CC BY
221
2005 НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА № 85
серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов
УДК 629 735.015.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЫ ВЕРТОЛЁТА МИ-2 ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ ОКРУЖАЮЩЕГО ВОЗДУХА
В.В. ДВОРНИЧЕНКО, Р.Г. ВАЛИЕВ Статья представлена доктором технических наук, профессором Пивоваровым В.А.
Произведено сопоставление гидродинамических характеристик при положительных (+200С) и отрицательных (-600С) температурах топлива в топливной системы (ТС) вертолёта МИ-2, с двумя турбовальными двигателями ГТД-350А. Предлагается метод пересчёта характеристик ТС, используя гидродинамическое подобие с температуры tj. = +200С на очень низкий диапазон температур топлива: 1:т = -60 0С, то есть на диапазон, приближающийся к точке начала кристаллизации (ТНК) топлива. Выработана рекомендация экипажам вертолётов в полёте.
Анализ работы элементов топливной системы вертолета Ми-2 при низких температурах окружающего воздуха (-40С ... -600С) базировался на результатах летных испытаний [1], [4], [8], проведенных на вертолете Ми-2 при положительных температурах окружающего воздуха +180С .+200С(температура топлива везде в данной работе принимается равной температуре воздуха).
Поскольку характеристики углеводородного топлива-керосина, ТС-1: (кинематическая вязкость V, динамическая вязкость m, плотность топлива р), резко меняются (растут) при понижении температуры топлива (табл.1) и приближаются к точке начала кристаллизации (ТНК), должны изменяться и гидравлические характеристики элементов топливной системы вертолёта МИ-2 (табл.2):
DP = Х'1 * р'c ДИН. d 2g
экв. * - динамические потери давления в трубопроводах.
2
- местные потери давления в обратном клапане, корпусе фильтра, на сетке фильтра и в пожарном кране.
Потери давления на элементах топливной системы при понижении температуры топлива должны увеличиваться, так как будут уменьшаться числа Рейнольдса (Яе) [1], характеризующие режим течения (течение из турбулентного при положительных температурах становится ламинарным при отрицательных температурах), что сопровождается ростом коэффициента потерь полного давления X (рис. 1).
Следует обратить внимание на то, что течение на фильтрующих элементах, применяемых в эксплуатации фильтров, является ламинарным [4], [5], [6].
Увеличение коэффициента кинематической вязкости V, например, в десять раз вызывает увеличение коэффициента потерь полного давления также в десять раз (рис. 2).
Если число V, характеризующее кинематическую вязкость возросло в 10 раз, то при постоянном объемном расходе с' ^ = соті и число Яе возрастет в десять раз. На рис.2 в координатах Х=ґ (Ь§ Яе) показано, что коэффициент потерь X также возрастет в десять раз. Следовательно, следует ожидать десятикратного роста потерь полного давления на сетке блока фильтров.
DP =Х * Г 'С
ш МЕСТ. ЬМЕСТ. „
2 g
Рассмотрим течение керосина ТС-1 в сетчатом фильтрующем элементе фильтра, где ожидаются самые высокие потери полного давления АР топлива при отрицательных температурах (-400С ... -600С).
Проанализируем сначала напорные характеристики топливного насоса ЭНЦ-75Б.
На рис. 3 показана напорная характеристика АРН=Г (От) насоса ЭЦН-75Б при положительных (+180С) температурах топлива, а также напорная характеристика АРН=Г (От) при отрицательных температурах топлива ТС-1.
Видно, что прямая, параллельная оси Х, лежит ниже при отрицательных температурах топлива, чем при положительных.
Методика, по которой определялась напорная характеристика насоса ЭЦН-75Б при низких отрицательных температурах (-60 0С) с опорой на характеристику при плюсовых температурах, взята из работы [3].
Изменение теоретического напора насоса НТ при переходе на течение с большей кинематической вязкостью при отрицательных температурах определится как:
Н
С Яе
Нт
V Яеоу
где НТО и Яе0 - теоретический напор и число Яе, характерные для
течения в насосе керосина при положительных температурах +18°С.. .+20°С;
а
0,2
- коэффициент циркуляции относительной скорости; пН =0.044 - эмпирический показатель степени при числе Яе.
Н т
Таким образом, найдем отношение
Н.
