучшения в баке №2.
На рис.8. изображена схема предрасходного отсека, в который топливо поступает из бака №2 и откуда оно поступает в насосный отсек. Проанализировав предрасходный отсек, можно сделать выводы, что его схема не нуждается ни в каких улучшениях.
Рис. 8. Предрасходный отсек.
На рис.9. изображена схема насосного отсека, в который топливо поступает из предрасходного и откуда оно поступает через пожарный кран в двигатель. Проанализировав насосный отсек, можно сделать выводы, что его схема не нуждается ни в каких улучшениях.
Рис.9. Насосный отсек.
На рис. 10. представлена схема расположения подкачивающих насосов в баке №1. Эти насосы качают топливо в насосный отсек. Помимо этого насос, расположенный справа, качает топливо в бак №3 для балансировочной перекачки. Проанализировав данную схему, можно сделать вывод, что при отказе обоих подкачивающих насосов, расположенных ближе к корневой части полукрыльев, балансировочная перекачка из баков №1 в бак №3 перестанет быть возможной, что по классификации норм АП25 вызывает СС или АС, при этом в АГС два электрических отказа приводят только к УУП - усложнению условий полета.
Чтобы данная система выдерживала 2 электрических отказа, предлагается в обоих полукрыльях параллельно обратному клапану поставить одноцепевой внутрибаковый кран. Тогда в случае выхода из строя обоих «балансировочных» насосов, данный клапан позволит качать топливо в бак №3 другими двумя насосами баков №1 в обход обратному клапану. На рис. 11 Представлены предлагаемые улучшения для повышения надежности балансировочной перекачки из баков №1 в бак №3.
Рис. 11. Предлагаемые улучшения для повышения надежности балансировочной перекачки из баков №1 в
бак №3
В данной топливной системе отсутствует как таковая балансировочная перекачка между консольными баками №2 напрямую. Эта перекачка осуществляется посредством перекачки топлива из бака №2 в предрасходный отсек, а оттуда струйными насосами в бак №1, где топливо благодаря уравнивающему трубопроводу равномерно распределяется по бакам №1. Напрямую перекачать топливо из бака №2 в противоположное полукрыло по
заправочному трубопроводу не позволяет установленный там обратный клапан. На рис. 12. представлен заправочный трубопровод бака №1.
Рис. 12. Заправочный трубопровод бака №1.
Если поставить параллельно обратному клапану внутрибаковый перекрывной двух-цепевой кран, то можно качать топливо из одного бака №2 в другой в обход этому обратному клапану. При этом данный кран нужно продублировать так же как это было сделано в системе подачи топлива в двигатель, чтобы данная система выдерживала 2 электрических, а также 1 электрический и 1 механический отказ. Балансировочная перекачка будет осуществляться путем отключения подкачивающих насосов в баке, куда поступает топливо. На рис.13 представлены предлагаемые улучшения для осуществления балансировочной перекачки между баками №2.
Рис.13. Предлагаемые улучшения для осуществления балансировочной перекачки между баками №2.
Предложенная схема будет выдерживать 2 несрабатывания, в том время, как, если будут поданы 2 ложных электрических сигнала, и любой из кланов сработает без непосредственной в этом надобности, и топливо начнет из одного полу крыла поступать в другое, нарушая центровку самолета, то это может привести к катастрофическим последствиям. Чтобы предотвратить такую ситуацию предлагается последовательно уже существующим кранам, только в одном полукрыле поставить аналогичное схемное решение, но уже с кранами одноцепевыми. На Рис.14 представлены предлагаемые улучшения в другом полукрыле для осуществления балансировочной перекачки между баками №2.
Рис.14. Предлагаемые улучшения в другом полукрыле для осуществления балансировочной перекачки
между баками №2.
Рассмотрим теперь схему части топливной системы, расположенной в фюзеляже самолета. Здесь расположены 3 внутри баковых крана слева направо: кран, отвечающий за балансировочную перекачку из баков №1 в бак №3, аналогичный ему, но отвечающий за перекачку в обратном направлении и кран перекрестного питания, позволяющий в случае необходимости питать двигатель топливом из противоположного полукрыла. Проанализировав эту схему, можно сделать вывод, что ни один из этих кранов не выдержит 2 отказа.
Рис. 15. Фюзеляжная часть крыла самолета.
Чтобы и здесь приблизить топливную систему к надежности и отказобезопасности АГС предлагается применить схемное решение, аналогичное балансировочной перекачки между баками №2, при этом краны, отвечающие за балансировочную перекачку из баков №1 в бак №3 сделать двухцепевыми, чтобы 2 ложных электрических сигнала не привели к началу неконтролируемой балансировочной перекачке и соответственно потере центровки самолета. На рис. 16. представлены предлагаемые улучшения в фюзеляже и полукрыле топливной системы.
