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.
Раскрытие изобретения
Первый аспект изобретения предусматривает топливную систему, которая включает в себя топливную магистраль; топливный насос, входное отверстие которого соединено с топливным баком, а выходное отверстие соединено с топливной магистралью; и систему удаления воды, снабженную входным отверстием для отвода воды из топливного бака и выходным отверстием, соединенным с топливной магистралью параллельно насосу.
Второй аспект изобретения предусматривает способ удаления воды из топливного бака, который включает в себя удаление воды из топливного бака; нагнетание ее в топливную магистраль ниже по потоку относительно топливного насоса; и подачу воды из топливной магистрали в двигатель.
Нагнетание воды непосредственно в топливную магистраль (вместо распыления ее в топливном баке) позволяет полностью или, по меньшей мере, частично избавиться от указанных выше проблем.
Система удаления воды может приводиться в действие электричеством, но более предпочтительно, чтобы она работала от гидравлического воздействия топлива в топливной магистрали с использованием, например, трубки Вентури или комбинации гидромотор/насос.
Краткое описание чертежей
Далее в тексте будет представлено подробное объяснение изобретения со ссылкой на вариант осуществления, проиллюстрированный на чертежах.
Фиг.1 показывает воздушное судно;
Фиг.2 показывает часть топливной системы воздушного судна;
Фиг.3 показывает детальный вид гидромотора и водооткачивающего насоса;
Фиг.4 показывает систему Вентури, состоящую из одной трубки Вентури с отводом из критического сечения;
Фиг.5 показывает систему Вентури с отводом из критического сечения и второй трубкой Вентури;
Фиг.6 показывает систему Вентури, содержащую встроенную вторую трубку Вентури с отводом из критического сечения;
Фиг.7 показывает систему Вентури, содержащую встроенную вторую трубку Вентури со струйной трубкой;
Фиг.8а показывает систему Вентури со струйной трубкой и второй трубкой Вентури; и
Фиг.8b показывает разрез части системы по фиг.8а.
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 представленном ниже примере 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, который имеет входное отверстие 13 для отвода топлива из бака 10 и выходное отверстие 14, которое содержит невозвратный клапан, предотвращающий обратный поток в насос и присоединенный последовательно к топливной магистрали 15, идущей к двигателю 4.
Крыльевой топливный бак 11 включает в себя два топливных насоса 20, 21 одинаковой конструкции (которые также идентичны топливному насосу 12), поэтому для одинаковых деталей будут использоваться одинаковые номера позиций. Каждый топливный насос 20, 21 включает в себя входное отверстие 22 для отвода топлива из бака, и главное выходное отверстие 23, в состав которого включен невозвратный клапан, предотвращающий обратный поток в насос и присоединенный последовательно к питающей магистрали 24. Питающая магистраль 24, в свою очередь, соединена с топливной магистралью 15, параллельно насосу 12 в центральном баке 10. Каждый насос 20, 21 снабжен также вторым выходным отверстием 25, которое присоединено к входному отверстию 22 параллельно главному выходному отверстию и невозвратному клапану 23. Второе выходное отверстие 25 ведет к предохранительному клапану 26, который открывается для рециркуляции топлива в топливном баке в случае, когда давление 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 регулировать величину давления, при котором открывается клапан.
Для того чтобы обеспечить резервирование, в крыльевом баке предусмотрены два насоса 20, 21. То есть, в случае выхода из строя одного из насосов, второй насос способен обеспечить подачу топлива, которая требуется при взлете воздушного судна.
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 находящиеся в нем насосы 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 в крыльевом баке 11. Невозвратные клапаны 23 предотвращают перетекание топлива, находящегося под более высоким давлением, из центрального бака в крыльевые баки.
3. При взлете насос 12 центрального бака выключают, после чего, в ответ на падение давления автоматически закрываются предохранительные клапаны 26, и все топливо поступает из крыльевых баков. Через короткое время после взлета включают насос 12 центрального бака и предохранительные клапаны 26 снова открываются, вследствие чего возобновляется полная рециркуляция топлива в крыльевых баках, так что подача топлива в двигатели осуществляется исключительно из центрального бака. После опорожнения центрального бака давление в топливной магистрали 15 падает, вследствие чего предохранительные клапаны 26 автоматически закрываются. Тогда подача топлива продолжается из крыльевого бака, а насос 12 центрального бака снова выключают.
