СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЦИРКУЛЯЦИИ ТОПЛИВА В ВОЗДУШНОМ СУДНЕ
METHOD AND SYSTEM FOR CIRCULATION OF FUEL IN AIRCRAFT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и системе для осуществления циркуляции топлива в воздушном судне, таком как, например, самолет.
Уровень техники
В области аэронавтики общеизвестно осуществление циркуляции топлива в воздушном судне или от внешнего оборудования для дозаправки топливом или от внутреннего оборудования для распределения топлива среди разных баков (перекачка), и/или для обеспечения двигателей, таких как реактивные двигатели самолета или, по меньшей мере, вспомогательной силовой установки (APU) топливом, необходимым для их работы (подача).
3
Дозаправка воздушного судна топливом представляет собой операцию, выполняемую для размещения на борту такого количества топлива, которое необходимо для следующего полета из нагнетательной линии от автоцистерны для топлива (+/- 100 м/ч при 0,25 MПa (2,5 бар)). Эта операция называется также «дозаправкой топливом под давлением».
Перекачка топлива является необходимой операцией в воздушном судне, если они имеют более одного бака. Среди производителей воздушных суден и в зависимости от рассматриваемой конфигурации модели количество баков разнится, и обязательной является очередность опорожнения. В частности, перекачка топлива может происходить во время заполнения коллектора, называемого также «очисткой», которая непрерывно обеспечивается с более высокой скоростью потока, чем потребление двигателей. Цель заключается в поддержании коллектора заполненным на 100% и обеспечении при сливе избытка в другой бак хорошей подачи к двигателям независимо от полетных условий воздушного судна по крену и/или наклону. Перекачка топлива может происходить также или во время перекачки топлива между двумя баками, находящимися с каждой стороны самолета, для восстановления центра тяжести в случае избыточного потребления одного из двигателей, и/или останова одного из двигателей, и/или неравномерного заполнения баков самолета, которое будет вызывать разбалансировку самолета с той или другой стороны, или во время возможной перекачки топлива из заднего бака, называемого также AFT-баком, и/или из переднего бака, называемого также FWD-баком, и/или из центрального бака, называемого также CTR-баком, чтобы оптимизировать положение центра тяжести самолета, которое влияет на аэродинамические характеристики полета и, таким образом, на суммарное потребление топлива.
Подача топлива к двигателям достигается с помощью топливного насоса, который всасывает топливо из коллектора для того, чтобы отправить его в двигатель. Обычно приходятся один топливный насос на один двигатель и один резервный насос на одну боковую сторону, которые расположены в нижней части бака(-ов). Они могут быть установлены в разборном корпусе для обеспечения возможности их технического обслуживания без необходимости в опорожнении баков.
Таким образом, циркуляция топлива в воздушном судне осуществляется с помощью динамических насосов, таких как, например, турбонасосы и/или объемные насосы, питаемые электрической или гидравлической мощностью, или насосов, использующих эффект Вентури (эжекторы), снабжаемых энергией за счет давления срабатывания.
Динамическими насосами, наиболее часто применяемыми в топливных системах воздушного судна, являются турбонасосы, называемые также центробежными насосами, которые содержат корпус насоса, состоящий главным образом из всасывающего патрубка, кожуха и выпускного патрубка. В кожухе размещается подвижная часть или ротор, которая образована из рабочего колеса, причем указанное рабочее колесо выполнено в виде колеса с лопатками, установленного на валу. Ротор приводится во вращение приводной машиной, которая может представлять собой электрический или гидравлический или тепловой или турбинный двигатель.
Этот тип насоса имеет многочисленные недостатки. В общем случае насос этого типа имеет плохой коэффициент полезного действия по энергии, порядка30–70%, а также довольно большую массу и занимает довольно большое пространство, имеет серьезный износ вращающихся частей, требующий частого проведения технического обслуживания, и обладает чувствительностью к явлению кавитации. Кавитация представляет собой явление, сопровождаемое шумами, которое может приводить к разрушению машины за несколько минут. Во время перекачки насосом давление в жидкости, находящейся внутри центробежного насоса, распределено неравномерно, в частности там есть области, в которых в большей или меньшей степени выражено низкое давление. Когда температура перекачиваемой насосом жидкости довольно близка к температуре кипения, то есть к температуре перехода из жидкого состояния в газообразное состояние, при указанных температурах может иметь место падение давления ниже уровня давления испарения, приводящее к образованию в насосе пузырьков пара. Когда указанные пузырьки пара достигают областей, где давление возрастает, происходит их внезапное схлопывание. Схлопывание сопровождается шумом и, если оно происходит вблизи стенки, может вызывать механическое повреждение, приводящее к появлению сквозных микроскопических изъязвлений в металле (эрозии).
