СИСТЕМА ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ВОДЫ
WATER REMOVAL SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе для удаления воды.
Уровень техники
Способ удаления воды из топливного бака воздушного судна описан в патентном документе US 4809934. Трубка для удаления воды собирает воду, распыленную в топливе, непосредственно перед подкачивающим насосом. Первая проблема, связанная с этой системой, заключается в том, что для ее реализации требуется сложное схемное решение, включающее в себя трубки Вентури и струйные насосы. Дальнейшая проблема заключается в том, что вода может подаваться в двигатель, когда он работает на относительно малых оборотах. Это может привести к снижению эксплуатационной эффективности двигателя. Дальнейшая проблема заключается в том, что за время одиночного полета система не может полностью удалить воду из топливного бака.
Способ удаления воды из топливного бака описан в патентном документе US 6170470. Водяная магистраль подает воду из топливного бака в двигатель. Клапан в водяной магистрали открывается, когда скорость двигателя превышает минимальное пороговое значение, поскольку вода, попадающая в двигатель при его работе на относительно высоких оборотах, не оказывает существенное неблагоприятное воздействие на эксплуатационные характеристики двигателя. Проблема, связанная со способом, описанным в патентном документе US 6170470, заключается в том, что необходимо предусмотреть устройство для измерения скорости двигателя, а также линию связи с клапаном. Оба эти элемента повышают вероятность возникновения неисправности, а линия связи должна быть выведена из топливного бака способом, обеспечивающим влагонепроницаемость и полную безопасность.
Специфическая сложность, связанная с топливной системой воздушного судна, заключается в том, что после взлета воздушного судна температура окружающего воздуха падает до -30°С или -40°С, и вода в топливном баке замерзает приблизительно через 20 минут. После замерзания воды ее невозможно удалить из бака до тех пор, пока не начнется размораживание бака при посадке. Поэтому, если воду не удалить в течение первых двадцати минут, она будет постепенно накапливаться от полета к полету, пока не создаст проблемы, или пока ее не сольют вручную.
Раскрытие изобретения
Первый аспект изобретения предусматривает систему для удаления воды из топливного бака воздушного судна, содержащую водяную магистраль и клапан, выполненный с возможностью регулирования расхода воды в водяной магистрали в ответ на изменение эффективного угла клапана.
Второй аспект изобретения предусматривает способ удаления воды из топливного бака воздушного судна, содержащий этапы, на которых открывают клапан в ответ на увеличение эффективного угла тангажа воздушного судна с обеспечением протекания воды в водяной магистрали и подают воду из водяной магистрали в двигатель воздушного судна.
Вместо использования устройства для измерения числа оборотов двигателя, изобретение предусматривает клапан, который автоматически открывается в ответ на увеличение эффективного угла тангажа воздушного судна во время взлета и набора высоты. Поскольку при взлете и наборе высоты число оборотов двигателя относительно велико, подача воды в двигатель не приведет к значительному ухудшению его эксплуатационных характеристик. Дальнейшее преимущество подачи воды в двигатель во время взлета и набора высоты заключается в том, что от воды удается избавиться раньше, чем она замерзнет.
Обычно клапан размещен в водяной магистрали либо на входе, либо на выходе, либо в промежуточном положении вдоль длины магистрали.
В предпочтительных вариантах осуществления, описанных ниже, воду подают в двигатель из водяного бака, заполнение которого происходит под действием гидростатического давления. Однако клапан можно также использовать в системе такого типа, которая описана в патентном документе US 6170470, где воду подают непосредственно в двигатель без промежуточного этапа ее хранения в водяном баке. В этом случае клапан заменяет собой устройство для измерения числа оборотов двигателя, используемое в патентном документе US 6170470.
Клапан предпочтительно включает в себя маятник и запорный элемент клапана, соединенный с маятником таким образом, что изменение углового положения маятника относительно водяной магистрали заставляет запорный элемент клапана перемещаться из закрытого положения, когда запорный элемент клапана препятствует протеканию воды в водяной магистрали, в открытое положение, когда вода может протекать через клапан.
В предпочтительном варианте осуществления маятник соединен с кулачком, а запорный элемент клапана включает в себя толкатель и смещающий элемент (такой как спиральная пружина) для смещения толкателя и введения его в зацепление с кулачком. Это позволяет без труда регулировать характеристики открывания и закрывания клапана, для чего нужно изменить форму, и/или размер, и/или положение кулачка. Кулачок может быть выполнен как одно целое с осью маятника или с валом маятника или может быть соединен с маятником не напрямую.