Проблема с рециркуляционными насосами 20, 21 заключается в том, что вода, поступающая во входное отверстие насоса, 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.
Система 30 удаления воды, показанная на фиг.2, отбирает воду из отстойника крыльевого бака 11 и нагнетает ее в топливную магистраль 15 в месте установки соединительного узла 39 ниже по потоку относительно насосов 12, 20, и 21. Это предотвращает рециркуляцию воды в топливном баке и исключает опасность образования «снега» или обледенения, о чем говорилось выше. Система 30 удаления воды включает в себя насос 31, снабженный входным отверстием 32 для отбора воды из отстойника крыльевого бака, и выходным отверстием 33, которое присоединено к топливной магистрали параллельно насосам 12, 20, и 21. Насос 31 приводится в действие гидромотором 34, снабженным валом 35 отвода мощности, который механически связан с входным валом водооткачивающего насоса 31. Гидромотор 34 имеет жидкостный вход 37, присоединенный к топливной магистрали 15 с помощью двустороннего соединительного узла, и жидкостный выход 38, который открывается в топливный бак 11. Гидромотор 34 работает от гидравлического воздействия топлива, всасываемого из топливной магистрали 15, как более подробно показано на фиг.3.
Как показано на фиг.3, гидромотор включает в себя две сцепленные шестерни (рабочая шестерня 40 и промежуточная шестерня 41), которые находятся в камере 42, показанной в разрезе. Рабочая жидкость втекает во входное отверстие 37 и протекает по периферии камеры 42 к выходному отверстию 38, заставляя шестерни 40, 41 вращаться навстречу друг другу, как показано на фигуре. Выходной вал 35 соединен с рабочей шестерней 40 и шестерней 43 насоса 31. Шестерня 43 входит в зацепление с шестерней 44 в камере 45. Вращение шестерни 43 заставляет шестерню 44 вращаться во встречном направлении, как показано на фигуре, забирая смесь воды с топливом из входного отверстия 32 по периферии камеры 45 и выпуская ее через выходное отверстие 33.
Соотношение давления в выходном отверстии насоса и давления подачи гидромотора является очень важным параметром, так как насос 31 должен создавать немного более высокое давление, чем давление подачи гидромотора (обычно на 2-5 psi больше), поскольку он должен нагнетать удаляемую смесь воды с топливом обратно в топливную магистраль 15 высокого давления. В соединительном узле 39 имеется узкая диафрагма, которая обеспечивает нагнетание удаляемой смеси воды с топливом в топливную магистраль 15 в виде мелкодисперсного аэрозоля.
Если объем жидкости, перемещаемой гидромотором 34, сделать больше, чем объем жидкости, перемещаемый насосом 31, это приведет к тому, что давление в выходном отверстии насоса будет выше, чем давление подачи гидромотора. Этого можно достичь путем увеличения диаметра шестерен 40, 41 гидромотора и/или путем увеличения осевой длины шестерен 40, 41 гидромотора по отношению к шестерням 40, 43 насоса. Если увеличить осевую длину вдвое, тогда, приняв производительность гидромотора и насоса за 100%, давление насоса станет вдвое больше давления гидромотора, а его расход уменьшится наполовину. Если принять во внимание потери на трение и протечки, то давление насоса будет примерно в 1,5 раза больше давления подачи гидромотора.
Таким образом, для того чтобы установить нужное соотношение между давлением в выходном отверстии насоса и давлением подачи гидромотора, необходимо точно откорректировать соотношение между шестернями гидромотора и шестернями насоса.
Преимущества использования шестеренчатого гидромотора 34 и шестеренчатого насоса 31 заключаются в том, что они оба представляют собой устройства объемного вытеснения (при каждом обороте вала 35 перемещается определенный объем жидкости), для которых можно без труда установить соотношение между давлением гидромотора и давлением насоса, кроме того, эти устройства очень просты по конструкции, состоят из небольшого количества деталей и работают на относительно низких скоростях от 1000 до 3000 об/мин, что обеспечивает их длительный ресурс.
