СПОСОБ ОБВОДНЕНИЯ РЕАКТИВНОГО ТОПЛИВА, ПРИМЕНЯЕМОГО В ЛЕТНЫХ ИСПЫТАНИЯХ НА ОБЛЕДЕНЕНИЕ ТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЫ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
METHOD OF IRRIGATING TURBINE FUEL USED IN FLIGHT TESTS OF AIRCRAFT FUEL SYSTEM ICING

Изобретение относится к области авиации в части приготовления реактивного топлива с заданным содержанием воды для летных сертификационных испытаний на обледенение топливных систем летательных аппаратов и может быть использовано для контроля за количественными критериями обводненности реактивного топлива, обеспечивающими повышение достоверности испытания и работоспособности топливной системы при содержании в топливе количества растворенной и свободной воды, охлажденной до наиболее критической с точки зрения обледенения температуры при испытании в полете.
Известны отечественные "Нормы летной годности гражданских самолетов" -рекомендательный циркуляр Авиационных правил РЦ-АП25 ТС, в которых п.25.951(с) требует, чтобы каждая топливная система самолета с газотурбинными двигателями была способна длительно работать во всем диапазоне расходов и давлений с топливом, содержащим максимально возможное в ожидаемых условиях эксплуатации количество растворенной и свободной воды, охлажденной до наиболее критической с точки зрения обледенения температуры, которые могут встретиться в эксплуатации. В рекомендательном циркуляре РЦ-АП25 ТС нормируются параметры температуры, массовой доли воды в топливе и подлежат установлению соответствия исследуемых значений в топливе допустимому уровню массовой доли воды в топливе.
Известен метод К.Фишера определения фактически общей воды в массе % к топливу при заданной температуре. До начала обводнения методом К.Фишера или гидрид-кальциевым методом определяют исходное общее содержание воды в пробе топлива. Известен способ получения дисперсных систем в реактивных топливах, содержащий смешение в литровой емкости топлива с водой в соотношении 4:1, затем отстаивание и отделение дисперсной фазы на границе топливо-вода для определения влияния дисперсных систем в реактивном топливе на топливную аппаратуру (Патент RU №2183019, 2000 г.). Однако этот способ дает возможность проверять только физико-химические свойства и химический состав дисперсной фазы с адсорбционными смолами реактивных топлив и служит для контроля качества состояния топлив, находящихся на длительном хранении.
Близким по технической сущности и взятым за прототип является способ получения дисперсных систем в реактивных топливах на основании смешивания топлива с водой и прокачки полученной смеси по замкнутому контуру на модельной установке, имитирующей работу топливного насоса авиационного объекта. Объем исходного топлива 40 л (Бедрик Б.Г., Радкевич Т.Ф., Голубушкин В.Н. «Исследование особенностей применения авиационных топлив с противодокристаллизационными жидкостями». Тезисы доклада на Всесоюзной научно-технической конференции. Киев, 1981 г.). Недостатком известного способа является получение дисперсных систем только в объеме 40 л топлива для исследования отрицательного воздействия на модельную установку топливной аппаратуры с ограниченным объемом топлива с добавленной в него адсорбционной смолой.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении достоверности испытаний и работоспособности топливной системы при содержании в топливе требуемого количества растворенной и свободной воды, охлажденной до наиболее критической с точки зрения обледенения температуры в полете, за счет получения устойчивой, равномерно распределенной во всем объеме заправщика водотопливной эмульсии и повышения точности определения количественных критериев обводненности топлива: массовой доли и дисперсности воды реактивного топлива.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе обводнения реактивного топлива, применяемого в летных испытаниях на обледенение топливной системы летательного аппарата (ЛА), включающем операции смешивания навески реактивного топлива с заданным количеством воды, прокачку полученной смеси по замкнутому контуру в течение заданного времени до получения концентрата водотопливной эмульсии, производят двухэтапное обводнение топлива:
на первом этапе обводнения в бачок эмульгатора емкостью 40-50 л заливают топливо из топливозаправщика на 80-90% объема эмульгатора, в прокачиваемый поток топлива вводят воду с расходом 0,2-0,3 л/мин, количеством воды, определенным предварительным расчетом для обводнения топлива в топливозаправщике, далее прокачку насосом продолжают в течение времени:
Т=10 мин/л×Vв+20, мин
по круговому контуру в эмульгаторе до получения мелкодисперсной водотопливной эмульсии с размером глобул-капель воды 5-8 мкм, для чего предварительно вычисляют требуемый объем воды - Vв, которую необходимо ввести в топливо заправщика для получения в испытании на обледенение топливной системы в полете требуемой обводненности топлива, по следующей зависимости:
Vв=Vm×℘m×(Сзад.-Сисх.)/100×℘в,
где величину показателя требуемого объема воды - Vв, л, вычисляют в функции от объема топлива в заправленном топливозаправщике - Vm, л, плотности топлива - ℘m, кг/л, заданной массовой доли воды в топливе - Сзад., %, исходной массовой доли воды в топливе - Сисх.,%, плотности воды - ℘в.