В закрытом положении клапан может пропускать некоторое количество воды или может по существу препятствовать прохождению воды в водяной магистрали.
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.2-5 схематически показывают топливный бак, включающий в себя систему для удаления воды;
Фиг.6а-6с подробно показывают маятниковый клапан;
Фиг.7а-7с показывают первый альтернативный вариант маятникового клапана; и
Фиг.8а-8с показывают второй альтернативный вариант маятникового клапана.
Осуществление изобретения
Согласно фиг.1, воздушное судно 100 включает в себя фюзеляж 102 с двумя крыльями, левое крыло обозначено цифрой 103. К каждому крылу прикреплен двигатель, на фиг.1 левый двигатель обозначен цифрой 104. Топливо для всех двигателей хранится в центральном баке и в одном или более крыльевых баках.
На фиг.2 показана система 1 для удаления воды, установленная в одном из крыльевых баков 2. Система для удаления воды включает в себя водяной бак 3 и водооткачивающую магистраль 4, которая имеет выходное отверстие 5 в нижней части водяного бака 3 и входное отверстие 6, погруженное в слой 7 воды на дне топливного бака 2. Водяной бак 3 обычно представляет собой открытую сверху вертикальную трубу диаметром 60 мм и длиной 0,4 м.
Невозвратный клапан 8 установлен в водяном баке на шарнире 9. На фиг.2 невозвратный клапан 8 показан в закрытом положении, когда он закрывает выходное отверстие 5 водооткачивающей магистрали 4. Подразумевается, что можно использовать невозвратный клапан другого типа, а конструкция, показанная на фиг.2-5, носит лишь иллюстративный характер. Например, невозвратный клапан может включать в себя запорный элемент в форме конуса, установленный в коническом седле, в этом случае конус перемещается из закрытого положения в открытое, и обратно.
Фиг.2-4 показывают топливо 30 в баке 2, соответственно, на относительно низком, среднем и высоком уровнях. По мере заполнения топливного бака топливо оказывает гравитационное гидростатическое давление на воду 7, находящуюся на дне топливного бака. Это гидростатическое давление заставляет воду, преодолевая силу тяжести, подниматься по водооткачивающей магистрали 4, проходить через невозвратный клапан 8 и попадать в водяной бак 3. Этот процесс продолжается до тех пор, пока почти вся вода не будет удалена со дна топливного бака, как показано на фиг.3. По мере того, как топливный бак продолжает наполняться, капельки топлива проходят через воду (три таких капельки топлива, обозначенные цифрой 31, показаны на фиг.3) и скапливаются в слое 32 в верхней части водяного бака 3.
Когда уровень топлива доходит до верха водяного бака 3, топливо попадает в водяной бак через отверстие 33 в верхней части водяного бака, наполняя его, как показано на фиг.4.
Возвращаемся к фиг.2. Водоотводящая магистраль 10 проходит от нижней части водяного бака 3. Водоотводящая магистраль имеет входное отверстие 11 в водяном баке 3 и выходное отверстие 12, соединенное с впускной магистралью 13 насоса параллельно магистрали 14 подачи топлива. Магистраль 14 подачи топлива имеет входное отверстие 15 в топливном баке, которое расположено выше входного отверстия 6 водооткачивающей магистрали. Входные отверстия 6, 15 снабжены фильтрами или сетчатыми фильтрами 16, 17, соответственно.
Впускная магистраль 13 насоса идет к насосу 21. Выпускная магистраль 22 насоса идет от насоса к двигателю 104, а рециркуляционная магистраль 23 идет от насоса к клапану 24 в топливном баке. Клапан 24 может быть открыт для «разгрузки» насоса 21, что позволяет насосу 21 работать в обход выпускной магистрали 22.
Клапан 20 в водоотводящей магистрали 10 схематически показан на фиг.3-5 и более подробно - на фиг.6а-с.
Клапан 20 включает в себя маятник 40, шарнирно соединенный с опорной конструкцией (не показана) при помощи оси 41. На оси 41 имеется кулачок 42. Камера 43 на водоотводящей магистрали 10 имеет входное отверстие 44 и выходное отверстие 45. Задвижка 46 установлена в камере 43 и может перемещаться между закрытым положением, которое показано на фиг.6а, и открытым положением, которое показано на фиг.6b и 6с. В закрытом положении задвижка 46 перекрывает входное отверстие 44 и/или выходное отверстие 45 камеры 43, а в открытом положении задвижка 46 дает возможность жидкости проходить через клапан, как показано на фиг.6b и 6с.
