СИСТЕМА ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ВОДЫ
WATER REMOVAL SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для удаления воды из топливного бака.
Уровень техники
Патент US 4809934 описывает бортовую систему для удаления воды в топливных баках воздушного судна. Воду всасывают струйным насосом и распыляют внутри топливного бака для потребления двигателями воздушного судна. Проблема с предложенной в патенте US 4809934 системой заключается в том, что полное удаление воды произойдет только при опорожнении топливных баков. Кроме того, распыленная в топливном баке вода может стать причиной образования «снега» или вызвать обледенение в топливном баке при низких температурах. Кроме того, предусмотрен только один топливный насос, поэтому не обеспечено резервирование в случае отказа насоса.
Раскрытие изобретения
Первый аспект изобретения предусматривает систему насосной подачи топлива и удаления воды, которая включает первый и второй топливные насосы, каждый из которых выполнен с возможностью отбора топлива из одного и того же топливного бака и перекачивания его к двигателю; и водооткачивающую магистраль, которая соединяет отверстие для впуска воды в топливном баке с первым топливным насосом, причем первый топливный насос выполнен с возможностью перекачивания топлива к двигателю с бóльшим расходом, чем второй топливный насос, до тех пор, пока не произойдет отказ первого топливного насоса.
Второй аспект изобретения предусматривает способ удаления воды из топливного бака при помощи системы по первому аспекту изобретения. Способ включает в себя подачу воды в первый топливный насос при помощи водооткачивающей магистрали; перекачивание топлива к двигателю при помощи первого топливного насоса с более высоким расходом по сравнению со вторым топливным насосом; а также, в случае отказа первого топливного насоса, перекачивание топлива к двигателю при помощи второго топливного насоса с более высоким расходом по сравнению с первым топливным насосом.
Второй топливный насос обеспечивает резервирование в случае отказа первого топливного насоса. Тот факт, что первый топливный насос выполнен с возможностью перекачивания топлива к двигателю с более высоким расходом, чем второй топливный насос, гарантирует то, что второй топливный насос не мешает первому топливному насосу выполнять функцию удаления воды.
Для того чтобы обеспечить перекачивание топлива к двигателю первым топливным насосом с более высоким расходом по сравнению со вторым топливным насосом, могут быть использованы различные методики. В одном варианте осуществления первый топливный насос дополнительно включает в себя рециркуляционное выходное отверстие с клапаном, который закрыт при первом давлении, а второй топливный насос дополнительно включает в себя рециркуляционное выходное отверстие с клапаном, который закрыт при втором давлении, которое ниже первого давления. В другом варианте осуществления насосы снабжены соответствующими выходными магистралями, которые соединены друг с другом по параллельной схеме, причем первый топливный насос имеет более высокое выходное давление по сравнению со вторым топливным насосом. Для достижения подобного результата могут быть предусмотрены другие методики.
Воду можно нагнетать в первый топливный насос при помощи насоса с электрическим приводом. Однако в этом случае возникает проблема, связанная с прокладкой электрических кабелей в топливный бак. Поэтому предпочтительно нагнетать воду в первый топливный насос при помощи эжекторного насоса. Использование эжекторного насоса (вместо насоса с электрическим приводом) означает, что отпадает потребность в дополнительной электроэнергии, а также в сопутствующих кабелях, средствах управления и обеспечения безопасности.
Эжекторный насос может быть предусмотрен во входной магистрали насоса, которая соединяет отверстие для впуска топлива с первым топливным насосом, или в рециркуляционной магистрали, по которой топливо циркулирует от выходного отверстия первого топливного насоса к входному отверстию первого топливного насоса. В первом случае расход воды пропорционален расходу топлива во входной магистрали насоса, вследствие чего концентрация воды во входной магистрали насоса остается относительно постоянной величиной, не зависящей от расхода топлива. В некоторых ситуациях второй случай может быть предпочтительным, поскольку во входной магистрали насоса не нужен суживающийся канал, а также во входной магистрали насоса не нужны дополнительные конструктивные элементы.