Рис. 16. Предлагаемые улучшения в фюзеляже и полукрыле топливной системы.
Рассмотрим теперь схему балансировочной перекачки из бака №3 в баки №1. Из рис.17. видно, что кран (правый), отвечающий за эту перекачку при одном или двух отказах выйдет из строя.
Рис.17. краны топливные, отвечающие за балансировку и за подачу топливо в ВСУ.
Предлагается вместо одномоторного крана поставить здесь двухмоторный, увеличив надежность данной системы.
Рис.18. Предлагаемые улучшения в балансировочной перекачке из бака №3 в баки №1.
Рассмотрим теперь сам бак №3 (Рис.19.). В нем установлены 3 подкачивающих насоса, каждый из которых одноцепевой, следовательно, при одном ложном сигнале начнет работать.
Рис.19. Бак №3.
Чтобы повысить надежность и отказобезопасность данной схемы, предлагается сделать управление электродвигателями каждого из этих насосов двухцепевыми, что повысит вероятность его несрабатывания в неподходящий момент, при этом сохранив способность выдержать 2 электрических отказа. На рис.20. представлены предлагаемые улучшения в баке №3.
Рис.20. Предлагаемые улучшения в баке №3.
Результаты анализа типовой топливной системы самолёта по отказобезопасности при появлении расчетных единичных отказов и их сочетаний представлены в таблице №1, показано также сравнение с АГС самолета и приведены рекомендации по улучшению топливной системы по надежности и отказобезопасности и доведения этого показателя по АТС до уровня АГС. В таблице № 1 представлены сравнение топливной системы самолёта по надежности и отказобезопасности с АГС и предложения по совершенствованию АТС.
Таблица № 1 . Сравнение топливной системы самолёта по отказобезопасности с АГС и предложения по
совершенствованию АТС
■л Л С Г -1* ^ Я ? |Т1 й П ■Ти'Дй йч] ГJ Г
Г ЗЛР КВДЦ Ч1ЯЁ1К и и" СЛОЖНОЙ ттуацш - превращение пода чьг туодгвл Л о С"^ г с тел» - .цдришв^ь* ^алдаггдобсчюй Л10£н ЗЧг. гЦ^РТЛ .ОЛ.М!^ гл-н/п ¿ву^т^ЙЙЛ^б, 0Ф&еЧа4ЩъЧ* 1С наоборот. В о5оил ¿богатдол* гтогтаАит Атирои #яг&г г б сис.&ене лаЯвчи ЛйгЩЁя В «глаЛш*. гщ.г иЗич, на аба йшШХкр&#в сЗелатЬ ¿л
2 эигм Л^ЗЬ'^КкО! эгти^дло ситуация - времхтсение пойачиясълиЪа £ |>5с |'аг."и с до в - нардифмиг ¿¡алалцпурсЛо переыщьи - Зила с о г СЩрЫя *рат*з л 0 р е е гт мои с лит ачг1 е г;ере*риАнсгс топАЬРмого лрсЫа б обоих чвсттм коь'лс в гь'стгп* т.'ёдиь лслливс ' ¡Й^ла^*,!!. л □ с та В ьтпь ж-м* ^а Ссе -ад ям* пленено с^лат* 1-я игле^^у В е&ых Залах фФомй&ить вб^кмотор^.б^ Ъсрс*рЬ/ОпраН-у МйМЩЙ^ рог/толе*енщщу южёу чнцнапсеш. Яарамими* сй^нилк^ь^ лврергл^мк лдагч ? ММЧК! перёА ачй и" ^ А^и.Нь1 пъэег.рес^сгз г,ССХН2!шПЬ ■Г-йг-Зи «е »-Г
ит07 Сланная ситуация - грс*рз<ц шг№* лд-АгчЫ /тпМ&а й ааиы ьл ¿белгтрллш - ас&арсд
1 ярытричв^ь ^ V «ПЩГ С/южна я ситуация - /ДОКСЗфСКЧЛГ пс^вчи Р?ОТЛ£&а |?Я/1|Гт%ги'рс Зс ъере* ЛЙЧЛ» с.'в^вту^с-Л'с'хмйгп,1 -чагдсу С ги^шллвдлиудо« ь1 З^РЛ.'ПЙА.П ААЦ^П^О»
5 г »-с* гязрушжисв юр у 5 /Сатагтр^ф^ ческа я ситуация - прфьррму л1сллц(0|г б -з'Л.'гзлиг/итГлгоаЛой ' »Уа^ййс^и'г ^алгг.чсъ'зз^оЧь'о^ с-* > ЯоАисшг^ п^счкогл» ъру£ & лтоллиЙАШи' 3а лрс-мколтш тру£ 3 сцсячне цпроР;я^мия
Псн/хсчцнус & /гаа.на'ин&йенбй таткой (ис/нсг жкупслй^с* к<з» «а» еЗ 1* (вмнадайичюй лергчм» ь' ««¿у Лапали Дл* мага о^й'Амлгн«" 0 слтеий
■■ЧГ ч ЗЙ П5С -ь -о (К^СА,1 ПГренр^ЛНЬГП/ □р'1," (?(!рХПСДЮ/ЛкМу С'' 1 Е^П," Г;:??ротШМ А -10 -ЛЬСГ се
¿л-^г^т с А пголиВ^а 6ала*гирсАа-1нпц ирв*^ ^ ^ "мс-- и сайранитш. га р^Гс^ос.ссс^-гг-и рь'^о-гн ■