Другими насосами, используемыми в системе подачи топлива воздушного судна, являются насосы, использующие эффект Вентури; однако для указанных насосов, использующих эффект Вентури, требуется применение насоса другого типа для создания давления приведения в действие, что ведет к увеличению массы установки. Кроме того, указанные насосы имеют очень низкий коэффициент полезного действия по энергии, порядка 10–25%, и чувствительны к явлению кавитации.
В рассматриваемой области применения явления кавитации очень пагубно сказываются на оборудовании, можно сказать «чувствительному» к этому явлению, потому что они вызывают ухудшение механических свойств оборудования, ухудшение качества работы, шум и, в некоторых случаях, появление пузырьков газа, которое может стать проблематичным для реактивных двигателей самолета. В аэронавтике условиями, которые ведут к появлению кавитации, являются тип топлива с плотностью, характерной для каждого топлива, низкое атмосферное давление, то есть когда воздушное судно находится на большой высоте над уровнем моря, высокая температура текучей среды, которая способствует переходу из жидкого состояния в газообразное состояние, и высокая скорость текучей среды.
Таким образом, существует реальная потребность в системе снабжения топливом воздушного судна, имеющей хороший коэффициент полезного действия по энергии, малую массу и занимающую немного пространства, с меньшим требуемым объемом технического обслуживания и являющейся нечувствительной к явлениям кавитации, которые могут возникать в зависимости, в частности, от полетных условий.
Сущность изобретения
Таким образом, одной из целей настоящего изобретения является устранение этих недостатков за счет того, что предлагаются способ и система для осуществления циркуляции топлива в воздушном судне, имеющие хороший коэффициент полезного действия, требующие меньшего объема технического обслуживания и обладающие нечувствительностью к явлению кавитации.
Для этого в соответствии с изобретением предлагается замечательный способ, включающий применение по меньшей мере одного диафрагменного насоса, имеющего диафрагму с волнообразным движением, которая может совершать волнообразное движение под действием приводных средств между двумя фланцами, вызывая циркуляцию указанного топлива между линией впуска насоса и линией выпуска насоса.
По сравнению со способами осуществления циркуляции топлива, известными из уровня техники, получается меньший объем технического обслуживания из-за отсутствия в диафрагменном насосе вращающихся частей и высокой степени стойкости к явлениям кавитации и загрязнению. Кроме того, внедрение способа осуществления циркуляции топлива облегчено за счет того, что диафрагменный насос позволяет осуществлять автоматическую заливку насоса.
Способ, предлагаемый согласно изобретению, может быть представлен на нескольких конкретных вариантах его осуществления. Первый вариант осуществления на самом деле включает применение по меньшей мере одного диафрагменного насоса, причем его линию впуска соединяют с внешним источником подачи топлива и его линию выпуска соединяют с баком воздушного судна, чтобы заполнять его топливом.
Второй вариант осуществления включает применение по меньшей мере одного диафрагменного насоса, причем его линию впуска соединяют с баком и его линию выпуска соединяют с другим баком воздушного судна, чтобы перекачивать топливо между указанными баками.
Третий вариант осуществления включает применение по меньшей мере одного диафрагменного насоса, причем его линию впуска соединяют с баком и его линию выпуска соединяют с двигателем воздушного судна, чтобы снабжать его топливом.
Четвертый вариант осуществления включает применение по меньшей мере одного диафрагменного насоса, причем его линию впуска соединяют с баком и его линию выпуска соединяют со вспомогательной силовой установкой, чтобы снабжать ее топливом.
И наконец, пятый вариант осуществления включает применение по меньшей мере одного диафрагменного насоса, причем его линию впуска соединяют с баком и его линию выпуска соединяют с внешним источником для приема топлива, чтобы опорожнять бак.
Внесено также усовершенствование в систему для осуществления циркуляции топлива в воздушном судне, отличительная особенность которого состоит в том, что она содержит по меньшей мере один диафрагменный насос, имеющий диафрагму с волнообразным движением, которая может совершать волнообразное движение под действием приводных средств между двумя фланцами для обеспечения циркуляции указанного топлива между линией впуска насоса и линией выпуска насоса.