Эжекторный насос может включать в себя суживающийся канал в виде трубки Вентури, вблизи которого расположено выходное отверстие водооткачивающей магистрали. В качестве альтернативы эжекторный насос может включать в себя всасывающую трубку.
Первый топливный насос может включать в себя рециркуляционное выходное отверстие и рециркуляционную магистраль, которая соединяет рециркуляционное выходное отверстие с входным отверстием первого топливного насоса. Рециркуляционное выходное отверстие может быть использовано для «понижения параметров» насоса, и вместо того, чтобы вести в топливный бак, рециркуляционное отверстие ведет в рециркуляционную магистраль для направления потока обратно во входное отверстие насоса. Это гарантирует то, что нагнетаемая в насос вода не будет повторно распределяться в топливном баке. Рециркуляционное выходное отверстие можно также использовать для обеспечения двигательной силы для эжекторного насоса, как описано выше.
Способ и система по первому и второму аспектам изобретения могут быть эффективными в топливном баке воздушного судна или в любом другом топливном баке, откуда требуется удалить воду.
Во время взлета и набора высоты воздушным судном расход топлива относительно велик, поэтому на этих этапах полета удаление воды из топливного бака может осуществляться быстрее. Поэтому предпочтительно, чтобы водооткачивающая магистраль была выполнена с возможностью отбора воды из одного или более отверстий для впуска воды, а топливный бак в нижней части имел участок, где будет собираться вода во время взлета или набора высоты. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере одно из отверстий для впуска воды было расположено вблизи этого участка с тем, чтобы обеспечить отвод воды во время взлета и набора высоты.
Третий аспект изобретения предусматривает систему для удаления воды, установленную в топливном баке воздушного судна, выполненную с возможностью отвода воды из одного или более отверстий для впуска воды и подачи воды в двигатель воздушного судна. Топливный бак в нижней части имеет первый участок, где собирается вода во время взлета или набора высоты, причем, по меньшей мере, одно из отверстий для впуска воды расположено вблизи первого участка с тем, чтобы обеспечить отвод воды во время взлета и набора высоты.
Четвертый аспект изобретения предусматривает способ удаления воды из топливного бака воздушного судна, причем способ включает в себя отвод воды из отстойника в нижней части топливного бака во время взлета или набора высоты и подачу этой воды в двигатель воздушного судна.
Предпочтительно, чтобы топливный бак имел в нижней части второй участок, где будет собираться вода, когда воздушное судно находится на земле, а система не имела отверстий для впуска воды, расположенных вблизи второго участка.
Обычно первый участок смещен к задней части топливного бака относительно направления движения воздушного судна.
Краткое описание чертежей
Далее в тексте будет представлено подробное объяснение изобретения со ссылкой на примерный вариант осуществления, проиллюстрированный на чертежах.
Фиг.1 показывает воздушное судно;
Фиг.2 показывает часть топливной системы воздушного судна;
Фиг.3 показывает детальный вид водооткачивающего насоса;
Фиг.4 показывает часть альтернативной топливной системы без рециркуляционной магистрали на водооткачивающем насосе;
Фиг.5 показывает детальный вид топливного бака и водооткачивающего насоса по фиг.4;
Фиг.6 показывает вариант всасывающей трубки; и
Фиг.7 показывает вид сверху части дальнейшей альтернативной топливной системы.
Осуществление изобретения
Согласно фиг.1 воздушное судно 1 включает в себя фюзеляж 2 с двумя крыльями, левое крыло обозначено цифрой 3. К каждому крылу прикреплен двигатель, на фиг.1 левый двигатель обозначен цифрой 4. В состав двигателя входит топливный насос высокого давления (не показан), для которого требуется минимальное давление на входе, обычно порядка 5-10 psig.
Топливо для каждого двигателя хранится в центральном баке и в одном или более крыльевых баках. В примерах, показанных ниже на фигурах 2-7, описан только один крыльевой бак, но на практике имеются дополнительные крыльевые топливные баки.