изменении температуры от +200С до -600С :
при условии постоянного расхода через насос при
С Яе ^Г' ”Н
Н
то
VЯе0 у
р-е-й Э
т
рей,
\аГ■ пН
У і=-600С
ЭКВ
От = еоті
(1)
рей Э
т
аГ пН
аГ пН
=+200 С V ті=-600 С у
1.0127
9.853
= 0.98
(2)
Изменение коэффициента полезного действия насоса при отрицательной температуре -600С
(1 ЛН ) = (яеі=+200 С ) (1 - ЛНО ) (Яеі=-600 С )
(ті=-600 С ) і^і=+200 С )
9.853
1.0127
1.31392
(3)
Лн
0.6
1 -лн = (1 -лНо ) 1.31392 = (1 - 0.6) 1.31392 Лн = 0.4744
Приняв КПД.
Л
но
06 при і = +200С, получим К.П.Д. Лн 04744 при 1= -600С.
Вычислим действительный напор Н насоса ЭЦН-75Б при і=-60 С:
Н
(
Н
■ і=+20°С
Н
Нто 0
V і=+200 С у
\Лпоі =+200С У
0.98-0.4744
0.6
0.77485
(4)
0.2- 0.044
0.2- 0.044
а ■ п
0.2 ■ 0.6
Г "Н
0
і=+20 С
С
0
і=-60" С
1С^
10^-
ю=і
10-
IIЛИ, !
1СС 2 3 А 5 6 7 8 Ио1 2 3 1 5 !)4 §(С: 2 3 к 5 ё ) Й Нс: 2 3 4 5 6 7 8 9^0' 2 3 -5 5 6 7 8 9(0‘1§ ^
Рис." Коэффициент сопротивления для гладких труб при ламинарном и турбулентном течении жидкости [1]
Рис. 1. Коэффициент сопротивления для гладких труб при ламинарном и турбулентном течении жидкости [1]
igX
1С —
6—
4“
2— ю-—
6“
4“
ю-
3 4 56789102
3 4 5 6 7 8 91С
3 4 5 6 7
3 4 5 6 7 8 9І0
lg.Re
Рис.2
Зависимость коефициента потерь от числа ^ Яе при фильтрации керосина ТС-1
различными фильтрациями материалами, ¿ = 20°С [6]
Рис. 2. Зависимость коэффициента потерь ^ от числа lgRe при фильтрации керосина ТС-1 различными фильтрациями материала 1=20оС [6]
Вычислим перепад полного давления на насосе ЛРН при От=сопв1 при переходе положительной температуры (1=+200С) на работу насоса ЭЦН-75Б при отрицательной температуре топлива (1= -600С) :
ЛР п Н 835
Н1=-600с = =-60°с • <=-600с = — -0.77485 = 0.83055
ЛРН^=+200с Пг=+200с Ht=+200с 779 (2 5)
Таким образом, характеристика насоса ЭЦН-75Б ЛРН=Г (От), взятая при 1=+200С, эквидистантно сдвинется вниз, уменьшив каждую ординату ЛРН в 1,204 раза (1/0,83055=1,204) при отрицательной температуре 1;Н=-600С (рис. 3).
ЛРу
Суммарные потери давления подачи ^ в топливной системе двигателя ГТД-350А получим, если просуммируем потери давления: гидродинамические ЛРГИдРОдИН,
гидростатические ЛРГИдРОСТ.ФИЛЬТР, ЛРСЕТКА, при положительных температурах 1т=+20 С, а затем отдельно при отрицательных 1т=-600С (табл. 3, 4), рис. 5, рис. 9.
Затем, зная экспериментальную характеристику насоса ЭЦН-75Б при 1т=+200С , определим давление топлива РТвх.дв на входе в двигатель при 1т=-600С по всем режимам работы двигателя.