2
Затем на втором этапе обводнения начинают прокачку всего объема топлива в теплоизолированном топливозаправщике по круговому контуру заправщика с расходом 200-300 л/мин топлива в течение 5-10 мин. Вводят в прокачиваемое насосом топливо эмульсию из эмульгатора с расходом 10 л/мин. Прокачка топлива с мелкодисперсной водотопливной эмульсией продолжается в течение времени, необходимого для одноразовой прокачки всей смеси через насос, получая в топливозаправщике устойчивую, сохраняющуюся в течение 6-8 ч смесь топлива с равномерно распределенной во всем объеме заправщика мелкодисперсной водотопливной эмульсией. Отбирают пробы топлива из заправщика, определяют массовую долю содержания и дисперсности в них воды, сравнивают с допустимыми значениями: Сно - 0,011-0,009%, d - 9,0-10 мкм при положительной температуре, приведенными в рекомендательном циркуляре РЦ-АП25 ТС. В случае соответствия обводненное топливо нагревают до температуры 27°С и заправляют в летательный аппарат для выполнения испытательного полета. Затем по результатам летных испытаний делают заключение о соответствии топливной системы ЛА Нормам летной годности гражданских самолетов «НЛГС».
Таким образом повышается достоверность испытаний и работоспособность топливной системы при содержании в топливе количества растворенной и свободной воды, охлажденной до наиболее критической с точки зрения обледенения температуры в полете, за счет получения устойчивой, равномерно распределенной во всем объеме заправщика водотопливной эмульсии и повышения точности определения количественных критериев обводненности топлива: массовой доли и дисперсности воды в топливе.
Экспериментальные данные, полученные при осуществлении способа, подтверждают эти выводы и обеспечили испытания топливных систем самолета Ил-82 на обледенение.
Предлагаемый способ поясняется чертежами, на которых изображено следующее.
На фиг.1 представлена блок-схема установки для приготовления обводненного топлива. Установка включает следующие основные элементы: топливозаправщик 1, основной насос 2, бачок-эмульгатор 3 с насосом 4, трехпозиционный кран 5, систему измерения температуры топлива, а также систему соединительных трубопроводов.
2
На фиг.2 и 3 приведены графики изменения во времени массовой доли Снo% содержания и дисперсности d, мкм, воды в среднем слое 6 и в нижнем слое 7 топлива при положительной температуре в топливозаправщике.
2
На фиг.4 приведены графики зависимости времени выпадения кристаллов льда от температуры обводняемого топлива и заданной массовой доли содержания воды в топливе в топливозаправщике для Снo%=0,03%; 0,02%; 0,01%.
Способ обводнения реактивного топлива, применяемого в летных испытаниях на обледенение топливной системы летательного аппарата, осуществляется следующим образом.
На фиг.1 представлена блок-схема установки для приготовления обводненного топлива. До начала обводнения методом Фишера или гидрид-кальциевым методом определяют исходное общее содержание воды в пробе топлива, отобранной из заправщика 1, и исходную массовую долю воды Сисх. в топливе, обеспечивающем испытательный полет.
Далее определяют количество воды, которое необходимо ввести в топливо заправщика, для получения в испытании на обледенение топливной системы в полете требуемой обводненности топлива по следующей зависимости:
Vв=Vm×℘m×(Сзад.-Сисх.)/100×℘в,
где величину показателя требуемого объема воды - Vв, л, вычисляют в функции от объема топлива в заправленном топливозаправщике - Vm, л, плотности топлива - ℘m, г/л, заданной массовой доли воды в топливе - Сзад., %, исходной массовой доли воды в топливе - Сисх., %, плотности воды - ℘в.
Как вариант, используют реактивное топливо марки ТС-1.
Производят двухэтапное обводнение.
Первый этап обводнения начинают с заливки в бачок эмульгатора 3 (обычно емкостью 40-50 л) на 80-90% объема топлива из заправщика (1) с последующей прокачкой топлива по круговому контуру: бачок-насос-бачок с помощью насоса (4) эмульгатора (3), в качестве которого используют электроприводной центробежный насос с двумя режимами работы, которые периодически используются при прокачке.
В прокачиваемый поток топлива в эмульгаторе вводят определенное расчетом количество воды Vв с расходом 0,2-0,3 л/мин, далее прокачку в эмульгаторе продолжают в течение времени, определяемого по формуле:
Т=10Vв+20, мин,
где Т - время прокачки водотопливной смеси, мин;
Vв - требуемый объем воды, введенной в эмульгатор, л;
10 мин/л, 20 мин - экспериментальные параметры насоса.
При таком режиме прокачки обеспечивают получение мелкодисперсной водно-топливной смеси топлива с размером глобул-капель воды 5-8 мкм.