Фиг.2 показывает блок-схему, включающую в себя центральный бак 10 и крыльевой бак 11 для левого крыла 3.
Центральный бак 10 снабжен топливным насосом 12 с электроприводом, который имеет входную магистраль 13 для отбора топлива из бака 10 и выходное отверстие 14, которое включает в свой состав невозвратный клапан, предотвращающий обратный поток в насос. Выходное отверстие 14 последовательно присоединено к топливной магистрали 15, ведущей к двигателю 4.
Крыльевой топливный бак 11 включает в себя два топливных насоса 20, 21 с электроприводом, которые имеют одинаковую конструкцию (и идентичны также топливному насосу 12), поэтому для одинаковых деталей будут использоваться одинаковые номера позиций. Каждый топливный насос 20, 21 включает в себя входную магистраль 22, 31 для отбора топлива из бака и главное выходное отверстие 23, в состав которого включен невозвратный клапан, предотвращающий обратный поток в насос. Это главное выходное отверстие 23 последовательно соединено с выходной магистралью 24. Выходные магистрали 24, в свою очередь, соединены с топливной магистралью 15 параллельно друг другу и параллельно насосу 12 в центральном баке 10. Каждый насос 20, 21 снабжен также рециркуляционным выходным отверстием 25, которое присоединено к входной магистрали 22, 31 параллельно главному выходному отверстию и невозвратному клапану 23. Рециркуляционное выходное отверстие 25 ведет к предохранительному клапану 26, который открывается, когда давление топлива превышает 24 psig. Клапан 26 включает в себя подпружиненный элемент, который входит в зацепление с седлом клапана и открывается, противодействуя усилию пружины, когда давление превышает 24 psig. Таким образом, регулируя степень сжатия пружины, можно корректировать величину давления, при котором открывается клапан. Клапан 26, прикрепленный ко второму насосу 20, открывается в топливный бак, но клапан 26, прикрепленный к первому (водооткачивающему) насосу 21, ведет в рециркуляционную магистраль 30, по которой поток возвращается обратно во входную магистраль 31.
Топливные баки используют в следующей последовательности:
1. Центральный бак используют только в том случае, когда длительность полета превышает примерно 2 часа. Если этот бак не используют, его не заполняют топливом и насос 12 не включают, так как все топливо подается из крыльевых баков.
2. При запуске двигателей перед взлетом включают насос 12 центрального бака и насосы 20, 21 крыльевых баков. Давление подачи топлива от насоса 12 центрального бака составляет приблизительно 40 psig, что вызывает полное автоматическое открывание предохранительных клапанов 26 с целью «понижения параметров» насосов 20, 21 крыльевых баков. То есть при работающем насосе центрального бака открываются предохранительные клапаны 26 и поток из центрального бака имеет преимущество над потоком из крыльевого бака, так как крыльевые насосы 20, 21 лишь осуществляют рециркуляцию топлива. Невозвратные клапаны 23 предотвращают перетекание топлива высокого давления из центрального бака в крыльевые баки.
3. При взлете насос 12 центрального бака выключают, после чего в ответ на падение давления автоматически закрывается предохранительный клапан 26 на первом насосе 21 и все топливо поступает из крыльевого бака. Для того чтобы обеспечить резервирование, в крыльевом баке предусмотрены два насоса 20, 21. То есть в случае отказа одного из насосов второй насос сам по себе способен обеспечить перекачивание топлива с таким расходом, который требуется при взлете или наборе высоты. Через короткое время после взлета включают насос 12 центрального бака и предохранительный клапан 26 на первом насосе снова открывается, благодаря чему осуществляется полная рециркуляция топлива в крыльевом баке, так что подача топлива в двигатели осуществляется исключительно из центрального бака. После опорожнения центрального бака давление в топливной магистрали 15 падает, вследствие чего предохранительный клапан 26 вновь автоматически закрывается. Тогда подача топлива продолжается из крыльевого бака, а насос 12 центрального бака снова выключают.
