Влияние эксплуатационных режимов работы систем централизованной заправки топливом на гидродинамические характеристики потока топлива

УДК 629.7.082.6.004.2.

ВЛИЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЙ ЗАПРАВКИ ТОПЛИВОМ НА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОТОКА ТОПЛИВА

Н.Е. СЫРОЕДОВ, Е.В. ТЕРЕЩЕНКОВ, С.И. ВОЛКОВ

Статья представлена доктором технических наук, профессором Коняевым Е.А.

В статье рассматриваются проблемы возникновения гидравлических ударов в системах централизованной заправки топливом воздушных судов и влияния эксплуатационных характеристик оборудования на их появление.

Ключевые слова: авиатопливообеспечение, система централизованной заправки, воздушные суда, пульсация потока топлива, гидравлический расчет.

При проектировании и эксплуатации трубопроводных систем централизованной заправки топливом воздушных судов (далее - ЦЗТ) важным этапом гидравлического расчета является учет влияния гидродинамических процессов при нестационарных режимах движения потока топлива на трубопроводную сеть и оборудование. В основе методики расчета движения жидкости при нестационарных процессах лежит классическая работа Н.Е. Жуковского «О гидравлическом ударе в водопроводных трубах» [1, 2].

В расчетах учитываются три основных эксплуатационных фактора короткопериодического воздействия гидроударных процессов на трубопроводную систему и оборудование: момент пуска и останова насосных агрегатов и закрытие гидрантных клапанов в конце заправки топливом воздушных судов.

При недостаточных прочностных характеристиках трубопроводной системы гидравлический удар способен вызывать образование продольных трещин в трубах и оборудования трубопровода.

Воздействующие факторы, физические и гидродинамические процессы, протекающие в элементах трубопроводных систем при гидравлическом ударе, в основном изучены. В то же время в реальных системах ЦЗТ причины возникновения пульсаций потоков топлива и характер гидравлических ударов могут существенно отличаться в зависимости от конструктивного исполнения и комплектации оборудованием, интенсивности и одновременности включения и выключения гидрантных клапанов и насосов перекачивающих установок. Это усложняет расчеты и выбор методов снижения воздействия гидродинамических процессов на элементы трубопроводной системы и оборудования. До конца не изучены возможности конструктивных мероприятий предотвращения гидравлических ударов, что вызывает определенные затруднения при проектировании, строительстве и эксплуатации систем ЦЗТ.

В условиях эксплуатации систем ЦЗТ появление гидравлических ударов, как физическое явление, связанное с двумя факторами: включением и выключением насосных агрегатов, также носит характер короткопериодических скачков уплотнения образующих в целом ударную волну в трубопроводных коммуникациях и оборудовании системы ЦЗТ. Влияние обеих факторов на гидродинамические характеристики потока в системе ЦЗТ носит стохастический характер по причине неявного времени начала и окончания заправки воздушных судов.

Следует отметить, что пульсирующий поток топлива является воздействующим фактором на характер миграции частиц механических загрязнений, их накопления в отдельных местах трубопроводных коммуникаций и в оборудовании системы ЦЗТ. Таким образом, необходимо учитывать при проектировании систем ЦЗТ специфику гидродинамических процессов, протекающих в элементах трубопроводных систем при гидравлическом ударе, и их воздействие на

пористую структуру средств фильтрации топлива и на чистоту трубопроводных коммуникаций и оборудования систем ЦЗТ.

Рассмотрим принцип работы системы ЦЗТ в период штатной эксплуатации при обслуживании полетов воздушных судов. Общая схема штатного включения в работу всех насосов и изменения рабочего давления в напорной магистрали приведена на рис. 1.

Рис. 1. Общая схема штатного включения в работу всех насосов (1-6) и изменения рабочего давления в напорной магистрали, потерь давления в агрегате системы ЦЗТ, подводящем трубопроводе, гидрантной колонке и на входе в бортовые штуцера воздушных судов

Насосные агрегаты работают в следующем порядке. При отсутствии расхода топлива на заправку вся система заполнена топливом и находится под некоторым избыточным давлением, оставшимся после предшествующей работы насосов, которое поддерживается гидроаккумуляторами (гидроамортизаторами) или за счет включения подкачивающих насосов, когда давление в сети станет ниже установленного (6-8 бар.).