Таблица №»1
Коэффициенты кинематической и динамической вязкости и плотность топлива ТС-1 в зависимости от температуры топлива в диапазоне
гт =-600 С -+60° С [7]
t,0 С V -10-6,( м 2/с) т 10~3,(кг/ ) ^ /м- с т
-60 11.8 9.853 835
-50 7.9 6.5412 828
-40 5.0 4.105 821
-20 2.8 2.259 807
0 1.8 1.427 79.3
+20 1.3 1.0127 779
+40 1.0 0.765 765
+45 0.9 0.685 761
+60 0.8 0.600 750
Таблица№2
Потери давления в топливной системе ГТД —350А по режимам работы двигателя при температуре топлива tт = +200 С
ЛР, кг / см 2 ЛРоб.пл,кг / см 2 ЛРКОРП.ФИЛЬТ,кг / см ЛРвыхтр,кг / см 2 ЛР ^ ГИДР''
1 2 3 4 5
1 Взл. 22.164 10-4 35.859 10 -4 45.35910 -4 0.0339 10-4 103.41610-4
2 Ном 16.9 10-4 26.621 10-4 33.276-10 -4 1.115 -10-4 77.912-10 -4
3 Iкрейс 15.06 10-4 23.327-10 -4 29.159 10-4 1.0343 10-4 68.58 10 -4
4 II крейс 12.44-10-4 18.75 10-4 23.445-10-4 0.9393 10-4 55.574-10-4
5 Мал газ 4.01946 10-4 5.1554-10-4 6.4443-10-4 0.4912 10-4 16.1110 -4
Исследование характеристик топливной системы... 31
^^НАС .ИЗБ. = У (От ) = I,24 кг/см
РРНАСИЗБ = 1,0292 кг/см2
Керосин ТС-1
Іт = +18 °С (эксперимент [1:2];
^ — _60°С (расчет теоретический Г]н =0.6 )
I крейс крейс Ноіу____________Взл
84.5 87.5 89.5
птк ,[%]
От,
Рис. 2 Напорная характеристика подкачивающего насоса ЭНЦ-75Б при различных температурах топлива ТС-1
и различных частотах вращения турбокомпрессора ГТД-350А [9]
О
т
ч
Рис. 3. Напорная характеристика подкачивающего насоса ЭНЦ-75Б при различных температурах топлива ТС-1 и различных частотах вращения турбокомпрессора ГТД-350А [9]
Шкала частоты вращения птк при отрицательной температуре іт =-600С;птк = 0.86-пк +15„с
Рис.4 Зависимость часового расхода топлива ГТД-350 от режима его работь
при условиях: МСА, Н=0 ц =+15° С [8]
Рис. 4. Зависимость часового расхода топлива ГТД-350 от режима его работы при условиях: МСА, Н=0, 1г=+150С [8]
Рис. 5 Зависимость потерь полного давления в элементах толивной системы ЛРГИДРОСТАТ ЛРДИНАМ
^сетки фильтра от &тч Для топлинвой системы ГТД-350А при /, = +20" Г'
Рис. 5. Зависимость потерь полного давления в элементах топливной системы АРгидростат АРдинам АРсетки фильтра от вт.ч. для топливной системы ГТД-350А при 1г=+20оС
Рис.Є Гидравлическая характеристика фильтропакета 8Д2966699 с фильтрационными элементами
из пористого фторопласта на керосине ТС-1 прі/ іт - +23°С и іт = -55°С
Рис. 6. Г идравлическая характеристика фильтропакета 8Д2966699 с фильтрационными элементами из пористого фторопласта на керосине ТС-1 при 1Т=+23°С и 1г=-550С
Результаты этих расчетов РТвх.дв - давления топлива на входе в двигатель приведены в табл. 5, 6 ; (рис. 9).
0 2 Видно, что давление РТвх дв на взлетном режиме при іг=-60 С составляет 0,7134 кг/см , что
выше давления, задаваемого в РТЭ: РВХ.де.тіп.=+0,4 кг/см .
Следует учитывать, что если потери составят при положительных температурах +20 0С:
0 45
АР 0 = ^—» 0.07кг / см2
СЕТКА.ФИЛЬТР Л=+200 С ^ 43
то при отрицательных температурах топлива 1;т=-600С откроется предохранительный клапан фильтра и загорится табло «ФИЛЬТР ЗАСОРЕН», так как перепад на сетке фильтра станет равным 0,45 кг/см2, поэтому в зимних условиях надо следить за перепадом давления в фильтре
г АР 0 = 0.45кг / см2
и не допускать такого состояния, чтобы сетш.шль^л=-от с .