Проблема с рециркуляционным насосом 20 заключается в том, что вода, поступающая в насос, будет распыляться и повторно распределяться в баке 11, образуя «снег» или вызывая обледенение в баке при низких температурах, наблюдаемых на высоте. После выхода воздушного судна на крейсерскую высоту, где очень низкая наружная температура, топливный бак менее чем за 30 минут остынет до температуры ниже точки замерзания воды. После замерзания воды ее невозможно будет извлечь из топливного бака, пока воздушное судно не снизится.
Водооткачивающая магистраль 32, показанная на фиг.2, отбирает воду из отстойника крыльевого бака 11 и нагнетает ее во входную магистраль 31 насоса 21. Рециркуляционная магистраль 30 предотвращает рециркуляцию этой воды в топливном баке 11 и исключает опасность образования «снега» или обледенения, о чем говорилось выше.
Система для удаления воды показана на фиг.3 с дополнительными подробностями. Входная магистраль 31 включает в себя отверстие 36 для впуска топлива (снабженное сетчатым фильтром), которое находится внутри топливного бака, и эжекторный насос, состоящий из трубки 33 Вентури, которая проходит по окружности входной магистрали насоса. Трубка 33 Вентури расположена выше по потоку относительно Y-образного соединительного узла 34, где рециркуляционная магистраль 30 соединяется с входной магистралью 31. Водооткачивающая магистраль 32 имеет отверстие 35 для впуска воды в отстойнике топливного бака и выпускное отверстие в критическом сечении трубки 33 Вентури. Из-за наличия низкого давления в критическом сечении трубки 33 Вентури вода всасывается через отверстие 35 для впуска воды, откуда попадает во входную магистраль 31 насоса и вливается в главный поток. Благодаря тому, что вода нагнетается во входную магистраль 31 насоса в соединительном узле (то есть на выходе критического сечения трубки 33 Вентури) ниже по потоку относительно отверстия 36 для впуска топлива, система гарантирует подачу воды непосредственно в насос 21.
Благодаря использованию эффекта Вентури обеспечивается то, что расход подаваемой воды пропорционален расходу топлива через входную магистраль насоса. Трубка 33 Вентури выполнена с возможностью всасывания значительного количества воды с большим расходом только во время взлета и набора высоты. В результате концентрация воды автоматически ограничивается уровнем, приемлемым для двигателей.
Рециркуляционная магистраль 30 предотвращает попадание всасываемой воды обратно в бак 11. Поскольку соединительный узел 34 находится ниже по потоку относительно трубки 33 Вентури, рециркуляционная магистраль 30 также ограничивает расход через трубку 33 Вентури величиной расхода насоса, откачивающего топливо из крыльевого бака. Во время взлета и набора высоты эта величина, по существу, соответствует расходу двигателя.
Система для удаления воды, показанная на фиг.3, является полностью автоматической и работает от гидравлического воздействия топлива во входной магистрали 31. В результате отпадает необходимость прокладывать в топливный бак электрические провода или линии передачи данных для системы удаления воды.
Недостатки системы по фиг.3 заключаются в следующем:
- рабочие характеристики первого насоса 21 могут быть понижены по сравнению с рабочими характеристиками второго насоса 20;
- рабочие характеристики последовательного клапана 26 на насосе 21 могут быть понижены по сравнению с рабочими характеристиками последовательного клапана 26 на насосе 20;
- размер рециркуляционной магистрали 30 и сложность ее конструкции могут затруднять ее установку.
Топливная система, показанная на фигурах 4-6, позволяет устранить эти проблемы. Показанная на фигурах 4-6 топливная система аналогична той, которая показана на фиг.2, и одинаковым элементам присвоены одинаковые номера позиций. В системе по фиг.4-6 рециркуляционная магистраль 30 отсутствует, а последовательный клапан 26' на первом насосе 21 направляет топливо по замкнутому циклу в бак (аналогично последовательному клапану 26 на втором насосе 20). В системе для удаления воды использованы две водооткачивающие магистрали 32а, 32b, которые проходят бок о бок в критическом сечении трубки 33 Вентури в эжекторном насосе, как показано на фиг.5.
