ТОПЛИВОЗАПРАВЩИК С ОХЛАДИТЕЛЕМ
REFUELLER WITH COOLER

Изобретение относится к аэродромным топливозаправщикам, предназначенным для заправки летательных аппаратов (ЛА).
Известно устройство с автоматическим регулированием пропускной способности заправочной магистрали топливозаправщика, снабженное механизмом, создающим отрицательную обратную связь между давлением в магистрали и проходным сечением заправочного наконечника [1].
Одним из недостатков данного устройства является отсутствие системы охлаждения топлива для увеличения его массы.
Известен также автотопливозаправщик, содержащий топливную систему с гидроприводом [2]. Топливная система содержит топливную цистерну, топливный насос и заправочную магистраль с наконечником. Гидропривод содержит гидромотор, гидронасос и ручной регулятор скорости гидромотора.
Недостатком этого автозаправщика является отсутствие в нем устройства для охлаждения заправляемого в самолет топлива.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является автотопливозаправщик [3], содержащий автотягач с коробкой отбора мощности, топливную цистерну с заправочной магистралью и панелью управления, топливный насос с гидроприводом (прототип).
К недостаткам прототипа следует отнести отсутствие в его конструкции устройства, обеспечивающего охлаждение заправляемого в самолет топлива.
Технической задачей в предлагаемом изобретении является увеличение массы заправляемого в летательный аппарат топлива за счет его охлаждения, что увеличивает дальность и продолжительность полета ЛА.
Известно [4], что плотность вещества ρ есть отношение массы тела (вещества) к его объему, т.е.
.
3
Здесь: m - масса тела (вещества), кг/м;
3
v - объем тела (вещества), м.
Из формулы получается, что масса, в данном случае топлива, равна:
m=ρ·v.
3
3
Объем топливных баков на ЛА есть величина постоянная. Поэтому увеличить массу заправляемого в ЛА топлива можно только увеличением его плотности, см формулу. Плотность же топлива зависит от температуры. Например, реактивное топливо Т - 1 имеет плотность 838 кг/м при -20°С и 780 кг/м - при +20°С [5], т.е. чем ниже температура топлива, тем выше его плотность, тем больше масса заправляемого на ЛА топлива.
В свою очередь, дальность L и продолжительность Т полета определяются формулами:
к
где С - километровый расход топлива (расход топлива на 1 км полета);
ч
С - часовой расход топлива (расход топлива на 1 час полета).
Для каждого типа самолета километровый и часовой расходы топлива имеют свое определенное значение. Из формул видно, что чем больше масса заправляемого топлива, тем большую дальность и продолжительность полета будет иметь ЛА. Поэтому охлаждение топлива перед заправкой его в ЛА будет увеличивать его массу, а тем самым - дальность и продолжительность полета ЛА.
Технический результат достигается тем, что в топливозаправщике с охладителем, содержащем автотягач с коробкой отбора мощности (КОМ), топливную цистерну с заправочной магистралью и панелью управления, топливный насос с гидроприводом, включающим гидробак для гидрожидкости, гидронасос, кинематически связанный с КОМ, регулятор скорости, соединенный, через магистральный гидроклапан, с гидромотором, кинематически связанным с топливным насосом, а топливная цистерна оборудована, для понижения температуры заправляемого топлива, охладителем, состоящим из баллона со сжиженным газом, например азотом, теплообменника, омываемого топливом, внутри топливной цистерны, в котором происходит фазовый переход, т.е. превращение жидкости в газ с поглощением скрытой теплоты парообразования, за счет чего температура окружающей среды, в том числе и теплообменника, резко уменьшается, перемешивателя топлива во внутренней полости этой цистерны для обеспечения более интенсивного омывания топливом теплообменника и, тем самым, более быстрого и равномерного охлаждения всего объема топлива внутри цистерны, термометра - для измерения температуры топлива в топливной цистерне и аппаратуры - для включения и выключения работы охладителя.
Существенными отличительными признаками по топливозаправшику с охладителем являются:
1. Наличие охладителя в топливной цистерне, в состав которого входят:
- баллон(ы) со сжиженным газом;
- теплообменник;
- перемешиватель топлива внутри цистерны;
- термометр для замера температуры топлива внутри цистерны;
- аппаратура для включения и выключения работы охладителя.
На чертеже представлена структурная схема топливозаправщика с охладителем.
Топливозаправщик с охладителем содержит тягач 1 с цистерной 2 (ЦТ) для топлива, всасывающую магистраль 3, топливный насос 4 (ТН) и заправочную магистраль 5 с топливным наконечником для присоединения к бортовому штуцеру 6 (ШБ) ЛА. Привод насоса 4 содержит гидромотор 7(ГМ) и гидронасос 8 (ГН), соединенные с гидробаком 9 (ГБ) для рабочей жидкости гидравлическими линиями 10 (слив) и 11 (всасывание). Гидронасос 8 (ГН) связан, при помощи механической передачи, с коробкой отбора мощности 12 (КОМ), установленной на автотягаче. Пульт управления 13 (ПУ), подключенный к автомобильной аккумуляторной батарее 14 (АБ), служит для включения коробки 12. Для удобства обслуживания все пульты объединены в общую панель управления. Регулятор скорости 15 (PC) соединен с гидронасосом 8 линией 16, с магистральным клапаном 17 (KM) - линией 18. Клапан 17 соединен с гидромотором 7 линией 19. Регулятор 15 снабжен электрогидравлическими клапанами 20 и 21. Клапан 20 служит для обеспечения холостого хода гидронасоса 8 и снижения скорости гидромотора. Клапан 21 предназначен для увеличения скорости гидромотора 7. Дополнительный электрогидравлический клапан 22 управляет магистральным клапаном 17. Участки 23-28 гидравлических линий соединяют клапаны 20-22 с гидронасосом 8, регулятором 15 и клапаном.