По сравнению с системами для осуществления циркуляции топлива, известными из уровня техники, получается меньший объем технического обслуживания из-за отсутствия в диафрагменном насосе вращающихся частей и высокой степени стойкости к явлениям кавитации и загрязнению. Кроме того, внедрение системы для осуществления циркуляции топлива облегчено за счет того, что диафрагменный насос позволяет осуществлять автоматическую заливку насоса.
Согласно первому варианту осуществления линия впуска диафрагменного насоса соединена с внешним источником подачи топлива и линия выпуска соединена с баком воздушного судна, чтобы заполнять его топливом.
Согласно второму варианту осуществления линия впуска диафрагменного насоса соединена с баком и линия выпуска соединена с другим баком воздушного судна, чтобы осуществлять перекачку топлива между указанными баками.
Согласно третьему варианту осуществления линия впуска диафрагменного насоса соединена с баком и линия выпуска соединена с двигателем воздушного судна, чтобы снабжать его топливом.
Согласно четвертому варианту осуществления линия впуска диафрагменного насоса соединена с баком и линия выпуска соединена со вспомогательной силовой установкой воздушного судна, чтобы снабжать ее топливом.
И наконец, согласно пятому варианту осуществления линия впуска диафрагменного насоса соединена с баком и линия выпуска соединена с внешним источником приема топлива, чтобы опорожнять бак.
Краткое описание фигур
Другие преимущества и характеристики очевидны из следующего ниже описания различных вариантов осуществления изобретения, приведенных в качестве примеров, не носящих ограничительного характера, насоса и системы для осуществления подачи топлива воздушного судна согласно изобретению со ссылкой на прилагаемые графические материалы, в которых:
- на фиг. 1 схематически представлены способ и система для осуществления циркуляции топлива согласно изобретению для заполнения баков воздушного судна;
- на фиг. 2 схематически представлены способ и система для осуществления циркуляции топлива согласно изобретению для перекачки топлива из первого бака во второй бак воздушного судна;
- на фиг. 3 схематически представлены способ и система для осуществления циркуляции топлива согласно изобретению для подачи топлива в реактивные двигатели воздушного судна;
- на фиг. 4 схематически представлены способ и система для осуществления циркуляции топлива согласно изобретению для подачи топлива во вспомогательную силовую установку (APU) воздушного судна;
- на фиг. 5 схематически представлены способ и система для осуществления циркуляции топлива согласно изобретению для опорожнения баков воздушного судна;
- на фиг. 6 представлен вид сбоку первого варианта осуществления насоса, выполненного в соответствии с предлагаемым согласно изобретению способом;
- на фиг. 7 представлен вид сбоку второго варианта осуществления насоса, выполненного в соответствии с предлагаемым согласно изобретению способом;
- на фиг. 8 представлен вид сбоку третьего варианта осуществления насоса, выполненного в соответствии с предлагаемым согласно изобретению способом.
Подробное описание изобретения
В следующем ниже описании способа и системы для осуществления циркуляции топлива в воздушном судне, предлагаемым согласно изобретению, одинаковые элементы обозначены одинаковыми числовыми позициями. Кроме того, виды не обязательно выполнены в масштабе.
Как видно из фиг. 1—5, изобретение касается способа и системы для осуществления циркуляции топлива в воздушном судне. Согласно изобретению способ включает применение по меньшей мере одного диафрагменного насоса (1), имеющего диафрагму с волнообразным движением, которая может совершать волнообразное движение под действием приводных средств между двумя фланцами для обеспечения циркуляции указанного топлива между линией впуска насоса (1) и линией выпуска насоса.
Для этого, как видно из фиг. 1—8, система для осуществления циркуляции топлива содержит по меньшей мере один диафрагменный насос (1). Согласно одному конкретному варианту осуществления диафрагменный насос содержит цилиндрический корпус (2) насоса, вмещающий цилиндрическую камеру, в которую открывается линия (4) впуска, и линию (5) выпуска, коаксиальную с корпусом (2) насоса, диафрагму с волнообразным движением, содержащую центральное отверстие и проходящую в цилиндрическую камеру между неподвижным нижним фланцем и неподвижным верхним фланцем, причем указанные фланцы проходят в указанную цилиндрическую камеру.