При этом для автоматизированных систем ЦЗТ предусматривается следующий порядок работы. Как только в какой-либо точке раздаточной сети трубопроводов систем ЦЗТ откроют

клапан для заправки воздушного судна, давление в сети снижается, автоматически включается один из главных насосов с подачей 4500 л/мин.

При подключении на заправку еще одного самолета расход топлива в сети начнет снижаться, начинает работать второй насос с подачей 4500 л/мин.

Аналогично срабатывает система автоматизации при подключении других гидрантных колонок до включения в работу всех насосов. Отметим, что включение и выключение всех насосов в процессе заправки зависит от начала и окончания заправок воздушных судов. При этом гидроударные процессы в напорной магистрали системы ЦЗТ могут создавать пульсационные колебания, особенно опасные при совпадении переходных процессов изменения оборотов нескольких насосов, выключения гидрантных колонок и срабатывании гидроамортизаторов системы ЦЗТ.

Дополнительные условия создаются при выключении насоса при резком снижении оборотов и прекращении подачи топлива в напорную магистраль системы ЦЗТ. По действующим нормам проектирования [9] расчет напорной магистрали системы ЦЗТ на гидравлический удар должен выполняться, исходя из условий внезапной остановки насосных агрегатов при максимальной производительности насосной установки, а также одновременного отключения не менее двух гидрантных колонок. Максимальное давление, возникающее в системе ЦЗТ, не должно превышать испытательного давления для технологического оборудования и специальной арматуры, установленной в системе.

При снижении расхода топлива в распределительной сети по окончании заправок одного или последовательно всех воздушных судов происходит обратный процесс последовательного отключения насосов.

В практике выполнения гидравлических расчетов переходные процессы движения жидкости, связанные с распространением ударных волн гидравлического удара в трубопроводной системе с учетом их наложения, не принимаются во внимание [7]. Поэтому гидравлический удар в системах ЦЗТ представляется как многофакторный быстродействующий короткопериодический процесс, обусловленный изменением скорости потока жидкости, с учетом модуля упругости топлива и стенок труб трубопроводной системы.

Диаграмма зависимости эксплуатационных характеристик давления и расхода от оборотов нерегулируемого асинхронного двигателя и появления гидравлических ударов представлена на рис. 2.

Как видно из диаграммы, в процессе выхода оборотов насоса на максимальный режим (100%) происходит резкое увеличение расхода, создающее условия для гидроударных колебаний, вызывающих пульсацию потока топлива в трубопроводных коммуникациях системе ЦЗТ на временном участке 1-4. Также пульсация потока топлива в трубопроводных коммуникациях системы ЦЗТ отмечается на временном участке 5.

Для защиты трубопроводов, технологического оборудования и специальной арматуры от повышенных давлений при гидроударных процессах в напорной магистрали системы ЦЗТ рекомендуется применение гидроамортизаторов и максимально возможное кольцевание разводящей сети системы ЦЗТ.

Как показывает отечественный и зарубежный опыт, применение гидроамортизаторов в некоторых случаях приводит даже к дополнительным пульсационным колебаниям. Поэтому наиболее эффективным способом снижения опасного проявления гидроударных процессов в последнее время считается предотвращение условий возникновения гидроударов, например, за счет применения систем автоматического управления электропривода насосов для плавного выхода на максимальные обороты.

Такие системы автоматического управления электропривода топливных насосов уже выпускаются промышленностью и находят применение при модернизации действующих систем ЦЗТ [10].

і ©

@0 0©

Бар 6^8 ба

о/

/о

Обороты насоса 100%

Расход

Рис. 2. Диаграмма изменения гидродинамических параметров потока в системе ЦЗС при заправке воздушных судов при нерегулируемых оборотах асинхронного двигателя:

1 - начало заправки воздушного судна - пуск насосного агрегата; 2 - 4 переходные процессы в системе ЦЗС, связанные с распространением ударной волны; 5 - окончание заправки воздушного судна - останов насосного агрегата

Исходя из подобия причин возникновения гидравлических ударов, рассмотрим его механизм на примере закрытия автоматического клапана гидрантной колонки за минимальное нормированное время.