2
2
2
К заправочной магистрали 5 присоединены сигнализаторы давления 29-31 (СД-1, СД-2, СД-3), причем их уставки настроены на различные предельно допустимые давления заправки для разных типов ЛА, например на 2,5 кг/см, на 3,5 кг/см на 4,5 кг/см соответственно (на 25, 35 и 45 МПа соответственно).
Панель управления содержит пульт 32 выбора сигнализатора давления (ПВСД) и пульт 33 управления топливным насосом (ПУТН). Пульт 33 оборудован коммутирующими устройствами 34(УК-1) и 35(УК-2), кнопками «ПУСК ТН», «СТОП ТН» и соединен с приводами клапанов 20-22 электрическими линиями 36-38 соответственно. Кабель 39 необходим для контроля включения КОМ. Кабель 40 обеспечивает питание панели управления и охлаждения. Кабель 41 нужен для связи между сигнализаторами 29-31 и пультом 33. Реле времени 42 предназначено для задержки сигнала останова гидромотора. Дополнительная гидравлическая линия 43 соединяет регулятор скорости 15 с гидробаками.
Цистерна 2 (ЦТ) снабжена охладителем любого принципа действия. В [6] приводится использование сжиженного газа, который из криогенных резервуаров (баллонов) подается в теплообменник, где происходит фазовый переход, т.е. превращение жидкости в газ с поглощением скрытой теплоты парообразования. При этом температура окружающей среды резко уменьшается, например при использовании жидкого азота эта температура снижается до (-196°С).
В качестве примера возьмем этот принцип.
Баллоны 46 со сжиженным азотом или другим газом связаны с теплообменником 44. Теплообменник может выполняться любой формы и из любого материала, но лучше с хорошей теплопроводностью, например металлические трубы укладываются внутри топливной цистерны 2. Перемешиватель 45 обеспечивает перемешивание топлива внутри топливной цистерны. Термометр 47 обеспечивает слежение за температурой топлива или в ручном режиме, или в автоматическом. В ручном режиме оператор следит за температурой, включая и выключая подачу сжиженного газа в теплообменник. В автоматическом режиме оператор задает требуемую температуру, а далее автоматическое устройство обеспечивает поддержание этой температуры. В совокупности все устройства, связанные с охлаждением топлива, образуют охладитель топлива.
Топливозаправщик с охладителем работает следующим образом.
Предварительно топливная цистерна заполняется топливом на складе горюче-смазочных материалов. Температура топлива примерно равна температуре окружающего воздуха (летом в солнечную погоду может быть выше, а зимой - ниже). Время заправки ЛА топливом из данного топливозаправщика обычно известно. Известно и время охлаждения объема топлива в топливной цистерне до требуемой температуры (на предварительных испытаниях определено).
Когда время дозаправки ЛА сравняется (с небольшим запасом) со временем охлаждения топлива в топливной цистерне топливозаправщика, оператор включает охладитель, т.е. открывает доступ сжиженному газу из баллона 46 в теплообменник, где осуществляется фазовый переход жидкого газа в газообразный, что охлаждает теплообменник, а вместе с ним и омывающее его топливо. Одновременно с подачей жидкого газа в теплообменник включается перемешиватель 45, обеспечивающий быстрое смешивание охлажденной массы топлива, прилегающей к стенкам теплообменника, с остальной массой топлива, обеспечивая равномерное, по всему объему топливной цистерны, охлаждение топлива. По термометру 47 будет наблюдаться температура топлива в топливной цистерне. Как только она достигнет заданной величины, например (-40°С), оператор выключит работу охладителя. Если же будет использоваться автоматическое устройство для поддержания заданной температуры, то охладитель будет продолжать работать, поддерживая эту температуру, до выключения работы охладителя оператором.
После этого начинается заправка ЛА охлажденным топливом, как в прототипе [3] наземного топливозаправщика.
Выбирается вначале, при помощи пульта 32, один из сигнализаторов 29-31, у которого уставка соответствует предельно допустимому давлению заправки для данного типа ЛА. Наконечник заправочной линии 5 подстыковывают к бортовому штуцеру 6 ЛА. Затем подключают, при помощи пульта 13, КОМ 12 к двигателю автотягача. При включении КОМ начинает работать гидронасос 8. После этого запускается топливный насос 4 нажатием на пульте 33 кнопки «Пуск ТН». Насос перекачивает охлажденное топливо через заправочную магистраль 5 в бак ЛА. После окончания заправки ЛА выключается топливный насос кнопкой «Стоп ТН». За время перекачивания охлажденного топлива из топливозаправщика в баки ЛА это топливо несколько нагреется (на несколько градусов). Поэтому при охлаждении топлива необходимо охлаждать его несколько больше (на величину нагрева при заправке).
Использование заявляемого изобретения позволяет заметно увеличить и дальность и продолжительность полета летательного аппарата, особенно в летний период или при эксплуатации ЛА в жарком климате.
Источники информации
1. Патент РФ №2085446, кл. В64F 1/28, 1997.
2. Патент РФ №2090460, кл. В64F 1/28, 1997.
3. Патент РФ №2234441, кл. В64F 1/28, 2003.
4. Чертов А.Г. Единицы физических величин. - М.: Высшая школа, 1977. - С.35.
5. Пискунов В.А. и др. Химмотология в гражданской авиации. Справочник. - М.: Транспорт, 1983. - С.83.
6. Патент РФ №2229418, 2004.