~ '-'г- а не ерииг ъри^а^-ши^ла* ? тт. т :г-
па ; о^вачшр (■¿.^^»•■■эЛ«." чч^аду ^и.*-.одошшп&ще^^&йи йн^тдеоДлл» ■ пани« л-
Способы улучшения топливной системы по надежности и
отказобезопасности
В целях улучшения топливной системы по надежности и отказобезопасности и доведения ее до уровня надежности и отказобезопасности АГС целесообразно повысить уровень резервирования АТС до уровня резервирования, применяемого в АГС, приняв предложения, изложенные в таблице №1 и отображенные на рис. 21.
Рис.21. Пример типовой топливной системы, улучшенной по отказобезопасности, где:
А - штуцер заправки
- заслонка управляемая
- струйный насос
- кран топливный перекрывной с электроприводом
л^ - клапан топливный разгруженный
- кран топливный перекрывной ухц) внутрибаковый с двумя
электродвигателям и
- клапан слива отстоя
топливный электронасос центробежный
—ОЛ - сигнализатор давления
- обратный клапан
Н1- термоклапан —[X]-- кран сливной
-О - клапан топливный поплавковый
р{Х1
- поршневой клапан перекачки или заправки
- клапан обратный топливный
- теплообменник
- штуцер консервации
Предлагаемые улучшения путем применения резервирования элементов топливной системы существенно увеличат надежность топливной системы пассажирского самолета,
которая теперь будет без серьезных последствий для полета выдерживать до 2 отказов, по отказобезопасности будет аналогична СУР и ЭГС, однако данные меры по улучшения приведут к увеличению общей массы топливной системы ориентировочно на 80-100 кг. Необходимо отметить, что применение трехкратного резервирования СУР и ЭГС обеспечивает высокую надежность и отказобезопасность, отвечает требованиям норм АП25, но это требует по сравнению с одноканальной АГС увеличения массы этих систем на сотни кг. Однако конструкторов это не останавливает и в настоящее время широко применяются 3-х и более канальные АГС, обеспечивающие высокую надежность и отказобезопасность полета современных пассажирских самолетов.
Выводы и рекомендации
1. Построение АТС и АГС должно основываться на единых принципах, обеспечивающих наивысшую надёжность и безопасность полётов. Однако в настоящее время этот принцип соблюдается недостаточно и АТС существенно проигрывает в надёжности и отказобезопасности в сравнении с АГС, СУР и ЭГС. Целесообразно принять для АТС принципы обеспечения работоспособности системы при возникновении расчётных отказов (единичных и их сочетаний) такие же, какие приняты в нормах АП25 для АГС и СУР - это существенно повысит надёжность и отказобезопасность топливных систем и полётов самолётов в целом, несмотря на некоторое увеличение массы АТС.
2. Предлагаемые улучшения путем применения резервирования элементов топливной системы существенно увеличат надежность топливной системы пассажирского самолета, которая будет без серьезных последствий для полета выдерживать до 2 отказов и по надежности и отказобезопасности будет аналогична АГС, СУР и ЭГС, однако данные меры по улучшению приведут к увеличению общей массы топливной системы ориентировочно на 80-100 кг. Необходимо отметить, что применение трехкратного резервирования СУР и ЭГС обеспечивает высокую надежность и отказобезопасность, отвечает требованиям норм АП25, но это требует увеличения массы этих систем (СУР и ЭГС) на сотни кг. Однако конструкторов это не останавливает и в настоящее время широко применяются 3-х и более канальные СУР и ЭГС, обеспечивающие высокую надежность и отказобезопасность полета.