Время закрытия автоматических клапанов гидрантных колодцев в соответствии с требованиями АР1 1584 - 3 [8] составляет 2 - 5 секунд. Эта норма была установлена с целью оптимизации математического ожидания массы заправляемого топлива и его влияния на взлетную массу воздушного судна [8]. Отсюда вытекает, что за время закрытия клапана Аt = 2 - 5 секунд будет происходить формирование первичных слоев скачка давления перед клапаном, и если давление у клапана до его закрытия было Р, то давление после закрытия клапана РЗК будет равно

где р - плотность жидкости; с - скорость распространения ударной волны; V - объем жидкости.

Далее формируется второй слой уплотнения, на который давят следующие слои, и т.д. Постепенно повышенное давление, возникшее первоначально непосредственно у клапана, распространяется далее по всему трубопроводу против течения топлива в виде ударной волны со скоростью с.

Скорость распространения ударной волны выражается классической формулой проф. Н.Е. Жуковского, впервые исследовавшего явление гидравлических ударов в трубопроводах Московского водопровода [4, 5]. После проведения необходимых преобразований в классической формуле, для случая трубопроводных систем ЦЗС, скорость распространения ударной волны определяется по формуле

Рзк = Р + АР,

где АР - изменение давления.

На основании теоремы количества движения величина АР равняется

АР = рс^

с =

( Л

ЕР 1

Р 1 + — Е^_

1 5 ЕК )

где р - плотность топлива, кг/м ; ё - диаметр трубопровода, м; 5 - толщина стенок труб, м; ЕР - модуль упругости жесткости; Ек - модуль упругости труб, в практике прочностных расчетов систем ЦЗС принимаются следующие значения модулей упругости: ЕР = 1,6 109N/ м2; Ек = 211109 N / м2 [6].

Для понимания процесса влияния эксплуатационных характеристик систем ЦЗС на возникновения гидравлических ударов рассмотрим некоторые механические характеристики жидкостей. Известно, что одной из основных механических характеристик жидкости является ее плотность. При этом под плотностью жидкости понимают массу жидкости, заключенную в единице объема

/>=-

Удельным весом называют вес единицы объема жидкости, который определяется по формуле

С увеличением температуры удельный вес жидкости уменьшается, следовательно, температура топлива в системе ЦЗС является эксплуатационной характеристикой, влияющей на величину гидравлических ударов в системах ЦЗС.

Под сжимаемостью жидкости понимается свойство жидкости изменять свой объем под воздействием давления. Сжимаемость жидкости характеризуется коэффициентом объемного сжатия, который определяется по формуле

7 =

в

V

где V - первоначальный объем жидкости.

Тогда изменение первоначального объема при увеличении давления на величину ёР будет ёУ . Величина, обратная pV, называется модулем объемной упругости жидкости и определяется по формуле

* = 1. в

Модуль объемной упругости не постоянен и зависит от давления и температуры. При гидравлических расчетах сжимаемостью жидкости обычно пренебрегают и считают жидкости практически несжимаемыми. Сжатие жидкостей в основном обусловлено сжатием растворенного в них газа. Растворимость газов в жидкостях характеризуется объемом растворенного газа в единице объема жидкости и определяется по закону Г енри

Р

V =Ужкр ,

где Уг - объем растворенного газа; Vж - объем жидкости; к - коэффициент растворимости; Р - давление топлива; Ра - атмосферное давление.

Закон Г енри устанавливает, что при постоянной температуре растворимость газа в данной жидкости прямо пропорциональна давлению этого газа над раствором.

В более удобной форме закон Г енри записывается следующим образом

C = kP,

где P - парциальное давление газа над раствором; C - концентрация газа в растворе в долях моля; k - коэффициент Г енри.