Диафрагма с волнообразным движением выполнена в форме диска, имеющего круглое центральное отверстие. Диафрагму с волнообразным движением получают из деформируемого материала, такого как, например, силиконовый эластомер, или из аналогичного материала. Толщина диафрагмы с волнообразным движением увеличивается в направлении от ее центральной части к ее периферийной кромке, и круглое центральное отверстие имеет диаметр, по существу равный внутреннему диаметру линии (5) выпуска.
Нижний фланец составляет единое целое с нижней стенкой корпуса (2) насоса (1) и верхний фланец имеет возможность перемещения в вертикальном направлении, чтобы изменять перемещение насоса, как подробно описано ниже. Кроме того, стенки верхнего и нижнего фланцев, удерживающих диафрагму, являются выпуклыми.
Кроме того, насос (1) содержит жесткие средства для поддержания диафрагмы между верхним и нижним фланцами. Указанные средства для поддержания взаимодействуют, в частности, с периферийной кромкой диафрагмы. Указанные средства для поддержания состоят, например, из втулки, поддерживающей периферийную кромку диафрагмы.
Кроме того, насос (1) содержит средства для приведения в действие диафрагмы с волнообразным движением, взаимодействующие со средствами для ее поддержания. Указанные приводные средства состоят, например, из линейного электромагнитного исполнительного механизма и демпфирующих средств, которые ограничивают величину хода электромагнитного исполнительного механизма.
Сам электромагнитный исполнительный механизм состоит из подвижного цилиндрического кольца, проходящего коаксиально с выпускным трубопроводом (5) над верхним фланцем и расположенного на одной линии с возбуждающим двигателем. Возбуждающий двигатель состоит из неподвижного цилиндрического якоря, называемого внутренним, и неподвижного цилиндрического якоря, называемого внешним, поддерживающих кольцевую катушку и два кольцевых постоянных магнита, проходящих соответственно над и под кольцевой катушкой, причем указанная кольцевая катушка подключена к цепи подачи электропитания. Цепь подачи электропитания содержит, например, по меньшей мере один усилитель мощности и генератор сигналов.
Нижний конец подвижного цилиндрического кольца составляет единое целое с втулкой, имеющей буртик, и входит в зацепление с соединительным элементом, составляющим единое целое с опорным кольцом диафрагмы с волнообразным движением. Таким образом, соединительный элемент удерживает диафрагму с волнообразным движением, в частности тогда, когда исполнительный механизм находится в состоянии покоя.
Кроме того, верхний фланец преимущественно составляет единое целое с ползунком, имеющим возможность скольжения в вертикальном направлении относительно внутреннего неподвижного якоря, чтобы изменять перемещение указанного насоса (1). Указанный ползунок состоит, например, из круговой части, имеющей центральное углубление для прохождения линии (5) выпуска, и отверстий, в которые проходят направляющие, которые составляют единое целое с внутренним неподвижным якорем. Для того чтобы изменять положение указанного ползунка, он имеет резьбу, взаимодействующую с винтом, проходящим в отверстие, выполненное во внутреннем неподвижном якоре. Винт состоит из трубчатой части круглого поперечного сечения, имеющей резьбу на ее наружной стенке в ее нижней части.
Верхний фланец составляет единое целое с нижней поверхностью указанного ползунка таким образом, что можно изменять перемещение насоса путем изменения положения указанного ползунка вдоль вертикальной оси вращения насоса (1) в соответствии с требованием соответствующей области применения.
Кроме того, линия (4) впуска и/или линия (5) выпуска могут содержать по меньшей мере один фильтр.
Кроме того, насос, предлагаемый согласно изобретению, преимущественно должен содержать по меньшей мере один датчик, такой как датчик давления, и/или температурный датчик, и/или датчик наличия топлива. Информация, измеренная с помощью указанных датчиков, может быть передана в цепь питания, которая может содержать средства управления для регулирования расхода в зависимости от указанной информации путем изменения параметров электропитания, в частности линейного электромагнитного исполнительного механизма.
Таким образом, когда линейный электромагнитный исполнительный механизм включается, подвижное цилиндрическое кольцо попеременно перемещается то вниз, то вверх, вызывая перемещение диафрагмы с волнообразным движением соответственно вниз и вверх с частотой приведения в действие линейного электромагнитного исполнительного механизма. Таким образом, диафрагма вызывает распространение фронта волны, который вызывает перемещение топлива, присутствующего в цилиндрической камере, по направлению к линии (5) выпуска.
