CC BY
156
2009
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Эксплуатация воздушного транспорта. Безопасность полетов
№149
УДК 629.735.01
СОВРЕМЕННЫЙ ПОДХОД К РЕШЕНИЮ ПРОБЛЕМЫ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО ВЛИЯНИЯ ТОПЛИВА НА БЕЗОПАСНОСТЬ ПОЛЕТОВ
НА. ЗУБКОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Зубковым Б.В.
В статье рассматриваются различные свойства топлива и их влияние на ЛА. Предложено эффективное решение обозначенных проблем.
Ключевые слова: современный подход, эффективное решение.
Обеспечение безопасности полетов остаётся в настоящее время одной из важнейших проблем в авиации. Одной из составляющих безопасности является безотказная работа топливной системы, поэтому совершенствование качества авиатоплива является преобладающей задачей, так как оно напрямую влияет на работоспособность системы.
Современные авиационные топлива, смазочные материалы и специальные жидкости должны удовлетворять целому ряду требований, связанных с экономичностью, надёжностью и долговечностью работы авиационной техники. Обеспечение важнейшего требования безопасной работы авиационной техники во многом зависит от качества ГСМ. Свойства применяемых ГСМ меняются в процессе транспортирования, хранения, а также непосредственно в летательном аппарате уже после их заправки.
Одним из главных требований, предъявляемых к свойствам топлива, является требование к его стабильности [1].
Основными факторами, ухудшающими стабильность авиатоплив, являются: наличие воды и механических примесей;
содержание кислорода в под- и надтопливном пространстве, приводящее к образованию отложений в агрегатах ТРА ГТД.
Вода присутствует всегда, вследствие гигроскопичности топлива и связи топливных баков с атмосферой через систему дренажа и наддува. Механические примеси попадают в топливо также через систему наддува из воздушной струи, а также образуются вследствие разрушающего воздействия жидкости И-М.
Отрицательное влияние свойств топлива связано в основном с неконтролируемыми изменениями его состава и свойств, происходящими под влиянием переменных условий эксплуатации, главным образом давления и температуры. Изменение температуры может вызывать появление твердых осадков, привести к изменению текучести топлива, а снижение внешнего давления— неустойчивую работу насосов из-за появления в топливе газовой фазы. При эксплуатации ТС возникают различного рода нарушения в ее работе, обусловленные закупоркой каналов и пор фильтров осадками, обмерзанием сеток фильтров переохлажденной водой, снижающих подачу топлива в двигатель. Кроме указанных дефектов, иногда возникают дефекты, вызванные, например, коррозией металлических топливных баков, разрушением протекторных баков отстойной водой, старением резиновых уплотнительных материалов.
В топливах, заправляемых в баки ЛА, содержится сравнительно небольшое количество воды - до 0,01 % в зависимости от температуры топлива. Вследствие понижения в полете температуры и давления растворимость воды в топливе резко падает. При 0 С может находиться в растворенном состоянии только около 0,002%, а с учетом снижения давления в топливном баке— менее 0,001%. При охлаждении топлива от 20 С до 0 С из каждой его тонны, даже если в нем нет эмульсионной воды, может выделиться около 60 г воды. Так, объем выделившейся воды за один полет на самолете Ту-154М может составить 6-7 л, для Ан-24 - 0,3-0,4 л. Этих объемов достаточно, чтобы закупорить сетки фильтров.
Кроме блокировки фильтров кристаллами льда, присутствие воды в топливе приводит к ряду других отрицательных явлений, приводящих к отказам и неисправностям топливных систем. Например, наличие конденсата и инея на охлажденных поверхностях надтопливного пространства нарушает пра-
вильность показаний топливомеров, работа которых основана на электроемкостном принципе, поскольку вода и иней могут накапливаться между электродами датчика и вызывать их замыкание. Особенно ухудшается работа датчиков топливомеров в конце выработки топлива из баков, когда на большей части их поверхности появляются конденсат и иней, что приводит к завышению показаний топлива.
Образующийся из свободной воды при отрицательных температурах лед наслаивается на предохранительных сетках топливных насосов, что приводит к блокированию входной полости и смятию предохранительных сеток. Накопление воды в застойных зонах трубопроводов и агрегатов может вызвать отказы оборудования (обратных клапанов, кранов, крыльчаток насосов) вследствие образования льда.
Отстойная вода вызывает также прямые механические повреждения покрытий и швов топливных баков. При замерзании попавшая в зазоры вода подрывает покрытие баков и расклинивает зазоры швов. Этот процесс является прогрессирующим при многократном оттаивании и замерзании воды в несливае-мом остатке практически в каждом полете ЛА. При значительных деформациях топливных баков это создает условия для их разгерметизации и течи топлива.
Другой важной проблемой является осадкообразование при повышенных температурах, наиболее интенсивное в пределах 130-200С (рис. 1).