При этом коэффициент растворимости k имеет следующие значения при температуре 20 С°: для воды 0,016, керосина 0,13, топлива для реактивных двигателей ТС-1 0,292, минеральных масел 0,08, жидкости АМГ-10 - 0,1. При понижении давления выделяется растворимый в жидкости газ.

Из вышесказанного следует, что топливо в системах ЦЗТ, имея высокий коэффициент растворимости, содержит в своем составе определенный объем растворенного газа. При закрытии автоматического клапана происходит сжатие и смещение слоев топлива с образованием ударной волны гидравлического удара, направление распространения которой в начальный период против направления потока. Дальнейшее развитие переходных процессов зависит от конструктивных особенностей системы ЦЗТ.

Специфика переходных процессов при гидравлических ударах в основном определяется многократным наложением ударных волн в зависимости от конструктивных особенностей систем ЦЗТ в аэропортах и трансформацией этих волн при их прохождении по всей длине кольцевых трубопроводов [2, 6, 7, 8]. В системах ЦЗТ, как и во многих других инженерных системах, в конструкциях которых следует учитывать многофакторность и нелинейность гидродинамических процессов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Штернлихт Д.В. Гидравлика. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: КолосС, 2007.

2. Ухин Б.В. Гидравлика: учеб. пособие. - М.: ИД «ФОРУМ»: ИНФРА-М, 2009.

3. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. - 7-е изд. - М., 1972.

4. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: ГИ ТТЛ, 1950.

5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: учеб. пособие в 10 т. - Т. VI. Гидродинамика. - М.: Наука, 1986.

6. HYDRAULIC ANALYSIS OF THE HYDRANT REFUELING SYSTEM Ver. 1.1, 14 January 2002 Prepared by Hansa Consult Ingenieurgesellschaft mbH Beim Zeugamt 6, D-21509 Glinde.

7. http://www.mfx-systems.de/en/company/organisation-en.

8. API/IP 1584 Four-inch hydrant system components and arrangements http://www.portlandpress.com.

9. Руководство по проектированию объектов авиатопливообеспечения в аэропортах Российской Федерации. -М.:ГПИиНИИ ГА «Аэропроект», 2004.

10. Кузьмин С. А. Управление насосами объектов нефтепродуктообеспечения. - М.: НТЖ «Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса», ВНИИОЭНГ, 2008.

INFLUENCE OF OPERATIONAL OOERATING MODES OF HYDRANT SYSTEMS ON HYDRODYNAMIC CHARACTERISTICS OF A STREAM OF FUEL

Syrojedov N.E., Tereshenkov E.V., Volkov S.I.

Problems of occurrence of hydraulic shocks in Hydrant Systems and influences of operational characteristics on their occurrence in connection with mechanical characteristics of liquids are considered.

Key words: maintenance with aviation fuel, system of the centralized refueling, air court, a pulsation of a stream of fuel, hydraulic calculation jet fuels, corrsivity.

Сведения об авторах

Сыроедов Николай Евгеньевич, 1935 г.р., окончил КВИАУ ВВС (1961), кандидат технических наук, профессор кафедры авиатопливообеспечения МГТУ ГА, доцент, ведущий научный сотрудник ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России», автор более 140 научных работ, область научных интересов - авиатопливообеспечение аэропортов, безопасность системы заправки ВС горючесмазочными материалами.

Терещенков Евгений Владимирович, 1985 г.р., окончил МГТУ ГА (2007), аспирант кафедры авиатопливообеспечения и ремонта ЛА МГТУ ГА, инженер центра координации технического обслуживания воздушных судов авикомпании «ВИМ-Авиа», автор 3 научных работ, область научных интересов - авиатопливообеспечение аэропортов и воздушных судов, безопасность систем заправки топливом ВС.

Волков Сергей Иванович, 1985 г.р., окончил МГТУ ГА (2007), аспирант кафедры авиатопливо-обеспечения и ремонта ЛА МГТУ ГА, ведущий инженер группы контроля качества топлива аэропорта Домодедово, автор 3 научных работ, область научных интересов - авиатопливообеспечение аэропортов и воздушных судов, мониторинг и обеспечение чистоты авиатоплив.