Задвижка 46 снабжена толкателем 47, который прижимается к кулачку 42 с помощью винтовой цилиндрической пружины 48 сжатия.
Когда воздушное судно находится в горизонтальном положении, клапан 20 находится в закрытом состоянии, которое показано на фиг.3, 4 и 6а. В случае, когда «эффективный тангаж» воздушного судна увеличивается на величину больше 7 градусов, клапан 20 переходит из закрытого состояния в положительное открытое состояние, которое показано на фиг.5 и 6b. «Эффективный тангаж» определяется как комбинация физического тангажа (то есть, физического угла тангажа воздушного судна) и вектора ускорения, обусловленного продольным ускорением.
При открытом клапане 20, как показано на фиг.5, вода проходит по водоотводящей магистрали 10 и поступает к насосу 21 под действием гидростатического давления, которое является следствием гравитационного напора воды в водяном баке. Закупоривание на входе насоса должно быть ничтожно малым. Обращаем внимание на то, что гравитационный напор, благодаря которому вода перемещается по водоотводящей магистрали 10, является относительно большим, что объясняется большей плотностью воды по сравнению с топливом. Другими словами, гравитационный напор превышает тот, который мог бы быть в случае заполнения водяного бака 3 топливом. Поэтому гравитационный напор перемещает воду в направлении топливного насоса, с приоритетом по отношению к топливу из магистрали 14 подачи топлива, по меньшей мере до тех пор, пока уровень воды в водяном баке находится выше выходного отверстия 12 водоотводящей магистрали 10. При желании можно также предусмотреть индукционную трубку (не показана), выступающую внутрь водоотводящей магистрали 10. Тем самым обеспечивается небольшое дросселирование водоотводящей магистрали 10, вследствие чего, благодаря эффекту Вентури, увеличивается расход.
Обращаем внимание на то, что компоновка, показанная на фиг.2-5, является схематической, и в случае необходимости водяной бак 3 можно расположить непосредственно над выходным отверстием 12 водоотводящей магистрали 10, для того, чтобы возникающий гравитационный напор был достаточно большим при любых ожидаемых углах тангажа и при любом уровне воды в водяном баке.
Обращаем также внимание на то, что водяной бак 3 выполнен достаточно высоким и узким, чтобы получить максимально большой гравитационный напор. В частности, обратная пропорция, которая определена здесь как Н/√А, где Н - это высота водяного бака и А - это средняя площадь его поперечного сечения, имеет относительно большую величину. Например, если водяной бак имеет форму цилиндра диаметром 60 мм и длиной 0,4 м, обратная пропорция водяного бака равно приблизительно 7,5.
Если водяной бак 3 подвергается воздействию отрицательной силы тяжести, то вода может выйти через отверстие 33 в верхней части водяного бака 3 и попасть в топливный бак 2. Однако, поскольку водяной бак 3 имеет относительно небольшие размеры (его емкость составляет порядка одного литра, по сравнению с топливным баком 2, который имеет емкость порядка 8000 литров), это не окажет влияния на эксплуатационные характеристики. Кроме того, вода, вылившаяся таким образом, будет собрана при следующей дозаправке топливом.
Размеры водяного бака 3 выбраны таким образом, чтобы обеспечить подачу 0,5 литров воды в течение двух-трех минут во время взлета и набора высоты. Получающаяся в результате концентрация попадающей в двигатель воды на этом этапе полета составляет приблизительно 2500 ppm.
После взлета и набора высоты клапан 24 открывается для «разгрузки» насоса 21, и насосы центрального бака берут нагрузку на себя. В то же время, когда угол тангажа воздушного судна становится меньше 7 градусов, клапан 20 переходит в закрытое состояние, которое показано на фиг.6b, и топливо поступает в насос исключительно через магистраль 14 подачи топлива.
Когда воздушное судно начинает «пикировать» во время снижения, эффективный тангаж воздушного судна становится меньше -5 градусов, и клапан 20 переходит из закрытого состояния в отрицательное открытое состояние, которое показано на фиг.6с. На этом этапе водяной бак 3 может быть пустым, или может содержать столб топлива выше уровня топлива в остальной части топливного бака. Обращаем внимание на то, что в топливном баке 3 остается совсем немного воды или не остается ее вовсе (основная часть воды была подана в двигатель ранее, во время взлета и набора высоты), но в водяном баке 3 может находиться некоторое количество топлива. Обращаем внимание на то, что, если бы в водяном баке осталось значительное количество воды, она бы замерзла, что привело бы к заклиниванию дренажного клапана 20. Если в водяном баке 3 находится топливо, то это топливо подается в двигатель во время снижения, опорожняя водяной бак, после чего он готов к следующей дозаправке топливом.