Таблица № 4
Гидродинамические потери АРСЕТКИ ФИЛЬТРА на керосине ТС-1
при температурах топлива 1Т =+200 С и 1Т =-600 С по режимам работы двигателя ГТД—350А, рассчитанные по гидродинамическим формулам для
потерь арсетки.фильтра • (рис> 5)
АР (кг/ ) СЕТКИ.ФИЛЬТРА А / 2 ) / см
1 2 3 4 5 6
1 Т ,0С Взл. Ном I крейс II крейс Малый газ
2 +20 0,02844 0,02085 0,0182 0,0147 0,0040359
3 -60 0,18286 0,16138 0,1547 0,1198 0,031313
4 От ,(к/,)
5 +20 146 125 117 105 55
6 -60 146 125 117 105 55
Таблица№5
Величины потерь полного давления топлива АРГИдРодИн , АРГИдРОСТАТ,
АРСЕТК ФИЛЬТ , АР^ и величины давления топлива РВХ.дВ на входе в двигатель от
режима работы ГТД-350А при температуре топлива Т =+200 С (рис. 5, рис. 9)
Взл. Номин. I крейс. II крейс Малый газ
1 2 3 4 5 6
1 АРГИДРОДИН 0,0103416 0,0077912 0,006858 0,0055574 0,001611
2 АРСЕТК .ФИЛЬТ 0,02844 0,02085 0,0182 0,0147 0,0040357
3 аргидростат 0,11353 0,114353 0,114353 0,114353 0,114357
4 аре 0,1531 0,14299 0,139411 0,13461 0,1200
5 РВХ. ДВ 1,0869 1,09701 1,1006 1,10539 1,1200
6 арнасос 1,24 1,24 1,24 1,24 1,24
Рис. 7. Г идравлическая характеристика фильтропакета 8Д2.966.699 с фильтрационными элементами из пористого фторопласта, топливо ТС-1 при различных температурах топлива
q
3500-
1 ■ сетка №685
2 - сетка №80/720,тонкость фильтрации 16мкм
3 - сетка №004 ( плющенная)
~г
0.2
“Г
0.4
“Г
0.6
Гидравлические характеристики фильтрационных сеток
Рис. 8. Гидравлические характеристики фильтрационных сеток
N
1.0 —
0.8 — 0.7 — 0.Є — 0.5 0.4 —
0.2 — 0/ —
1Т.ВХ.ДВ ~ У2 4^т)
р,
Т.ВХ.ДВ. П0 РТЭ (предельно допустимое)
др^ = /з(Сг)
потери.в.топливной.системе (насос;
потери в трубопроводах и сетчатых фильтрах
0
5С
I II крейс крейс Ноіу
Взл|
150
вТ
Зависимость АРнасизб Ртвхдв АР^ соответственно перепада на насосе ЭЦН-75Б
давлении на входе в двигатель ГТД-350А, суммарных гидравлических потерь от режима работы ГТД-350А, при температуре топлива-керосин ТС-1 -60С
Рис. 9. Зависимость ЛР„ас.изб. Рт.вх. дв. ЛР^ соответственно перепада на насосе ЭЦН-75Б давления на входе в двигатель ГПД-350А, суммарных гидравлических потерь от режима работы ГТД-350А, при температуре топлива-керосин ТС-1-60°С
ч
Рис. 10. Зависимость часового расхода топлива от температуры наружного воздуха и числа оборотов турбокомпрессора ГТД-350А [8]
Таблица № 6
Величины потерь полного давления топлива АРгидющн , АРгидростат , АРсетк фшьТ , АР^ и величины давления топлива РВХ.др на входе в двигатель
от режима работы ГТД-350А при температуре топлива t Т = -600 С, РН=760
мм.рт.ст., Н=0 км. (рис. 5, рис. 9)
Взл. Номин. I крейс. II крейс Малый газ
1 2 3 4 5 6
1 АРГИДРОДИН 0,010366 0,01082 0,009967 0,005574 0,001611
2 арсетк .фильт 0,18286 0,16138 0,1547 0,1198 0,031313
3 АРГИДРОСТАТ 0,12257 0,12257 0,12257 0,12257 0,12257
4 аре 0,3158 0,29477 0,2873 0,24794 0,155494
5 РВХ. ДВ 0,7134 0,73443 0,7419 0,78126 0,8737
6 арнасос 1,0292 1,0292 1,0292 1,0292 1,0292
Выводы
1. Установлено, что напорная характеристика насоса ЭЦН-75Б при температуре воздуха (топлива) у земли минус 600С уменьшится в 1,204 раза по сравнению с напорной характеристикой этого насоса при температуре воздуха у земли +200С.