3. Предлагаемые улучшения топливной системы представлены на рис.21. и таблице №1, основные из них:
- установить на двигателе второй насос параллельно первому, который будет работать в случае, если первый откажет по каким либо причинам. Второй насос может приводиться, как и первый от коробки самолетных агрегатов (КСА) или от дополнительного электродвигателя и включаться после отказа первого;
- пожарный кран выполнить с 2-х цепевым управлением (т.е. он срабатывает только при обоих замкнутых контактах), также параллельно добавить такой же пожарный кран и последовательно опять такой же, но двух моторный и двух цепевой пожарный кран параллельно ему тоже поставить кран одномоторный двухцепевой;
- повысить запасы прочности трубопроводов и агрегатов топливной системы по давлению до трех, как это предусматривается в АГС 4. Целесообразно для внедрения единых принципов, обеспечивающих наивысшую надёжность и отказобезопасность полётов в АТС и АГС, ввести необходимые изменения по АТС в нормы летной годности АП25 в раздел топливные системы, АГРЕГАТЫ И ЭЛЕМЕНТЫ ТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЫ
Список литературы
1. Авиационные правила. Ч. 25: Нормы лётной годности транспортной категории (АП-25). М.: Межгосударственный авиационный комитет, 2014. 278 с.
2. Шумилов И.С. Системы управления рулями самолётов: учеб. пособие для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. 469 с.
3. Шумилов И.С. Авиационные происшествия. Причины возникновения и возможности предотвращения. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 382 с.
Science ¿Education
of the Baumail MSTU
Science and Education of the Bauman MSTU, 2017, no. 02, pp. 28-51.
DOI: 10.7463/0217.0000946
Received: 08.01.2017
Revised: 22.01.2017
© Bauman Moscow State Technical Unversity
Aviation Fuel System Reliability and Fail-Safety Analysis. Promising Alternative Ways for Improving the Fuel System Reliability
I.S. Shumilov1*, A.A. Shulzhitskiy1
shumilo y -ifffv andex ju :Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Keywords: aviation fuel system, reliability, safety, fuel system, norms of airworthiness of aircraft, aircraft hydraulic systems, fuel supply to the engines, fuel pumps, main and emergency pumps, piping and valves fuel system fuel taps
The paper deals with design requirements for an aviation fuel system (AFS), AFS basic design requirements, reliability, and design precautions to avoid AFS failure. Compares the reliability and fail-safety of AFS and aircraft hydraulic system (AHS), considers the promising alternative ways to raise reliability of fuel systems, as well as elaborates recommendations to improve reliability of the pipeline system components and pipeline systems, in general, based on the selection of design solutions.
It is extremely advisable to design the AFS and AHS in accordance with Aviation Regulations An25 and Accident Prevention Guidelines, ICAO (International Civil Aviation Association), which will reduce risk of emergency situations, and in some cases even avoid heavy disasters.
ATS and AHS designs should be based on the uniform principles to ensure the highest reliability and safety. However, currently, this principle is not enough kept, and AFS looses in reliability and fail-safety as compared with AHS. When there are the examined failures (single and their combinations) the guidelines to ensure the AFS efficiency should be the same as those of norm-adopted in the Regulations An25 for AHS. This will significantly increase reliability and fail-safety of the fuel systems and aircraft flights, in general, despite a slight increase in AFS mass.
The proposed improvements through the use of components redundancy of the fuel system will greatly raise reliability of the fuel system of a passenger aircraft, which will, without serious consequences for the flight, withstand up to 2 failures, its reliability and fail-safety design will be similar to those of the AHS, however, above improvement measures will lead to a slightly increasing total mass of the fuel system.
It is advisable to set a second pump on the engine in parallel with the first one. It will run in case the first one fails for some reasons. The second pump, like the first pump, can be driven from the aircraft gearbox or from additional motor and fires as soon as the first one fails; to du-
plicate a fuel emergency shutoff cock, which functions only in case of engine fire, as well as to increase the strength reserves of the pipelines and the fuel system pressure units up to three units, as it is stipulated in the AHS.
References
1. Aviatsionnye pravila. Chast' 25: Normy letnoj godnosti transportnoj kategorii (AP-25) [Aviation rules. Pt. 25: Norms of airworthiness of transport category]. Moscow, 2014. 278 p.
2. Shumilov I.S. Sistemy upravleniia ruliami samoletov [The control system rudder of the aircraft]. Moscow: MGTU, 2009. 469 p.
3. Shumilov I.S. Aviatsionnye proisshestviia. Prichiny vozniknoveniia i vozmozhnosti predotvrascheniia [An aircraft accident. The causes and possibilities of prevention]. Moscow: MGTU, 2006. 382 p.