Вода стремится собраться в самом низком участке в нижней части 43 крыльевого бака, и этот участок смещается в зависимости от ориентации воздушного судна. Самый низкий участок, соответствующий наземному положению воздушного судна, показан на фиг.5 цифрой 42. В показанном на фиг.5 примере кривизна крыльевого бака такова, что участок 42 смещен к центру крыльевого бака. Во время взлета воздушное судно совершает движение тангажа по направлению вверх под острым углом, вследствие чего скопившаяся вода перемещается на другой участок, который на фиг.5 обозначен цифрой 41. Этот новый участок смещен к задней части крыльевого бака относительно направления движения воздушного судна. Во время набора высоты угол становится менее острым, и скопившаяся вода перемещается на участок 40, который также смещен к задней части крыльевого бака относительно направления движения воздушного судна, но в меньшей степени, чем участок 41. Входное отверстие 35а водооткачивающей магистрали 32а находится вблизи участка 40, а входное отверстие 35b водооткачивающей магистрали 32b находится вблизи участка 41. Это гарантирует, что отбор воды будет происходить только во время взлета и набора высоты, когда последовательный клапан 26' закрыт. При нахождении воздушного судна на земле последовательный клапан 26' открыт (поскольку насос центрального бака подает топливо под более высоким давлением), но вода не отбирается и не направляется по замкнутому циклу в бак. Это происходит из-за того, что вблизи участка 42, где стремится собраться вода при нахождении воздушного судна на земле, нет входного отверстия водооткачивающей магистрали.
Заданный уровень давления последовательного клапана 26', прикрепленного к водооткачивающему насосу 21, выше, чем заданный уровень давления последовательного клапана 26 на насосе 20. Это обеспечивает то, что подачу топлива во время взлета и набора высоты осуществляет только насос 21. В случае отказа этого насоса нагрузку принимает на себя насос 20. Последовательные клапаны 26 в системе по фиг.2 также имеют различные заданные уровни давления.
Из-за того что во время взлета и набора высоты подачу топлива осуществляет только водооткачивающий насос 21, в двигатель подается максимальное количество воды. Это происходит благодаря тому, что большая часть потока (в пределах от 70% до 95%) от насоса 21 поступает в двигатель, и только малая часть (в пределах от 5% до 30%) направляется по замкнутому циклу в бак. В противоположность этому в случае открытия обоих последовательных клапанов 26, 26' при взлете и наборе высоты в двигатель будет подаваться лишь небольшая часть потока (в пределах от 35% до 46%) от насоса 21, а остальная часть (в пределах от 54% до 65%) будет направляться по замкнутому циклу в бак.
Вариант, когда эжекторный насос играет роль устройства сопряжения между водооткачивающими магистралями и входной магистралью насоса, показан на фиг.6. В этом случае стенки входной магистрали 31 насоса параллельны (то есть отсутствует трубка Вентури), а водооткачивающие магистрали 32а, 32b осуществляют подачу во всасывающую трубку 50, которая проходит через стенку входной магистрали 31 насоса и изгибается под углом 90° в направлении потока. Всасывающая трубка 50 образует суживающийся канал в магистрали 31, вследствие чего в выходном отверстии трубки 50 снижается давление. За счет этого снижения давления обеспечивается отбор воды из всасывающей трубки 50 в центр магистрали 31 благодаря эффекту Вентури.
Центральный бак 10 может быть снабжен системой для удаления воды (не показана) того типа, который описан в патенте US4809934, или того типа, который описан выше со ссылкой на фигуры 4-6 (но без рециркуляционного выходного отверстия).