Другими словами, система для осуществления циркуляции топлива включает в себя объемный диафрагменный насос (1), который использует диафрагму для осуществления попеременного перемещения, при этом топливо перемещается путем захватывания фиксированного количества топлива и путем инициирования выпуска захваченного объема через линию (5) выпуска. Поэтому диафрагменный насос (1) обладает хорошими всасывающими свойствами.
Единственная подвижная часть, с которой контактирует в насосе топливо, – это эластомерная диафрагма. Все механические и электрические компоненты изолированы от воздействия на них топлива. Это дает возможность свести к минимуму опасность захватывания инородных тел и максимально увеличить надежность способа и системы для осуществления циркуляции топлива, предлагаемых согласно изобретению. Поэтому сокращается объем технического обслуживания системы.
Возможно несколько вариантов осуществления для расположения линии (4) впуска относительно корпуса (2) насоса. По существу и согласно первому варианту, показанному на фиг. 6, линия (4) впуска диафрагменного насоса (1) проходит радиально относительно корпуса (1) насоса.
Согласно второму варианту, показанному на фиг. 7, линия (4) впуска идет со стороны, противоположной линии (5) выпуска, и проходит коаксиально с ней.
И наконец, согласно третьему варианту, показанному на фиг. 8, линия (4) впуска диафрагменного насоса (1) выполнена в виде нескольких отверстий (29), образованных в цилиндрическом корпусе (2) насоса (1), чтобы установить сообщение цилиндрической камеры с внешней стороной насоса (1). В этом конкретном варианте осуществления указанные отверстия (29) состоят из продольных прорезей, равномерно распределенных по периферии цилиндрического корпуса (2) насоса и проходящих по всей высоте цилиндрической камеры.
Очевидно, что форма насоса не ограничивает изобретение, так как указанные корпус (2) насоса, камера и диафрагма могут иметь, в пределах объема изобретения, любую форму, такую как форма параллелепипеда для корпуса (2) насоса и камеры и прямоугольная форма для диафрагмы. Важно то, что использование диафрагменного насоса в способе осуществления циркуляции топлива в воздушном судне дает преимущества.
И наконец, очевидно, что примеры, приведенные выше, представляют собой лишь конкретные иллюстративные примеры и никоим образом не носят ограничительного характера, что касается объема изобретения.
На основе вышеизложенного способ, предлагаемый согласно изобретению, дает возможность выполнять различные операции осуществления циркуляции топлива в воздушном судне с помощью диафрагменного насоса (1).
Как видно из фиг. 1, способ, предлагаемый согласно изобретению, позволяет заполнять топливом по меньшей мере один из баков (30) воздушного судна. Для этого линию (4) впуска диафрагменного насоса (1) системы циркуляции соединяют с внешним источником подачи топлива и линию (5) выпуска соединяют с баком (30) воздушного судна, чтобы заполнять его топливом.
Как видно из фиг. 2, способ дает возможность перекачивать топливо между по меньшей мере двумя баками (30) воздушного судна. Для этого линию (4) впуска диафрагменного насоса (1) системы циркуляции соединяют с одним баком (30) и линию (5) выпуска соединяют с другим баком (30) воздушного судна, чтобы перекачивать топливо между указанными баками (30).
Как видно из фиг. 3, способ дает также возможность подавать топливо по меньшей мере в один из двигателей (31) из по меньшей мере одного из баков (30). Для этого линию (4) впуска диафрагменного насоса (1) системы циркуляции соединяют с баком (30) и линию (5) выпуска соединяют с двигателем (31) воздушного судна, чтобы снабжать его топливом.
Как видно из фиг. 4, способ дает возможность подавать топливо по меньшей мере в одну вспомогательную силовую установку (APU) по меньшей мере из одного из баков (30). Для этого линию (4) впуска диафрагменного насоса (1) системы циркуляции соединяют с баком (30) и линию (5) выпуска соединяют со вспомогательной силовой установкой (32) воздушного судна, чтобы снабжать ее топливом.
И наконец, как видно из фиг. 5, способ, предлагаемый согласно изобретению, позволяет также осуществлять опорожнение по меньшей мере одного из баков (30). Для этого линию (4) впуска диафрагменного насоса (1) системы циркуляции соединяют с баком (30) и линию (5) выпуска соединяют с внешним источником для приема топлива, чтобы опорожнять бак (30).
Совершенно очевидно, что система может содержать столько диафрагменных насосов (1), сколько должно быть выполнено разных операций осуществления циркуляции топлива.