На втором этапе обводнения начинают прокачку по круговому контуру топлива в заправщике 1 с расходом 200-300 л/мин в течение 5-10 мин, после чего в поток прокачиваемого топлива вводится водотопливная эмульсия из эмульгатора 3 с расходом 10 л/мин через трехпозиционный кран 5.
Для этого давление за насосом 2 заправщика 1 понижают относительно давления, установившегося за насосом 4 эмульгатора 3. Прокачка топлива с введенной водотопливной эмульсией продолжается в течение времени, необходимого для одноразовой прокачки всей смеси заправщика через насос 2.
Пример.
Для выполнения испытательного полета самолета требуется приготовить 3000 л топлива с содержанием воды 0,01% (массы) в виде мелкодисперсной водотопливной эмульсии. Начальное содержание воды в топливе 0% (массы).
Расчетный объем топлива Vm в заправщике 3000 л.
1. Расчет приготовления мелкодисперстной водотопливной эмульсии в эмульгаторе.
Для обводнения определяют требуемый объем воды, вводимой в эмульгатор, для получения требуемого количества мелкодисперсной водотопливной эмульсии 0,01% (массы).
- Рассчитывают объем воды Vв по формуле (1) с учетом следующих параметров:
плотность топлива - ℘m=0,78 кг/л,
заданная массовая доля воды в топливе - Сзад.=0,01%,
исходная массовая доля воды в топливе - Сисх.=0%,
плотность воды - ℘в=1 кг/л,
объем топлива в эмульгаторе Vт=45 л.
Vв=3000×0,78(0,01-0)/100×1=0,25 л.
- Рассчитывают время ввода воды в эмульгатор по формуле (2):
Тввода=10×0,25+20=22,5 мин.
- Определяют суммарный объем топлива с водой в эмульгаторе:
Vm+Vв=45,25 л.
- Затем определяют скорость прокачки топлива с водой в эмульгаторе для условий десятиразовой циркуляции: 45,25 л/22,5 мин=2,01 л/мин.
2. Расчет приготовления мелкодисперсной водотопливной эмульсии в заправщике - второй этап.
Время циркуляции топлива в заправщике 10 мин.
Расход циркулирующего топлива в заправщике 3000 л/10 мин=300 л/мин.
Определение времени введения мелкодисперсной водотопливной эмульсии из эмульгатора в заправщик:
Т=45,25 л/10 л/мин=4,52 мин.
Определение общего времени циркуляции топлива с введенной мелкодисперсной водотопливной эмульсией в заправщике:
Т=3045,25 л/300 л/мин=10,15 мин.
Отбирают пробы топлива ТС-1 из заправщика для определения массовой доли содержания и дисперсности в них воды. В случае соответствия этих показателей заданным граничным величинам обводненное топливо нагревается до 27°С и заправляется в летательный аппарат для выполнения испытательного полета.
Экспериментальные данные, полученные при осуществлении способа, представлены на фиг.2 и 3, на которых приведены графики изменения во времени массовой доли содержания и дисперсности воды в топливе при положительной температуре, для чего определяют изменения по времени массовой доли содержания воды до 0,01% в топливе при температуре 10°С, размеры d, мкм, глобул-капель воды, изменение по времени дисперсного состава воды с массовой долей до долей 0,01% в топливе при температуре 10°С в среднем 6 и нижнем 7 слоях топлива в топливозаправщике, приведены в таблице 1.
Таблица 1
Т°С
10°С
10°С
10°С
t, ч
0-8
8-12
12-24
36-44
Сн<sub>2</sub>o, %
0,012
0,008
0,007
0,0065 для среднего слоя топлива
в топливе
0,011
0,007
0,006
0,0051 для нижнего слоя топлива
d, мкм
9,0
15
25-15
10 для среднего слоя топлива
глобулводы
10
25
34-45
65 для нижнего слоя
В случае охлаждения обводненного топлива до отрицательной температуры не менее минус 12°С вода в топливе сразу находится в виде капель, которые с течением времени превращаются в кристаллы льда. Время до выпадения кристаллов льда в зависимости от температуры обводненного топлива и заданной массовой доли содержания воды в топливе определяют из графиков в соответствии с фиг.4. При температуре минус 12°С и менее кристаллы льда выпадают сразу в топливозаправщике, приведены в таблице 2.
Таблица 2
С% воды
Т°С
-5°С
-10°C
-12°С÷-15°С
t ч
t ч
t ч
0,03%
3
1,5
0
0,02%
3,7
1,7
0
0,01%
5,2
2,7
0
Таким образом, экспериментальные данные, полученные при осуществлении способа, а именно устойчивую в течение 6-8 ч, равномерно распределенную во всем объеме заправщика водотопливную эмульсию, дисперсность и массовую долю воды в топливе, не превышающую приведенной в рекомендательном циркуляре РЦ-АП25 ТС величины 0,025% при температуре 27°С в наземных испытаниях, подтверждают эти выводы и обеспечили испытания топливных систем самолета Ил-82 на обледенение.