Другой важной характеристикой комбинации гидромотор/насос является то, что она обладает способностью самозапуска. Это позволяет сделать ее работу полностью автоматической, вследствие чего отпадает необходимость прокладывать в топливный бак электрические провода или линии передачи данных для системы 30 удаления воды.
В альтернативных вариантах осуществления систему 30 удаления воды с приводом от гидромотора заменяют системой удаления воды, приводимой в действие с помощью трубки Вентури. На фигурах 4-8 показаны различные альтернативные варианты осуществления систем удаления воды, приводимых в действие с помощью трубок Вентури.
Согласно фиг.4, трубка Вентури выполнена в топливной магистрали 15. Трубка Вентури имеет входное отверстие 50 конической формы с сужающимися под большим углом стенками и выходное отверстие 51 конической формы с пологими стенками. Кольцевая канавка 52 расположена в критическом сечении трубки Вентури (то есть в ее самой узкой части). Канавка 52 ведет в кольцевую камеру 53. Два всасывающих отверстия 54, 55 размещены в отстойнике крыльевого бака 11 и снабжены фильтрами 54', 55'. Питающие магистрали 56, 57 ведут от отверстий 54, 55 в камеру 58, снабженную сетчатым фильтром/ловушкой 59. Питающая магистраль 60 ведет из камеры 58 в кольцевую камеру 53.
Трубка Вентури всасывает смесь воды с топливом через магистраль 60, и вода диспергируется в топливо в топливной магистрали 15. Давление (Р1) в топливной магистрали выше по течению относительно трубки Вентури обычно составляет порядка 40 psig при работающем топливном насосе 12 главного бака и 24 psig при выключенном топливном насосе 12 главного бака. Расход топлива двигателем (Q1) в магистрали 15 выше по потоку относительно трубки Вентури может меняться в диапазоне от 0,2 литра в секунду (в крейсерском режиме полета воздушного судна) до 2,2 литра в секунду (во время взлета воздушного судна). Давление (Р2) в критическом сечении трубки Вентури должно быть равно или немного меньше давления в топливном баке 11 (примерно 0 psig), для того чтобы обеспечить всасывание смеси воды с топливом в топливную магистраль. Давление (Р3) в топливной магистрали ниже по потоку относительно трубки Вентури обычно примерно на 10% ниже давления Р1. Таким образом, падение давления (Р1-Р2) на входе трубки Вентури, и прирост давления (Р3-Р2) на выходе трубки Вентури должен быть порядка Р1. Для того чтобы достичь такого большого изменения давления, диаметр трубки Вентури должен уменьшаться примерно от 38 мм до 6-7 мм в критическом сечении. Для отверстия такого маленького диаметра существует опасность забивания твердыми частицами или льдом.
Фиг.5 показывает систему с двумя трубками Вентури. Трубка Вентури, идентичная трубке Вентури по фиг.4, выполнена в топливной магистрали 15, но она имеет больший диаметр в критическом сечении (порядка 12-14 мм). Обводная магистраль 70 проходит между входным отверстием 71 в стенке топливной магистрали (выше по течению относительно трубки Вентури) и кольцевой камерой 53. В магистрали 70 предусмотрен сетчатый фильтр/ловушка 72. Давление в критическом сечении трубки Вентури в топливной магистрали составляет порядка 0,5Р1 (то есть примерно 12 psig при выключенном топливном насосе 12 главного бака). Вследствие этого топливо всасывается через входное отверстие 71 (где давление составляет Р1), и по магистрали 70 поступает в камеру 53. В магистрали 70 предусмотрена вторая трубка Вентури 73. Струйная трубка 74 расположена так, что ее входное отверстие (не показано) находится в отстойнике крыльевого бака 11, а ее выходное отверстие расположено выше по потоку относительно трубки Вентури 73. Давление в критическом сечении трубки Вентури 73 равно или немного меньше давления в крыльевом баке 11 (примерно 0 psig), для того чтобы обеспечить всасывание смеси воды с топливом в магистраль 70. Таким образом, в конструкции с двумя трубками Вентури, показанной на фиг.5, работу выполняют две параллельные трубки Вентури. Это позволяет не делать трубку Вентури в главной топливной магистрали 15 такой узкой, как в конструкции с одной трубкой Вентури, показанной на фиг.4.