Топливная система, показанная на фиг.7, аналогична той, которая показана на фигурах 2 и 4, поэтому для одинаковых деталей использованы одинаковые номера позиций. Обращаем внимание на то, что на фиг.7 показан вид сверху с направлением Х (то есть направлением движения) воздушного судна, ориентированным вертикально вниз, в отличие от фиг.6, на которой показан вид сбоку с направлением Х (не показано), ориентированным по горизонтали влево.
В случае по фиг.7 показана система откачивания топлива для центрального бака 10. Система откачивания топлива включает в себя три откачивающих входных отверстия, присоединенных к эжекторному насосу 61. Движущий поток для эжекторного насоса 61 обеспечен с помощью магистрали 60, которая ответвляется от топливной магистрали 15 и подает топливо обратно во входную магистраль 13.
Выходные магистрали 24 от насосов 20, 21 соединяются друг с другом по параллельной схеме в соединительном узле 68 выше по потоку относительно соединительного узла 69 в главной топливной магистрали.
Самый низкий участок, соответствующий наземному положению воздушного судна, показан на фиг.7 цифрой 64. Во время взлета и набора высоты воздушное судно совершает движение тангажа по направлению вверх под острым углом, вследствие чего скопившаяся вода перемещается назад, на другой участок, который обозначен цифрой 65. Этот новый участок смещен к задней части крыльевого бака 11 по отношению к направлению Х движения воздушного судна. Это гарантирует, что отбор воды будет происходить только во время взлета и набора высоты, когда последовательный клапан 26' закрыт. При нахождении воздушного судна на земле последовательный клапан 26' открыт, но вода не отбирается и не направляется по замкнутому циклу в бак. Это происходит из-за того, что вблизи участка 64, где стремится собраться вода при нахождении воздушного судна на земле, нет входного отверстия водооткачивающей магистрали.
В противоположность схемам, показанным на фигурах 2 и 4, в которых эжекторный насос выполнен во входной магистрали 31 насоса, используют отдельный эжекторный насос 70, движущий поток для которого обеспечивает рециркуляционная магистраль 66, которая направляет топливо по замкнутому циклу обратно во входную магистраль 31. Это означает, что во входной топливной магистрали 31 не нужны никакие конструктивные элементы.
Выходное отверстие 74 рециркуляционной магистрали 66 находится в топливном баке выше по потоку относительно отверстия 72 для впуска топлива, но достаточно близко от отверстия 72 для впуска топлива (и ориентировано в направлении отверстия 72 для впуска топлива), для того чтобы большая часть потока от рециркуляционной магистрали 66 отбиралась с помощью отверстия 72 для впуска топлива. В качестве альтернативы выходное отверстие рециркуляционной магистрали 66 может находиться во входной магистрали 31, ниже по потоку относительно отверстия 72 для впуска топлива.
По магистрали 73 топливо от обоих насосов 20, 21 подают в наружный крыльевой бак, для того чтобы обеспечить движущий поток для дальнейших магистралей откачивания топлива (не показаны).
По гравитационной магистрали 74 топливо самотеком поступает к двигателю в случае отказа обоих насосов 20 и 21.
В описанных выше вариантах осуществления насосы 20, 21 идентичны и имеют одинаковое выходное давление. Первый насос 21 выполнен с возможностью перекачивания топлива к двигателю с бóльшим расходом, чем второй насос 20, путем настройки его последовательного клапана на более высокое давление. В дальнейшем варианте осуществления изобретения можно полностью обойтись без последовательных клапанов 26, 26', и в этом случае первый насос 21 будет более крупным насосом с более высоким выходным давлением по сравнению со вторым насосом 20. Эта разница в выходном давлении дает эффект, аналогичный дифференциальной настройке последовательных клапанов, то есть она гарантирует, что второй насос 20 не будет подавать топливо к двигателю или будет подавать его в минимальном количестве до тех пор, пока не произойдет отказ первого насоса 21.
Несмотря на то, что описание настоящего изобретения было сделано посредством одного или более предпочтительных вариантов осуществления изобретения, оно не ограничивается этим описанием, а предполагает изменение или модифицирование самыми различными способами без отхода от объема изобретения согласно прилагаемой формуле.