2. Определено, что для «взлетного» режима работы двигателя ГТД-350А при nTK=const=96% с понижением температуры наружного воздуха с tH= +200C до ^=-600С(соответственно и температуры топлива) возрастает перепад давления на сетке фильтроэлемента блока фильтров в 6,829 раза, когда срабатывает светосигнализатор «ФИЛЬТР ЗАСОРЕН».
3. С учетом результатов летных испытаний установлено, что с изменением режимов работы ГТД-350А от «малого газа» до «взлетного» при отрицательных температурах воздуха (топлива) у земли (до минус 600С) давление топлива на входе в двигатель изменяется от РВХ.дВ=0,87кгс/см2 (ати) до РВХ.дВ=0,71кгс/м2 (ати). При этом перепаде давления топлива на сетке фильтра блока фильтроэлемента составит:
АР+20с=0,03кгс/см2 ; АР -60С=0,18кгс/см2, то есть резко возрастает в 6 раз.
4. Загорание табло «ФИЛЬТР ЗАСОРЕН» в полете может быть обусловлено также и возрастанием перепада АР фильтроэлементов при низких температурах вблизи точки начала кристаллизации (ТНК) керосина. Это обстоятельство необходимо учитывать летным экипажам.
ЛИТЕРАТУРА
1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. - М.: Наука, 1969.
2. Крученок И.Л., Степанов Ю.А. Авиационный газотурбинный двигатель ГТД-350. - М.: МГА, 1973.
3. Ломакин А. А. Центробежные и осевые насосы. - М.: Машиностроение, 1966.
4. Авиационные центробежные насосные агрегаты; Под ред. Г.М. Заславского. - М.: Машиностроение, 1967.
5. Топливный насос 348У и 348Н. Техническое описание, инструкция по эксплуатации и руководству по ремонту. Составители: Г.М. Кошнарев, К.В. Силин. - М.: Аэрофлот, 1960.
6. Рыбаков К.В. Фильтрация авиационных топлив. Издательство. - М.: Транспорт, 1973.
7. Аксенов А.А. Авиационное топливо, смазочные материалы и специальные жидкости. - М.: Транспорт,
1995.
8. Высотно-климатические характеристики двигателя ГТД-350А. 81ТУ25, 1967.
9. Люлько В.И., Елисеев В.В. «Исследование условий эксплуатаций СУ вертолета Ми-2 при включении сигнализации «ФИЛЬТР ЗАСОРЕН» при температуре воздуха у земли +250С. Отчет о научно-исследовательской работе. Договор 80.129-1221. ГОСНИИГА. М., 1993.
INVESTIGATION OF THE MI-2 HELICOPTER FUEL SYSTEM UNDER VERY LOW TEMPERATURE OF AMBIENT AIR (-600C) BY THE METHOD OF HYDRAULIC
EQUIVALENCE
Dvornitchenko V.V., Valiev R.G.
In this research paper have been investigated by the authors the Mi-2 helicopters fuel system characteristics under temperature conditions near by -600C (triple point of fuel).
Hydraulic of fuel system characteristics have been also developed from those but under conditions of I.S.A. (+200C) and have been transferred at the -600C.
Also recommendations for helicopters Mi-2, crews have been undertaken by this distinguished scientific paper to avoid the aviation casualties.
Сведения об авторах
Дворниченко Вячеслав Васильевич, 1938г.р., окончил МАИ (1961), кандидат технических наук, доцент кафедры двигателей летательных аппаратов МГТУ ГА, автор более 70 научных работ, область научных интересов - диагностика технического состояния двигателей ТРДД и ТРДДФ для самолетов ГА и ВВС РФ, а также перекачивание криогенных топлив сверхзвуковыми компрессорами для ЖВРД ГЛА.
Валиев Руслан Гусейнович, 1980г.р., окончил МГТУ ГА (2003), ассистент кафедры двигателей летательных аппаратов МГТУ ГА, область научных интересов - диагностика ТРДД дальнемагистральных самолетов ГА РФ.