В альтернативном варианте осуществления с двумя трубками Вентури (не показан) струйная трубка 74 может быть заменена конструкцией с соединением в критическом сечении, аналогично соединению в критическом сечении между магистралью 70 и трубкой Вентури в магистрали 15.
Фиг.6 показывает встроенную вторую трубку Вентури с отводом из критического сечения. Встроенная трубка 80 Вентури расположена выше по потоку относительно главной трубки Вентури в топливной магистрали 15. Трубка 80 Вентури установлена в топливной магистрали 15 при помощи опорного элемента 81. Топливо протекает через трубку 80 Вентури, и через кольцевой зазор между трубкой 80 Вентури и топливной магистралью 15. Магистраль 82 расположена так, что ее входное отверстие (не показано) находится в отстойнике крыльевого бака 11, а ее выходное отверстие соединено с критическим сечением трубки 80 Вентури. Фильтр 83 предотвращает забивание трубки 80 Вентури твердыми частицами.
Фиг.7 показывает встроенную вторую трубку Вентури со струйной трубкой. Встроенная трубка 90 Вентури расположена выше по потоку относительно главной трубки Вентури в топливной магистрали 15. Трубка 90 Вентури установлена в топливной магистрали 15 при помощи опорного элемента 91. Топливо протекает через трубку 90 Вентури, и через кольцевой зазор между трубкой 90 Вентури и топливной магистралью 15. Струйная трубка 92 расположена так, что ее входное отверстие (не показано) находится в отстойнике крыльевого бака 11, а ее выходное отверстие находится выше по потоку относительно критического сечения трубки 90 Вентури. Фильтр 93 предотвращает забивание трубки 90 Вентури твердыми частицами.
Фигуры 8а и 8b показывают дополнительный вариант осуществления изобретения. Магистраль 100 тянется от входного отверстия 101, расположенного выше по потоку относительно трубки Вентури в топливной магистрали 15, до выходного отверстия 102, которое также находится выше по потоку относительно трубки Вентури в топливной магистрали 15. В магистрали 70 предусмотрен сетчатый фильтр/ловушка 103 размером 3 мм. Благодаря эффекту Вентури топливо всасывается во входное отверстие 101 и проходит по магистрали 100 до выходного отверстия 102. В магистрали 100 предусмотрена вторая трубка 104 Вентури. Струйная трубка 105 расположена так, что ее входное отверстие (не показано) находится в отстойнике крыльевого бака 11, а ее выходное отверстие находится выше по потоку относительно трубки 104 Вентури, как показано на фигуре. Фиг.8b показывает разрез поперек магистрали 100. Магистраль 100 закреплена с помощью опорного элемента (не показан на фиг.8а) с сужающейся задней кромкой 106.
В альтернативном варианте осуществления изобретения (не показан) струйная трубка 105 может быть заменена магистралью, соединенной с критическим сечением трубки 104 Вентури.
Показанные на фигурах 4-8 системы для удаления воды, приводимые в действие с помощью трубок Вентури, являются полностью автоматическими, и работают от гидравлического воздействия топлива в топливной магистрали. В результате отпадает необходимость прокладывать в топливный бак электрические провода или линии передачи данных для системы удаления воды.
В различных вариантах осуществления изобретения, описанных выше, система удаления воды вводит воду в топливную магистраль в соединительном узле 39 ниже по потоку относительно насосов 20 и 21. В альтернативных вариантах осуществления изобретения (не показаны) система удаления воды может вводить воду в топливную магистраль 15 в соединительном узле выше по потоку относительно насоса 20 и/или выше по потоку относительно насоса 21.
Центральный бак 10 может быть снабжен системой для удаления воды (не показана) типа, который описан в патенте US 4809934 или выше со ссылкой на фигуры 1-8.
Обращаем внимание на то, что топливо в топливных баках включает в себя однофазное топливо. Кроме того, входное отверстие магистрали для удаления воды погружено в отстойник для воды, которая имеет относительно малый объем по сравнению с объемом топлива в баке. Таким образом, на первом этапе магистраль для удаления воды забирает из отстойника воду, а на втором этапе забирает топливо, когда из отстойника, по существу, удалена вся вода.
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 сущности изобретения, определенной в прилагаемой формуле.