На фиг.7а-7с показан первый альтернативный вариант клапана 20а (который можно использовать вместо клапана 20). В этом случае, вместо кулачка и толкателя в клапане используют маятник 50, который соединен с задвижкой 51 при помощи шарнирного звена 52. Маятник 50 снабжен вертикальным рычагом 55 и горизонтальным рычагом 56, которые неподвижны по отношению друг к другу, и шарнирно соединены с опорной конструкцией (не показана) при помощи оси 57. Звено 52 на одном конце свободно соединено с задвижкой 51 при помощи шарнира 53, а на другом конце - с горизонтальным рычагом 56 маятника 50 при помощи шарнира 54. Задвижка 51 подвижно установлена в камере, которая выступает вверх и вниз относительно водоотводящей магистрали. Задвижка 51 перемещается в любое из трех рабочих положений при помощи звена 52, как показано на фиг.7а-7с.
На фиг.8а-8с показан второй альтернативный вариант клапана 20b, который можно использовать вместо клапана 20 или клапана 20а. В этом случае, вместо перемещающейся задвижки, клапан 20b снабжен запорным элементом, который поворачивается между открытым и закрытым положениями.
В частности, клапан 20b включает в себя маятник 60, смонтированный на цилиндрическом запорном элементе 61, который помещен в цилиндрическую камеру 62 на водоотводящей магистрали 10. В запорном элементе 61 имеются два канала 63, 64, которые совмещаются с входным и выходным отверстиями камеры 62 в тот момент, когда угол маятника относительно водоотводящей магистрали достигает значения +7 градусов или -5 градусов, как показано, соответственно, на фигурах 8b и 8с. Обращаем внимание на то, что для наглядности водоотводящая магистраль 10, камера 62 и запорный элемент 61 показаны в вертикальном положении, параллельно маятнику 60, тогда как на практике они располагаются горизонтально, под прямым углом к маятнику 60. Кроме того, для наглядности угловое рассогласование между каналами 63, 64 на фиг.8а-8с показано преувеличенно большим. На практике, для надлежащего функционирования, каналы проходят под более узким углом, а размеры камеры 62 и запорного элемента 61 больше по сравнению с водоотводящей магистралью 10.
Клапан 20, показанный на фиг.6а-6с, обладает следующими преимуществами по сравнению с клапанами, показанными на фиг.7а-7с и 8а-8с:
1) характеристики открывания и закрывания клапана можно без труда регулировать путем изменения формы и/или размера, и/или положения кулачка 42;
2) поскольку задвижка 46 имеет только два рабочих положения, камера 43 имеет относительно небольшие размеры;
3) маятник можно легко отделить от остальной части клапана для проведения технического обслуживания; и
4) если угол тангажа воздушного судна выходит за установленные пределы (то есть, если угол тангажа увеличивается значительно выше +7 градусов или уменьшается значительно ниже -5 градусов или если происходит интенсивное ускорение или замедление), то это не оказывает влияние на работу клапана.
В альтернативном варианте осуществления (не показан) несколько водяных баков, каждый со своей собственной водооткачивающей магистралью и водоотводящей магистралью, можно соединить с двигателем параллельно при помощи одного общего маятникового клапана 20.
В дальнейшем альтернативном варианте осуществления (не показан) в магистрали, параллельно маятниковому клапану 20, 20а или 20b, можно установить дренажный клапан с управлением от термостата. Клапан с управлением от термостата открывается, когда температура падает ниже, скажем, 2°С, что происходит при выходе воздушного судна на крейсерскую высоту. Тем самым обеспечивается удаление всей воды из водяного бака. В качестве дополнения, клапан с управлением от термостата может взять на себя функцию «пикирования» маятникового клапана 20, 20а, 20b: то есть вместо маятникового клапана 20, 20а, 20b можно установить аналогичный маятниковый клапан, который имеет только положительное открытое состояние. В качестве клапана с управлением от термостата можно использовать, например, клапан воскового типа, который используют в термостатах автомобильных двигателей, или биметаллическую пружину, которая открывает клапан.
Несмотря на то что описание настоящего изобретения было сделано посредством одного или более предпочтительных вариантов осуществления изобретения, изобретение не ограничивается этим описанием, а предполагает изменение или модифицирование самыми различными способами, без отхода от содержания изобретения, определенного в прилагаемой формуле.