8 1-
6 5 4
3 2 1 О
О 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Рис. 1. Влияние температуры на образование осадков в топливе ТС-1
Результаты последних исследований [3], представленные на рис. 1, свидетельствуют о том, что повышение температуры испытаний выше 200 С приводит к уменьшению количества образующегося осадка в топливе. Для разъяснения причин снижения осадкообразования были проведены исследования, в ходе которых выяснилось, что для образования в топливе нерастворимых соединений необходимо присутствие кислорода в замкнутой системе на протяжении всех стадий процесса окисления. При температурах выше 200 С кислород практически полностью расходуется на начальных стадиях процесса окисления.
Таким образом видно, что кислород играет решающую роль в осадкообразовании и исключение его из контакта с топливом окажет крайне благоприятное воздействие в отношении нерастворимых осадков.
Прямым следствием воздействия топлива на ЛА только в 2008 году явилась одна катастрофа (из 8 в ГА РФ и 2 в классе) [2].
Катастрофа самолета Ан-2 RA-01132 27.06.2008 г. в районе г. Пущино Московской области. Авиационное происшествие произошло в результате столкновения самолета с линией электропередач при выполнении вынужденной посадки с отказавшим двигателем, что явилось следствием сочетания следующих факторов:
- заправки самолета некачественным топливом перед последним вылетом;
- отсутствие контроля за качеством топлива при его хранении, транспортировке и заправке.
В результате исследования проб топлива, взятых из данной емкости, было установлено наличие в топливе значительно повышенной концентрации "фактических смол", органических примесей и воды. Все люди, находившиеся на борту, погибли.
Так же характерно следующее происшествие. Из-за неравномерной выработки топлива в полете произошел инцидент с самолетом Як-18Т RA-44459, эксплуатант - ГОУ ВПО Ульяновское ВАУ ГА.
Причиной неравномерной выработки топлива явился отказ в работе правого обратного клапана расходного топливного бака. Наиболее вероятной причиной отказа явилось - залипание клапана из-за суммарного накопления смолистых отложений на торце седла в период межремонтной эксплуатации.
Всего за период с 1995 по 2006 гг. произошло 96 событий, связанных с отказом топливной системы самолета и двигателей в процессе подготовки и выполнения полетов.
В настоящее время единственным эффективным способом устранения описанных недостатков является азотирование топлива и создание азотной подушки в баках самолета. Получение азота на борту самолета будет возможно с применением наномембранной газоразделительной установки.
Основу этой установки составляет мембранный модуль. В него укладывается мембрана, представляющая собой полое волокно (рис. 2) [4].
Процесс разделения в мембранном элементе сводится к следующему. Исходная газовая смесь известного состава под давлением поступает в напорный канал, где в результате различной проницаемости компонентов через мембрану происходит изменение состава смеси: уменьшается доля легкопроникающих компонентов, смесь обогащается труднопроникающими компонентами
100 мкм Рис. 2. Половолоконная мембрана
и далее используется по назначению. Селективность мембраны определяется размерами и скоростью броуновского движения молекул газов, входящих в состав воздуха (рис. 3).
Медленные газы Быстрые газы
С3Н8 С2Н6 СН4 1Ч2 Аг СО О2 СО2 1ЧН3 Н2 Не
Рис. 3. Распределение газов по скоростям броуновского движения
Таким образом, мембрана позволяет получить из воздуха азот достаточно высокой чистоты (95 -99,95%) из чего следует, что содержание кислорода и паров воды минимально.
Привлекательность способа заключается в надежности работы элементов, малом весе и габаритах и, конечно, высокой эффективности.
Вывод
Применение наномембранной газоразделительной азотной установки на борту самолета позволит:
- устранить воду из топлива;
- устранить кислород из над- и подтопливного пространства;
- значительно сократить количество механических примесей;
- избавиться от противоводокристаллизационной жидкости на отечественных судах и подогревателей фильтров на зарубежных;
- существенно повысить безопасность полетов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Литвинов А. А. Основы применения горюче-смазочных материалов в гражданской авиации: учебник для вузов. - М.: Транспорт, 1987.
2. Анализ состояния безопасности полетов в гражданской авиации Российской Федерации в 2008 году.- М, 2009.
3. Кишкилев Г.Н. Исследования температурного максимума осадкообразования в реактивных топливах в статических условиях // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов, № 135, 2008.
4. Michael Tsapatsis. Molecular sieve films and polymer-selective-flake nanocomposites. - University of Minnesota, 2004.
NEW APPROACH TO SOLVING OF THE PROBLEM OF NEGATIVE INFLUENCE
ON FLIGHT SAFETY
Zubkov N.A.
This article considers different qualities of fuel and their effect on the aircraft. The author gives an effective solution to abovementioned problems.
Сведения об авторе
Зубков Николай Анатольевич, 1986 г.р., окончил МГТУ ГА (2008), аспирант МГТУ ГА, автор 1 научной работы, область научных интересов - техническая эксплуатация топливных систем.
