СПОСОБ ПОДАЧИ ТОПЛИВА В ЗАПРАВЛЯЮЩУЮ ТРУБУ БАКА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА И КЛАПАН, СОЕДИНЕННЫЙ С ТРУБОЙ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ УКАЗАННОГО СПОСОБА
METHOD OF FEEDING FUEL INTO AIRCRAFT TANK FILLING PIPE AND VALVE CONNECTED TO PIPE FOR IMPLEMENTATION OF SAID METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области летательных аппаратов и включает способ подачи топлива в заправочную трубу бака летательного аппарата и саморегулируемый клапан, соединенный с трубой для осуществления указанного способа.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В области авиации и, в частности, при подаче топлива в заправочные трубы бака, следует избегать возникновения электростатического заряда в топливе, поскольку это может привести к риску возникновения искры в парах топлива и взрыву.
Таким образом, скорость заправки баков должна быть ограничена. Действующее правило, в частности § 8.f. (2). (b) справочного документа ФАП (Федеральные авиационные правила, раздел 14 Свода федеральных правил), глава I, подраздел C, статья 25.981, указывает, что скорость топлива внутри трубы заправки бака является допустимой, если она находится в диапазоне от 6 до 7 м/с.
Известно, что для ограничения скорости потока топлива в заправочных трубах устанавливают средства ограничения расхода в заправочных трубах, чтобы ограничить расход и скорость потока топлива, которые тесно связаны между собой.
Эти средства ограничения, в частности в виде градуированных отверстий, разработаны и рассчитаны таким образом, чтобы ограничивать проходное сечение заправочной трубы и уменьшать расход и скорость заправки топливом с учетом наиболее ограничивающих параметров, связанных с топливом, особенно с горячим топливом, имеющим температуру 55 °С.
Недостаток этого решения заключается в том, что на практике, когда топливо более холодное и, следовательно, более вязкое, скорость заправки и расход оказываются слишком ограниченными, что увеличивает время заправки топливных баков.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Поэтому одной из целей изобретения является устранение недостатков предыдущего уровня техники путем предложения способа подачи топлива в заправочную трубу для бака летательного аппарата, с помощью которого можно оптимизировать время заправки указанного бака в соответствии с характеристиками циркулирующего топлива, в частности его температурой. Цель состоит в том, чтобы минимизировать время заправки, обеспечивая при этом оптимальную безопасность.
Для этой цели и в соответствии с настоящим изобретением предложен способ подачи топлива в заправочную трубу для бака летательного аппарата, примечательный тем, что он включает автоматическое и механическое изменение проходного сечения для топлива до тех пор, пока топливо не достигнет максимального порога скорости.
Таким образом, уменьшение проходного сечения увеличивает потерю нагрузки в трубе и снижает расход топлива в трубе. Расход и скорость текучей среды напрямую связаны с хорошо известными физическими взаимосвязями. Проходное сечение для топлива регулируют таким образом, что указанное сечение уменьшается, когда скорость потока топлива превышает заданный максимальный порог, и указанное сечение увеличивается, когда скорость потока топлива ниже заданного максимального порога, пока топливо не достигнет указанного максимального порога скорости.
Преимущественно проходное сечение для топлива изменяется автоматически в зависимости от перепада давлений между двумя точками в трубе. Расположение этих двух точек может быть выбрано так, чтобы перепад давлений изменялся пропорционально скорости топлива в трубе.
Предпочтительно, проходное сечение автоматически ограничивается, когда скорость потока топлива равна нулю. Благодаря этой функции способ подачи топлива может быть безопасным.
Одной из целей изобретения также является создание саморегулируемого заправочного клапана для осуществления указанного способа, с помощью которого можно оптимизировать время заправки указанного бака в зависимости от характеристик подаваемого топлива.
С этой целью и в соответствии с настоящим изобретением предложен клапан, соединенный с заправочной трубой для топливного бака летательного аппарата, примечательный тем, что содержит ограничительное устройство для проходного сечения для топлива, такое как регулируемая диафрагма, способное при подаче топлива в трубу автоматически изменять проходное сечение для топлива, пока скорость топлива не достигнет максимального порогового значения.
Таким образом, время заправки минимизировано. На практике условия подачи топлива, в частности температура топлива, являются менее ограничивающими, чем те, которые приняты в соответствии с правилами. Таким образом, когда топливо имеет температуру ниже 55 °С, настоящее изобретение служит для ускорения заправки по сравнению с существующим решением с градуированным отверстием без риска появления электростатического заряда. Сокращение времени заправки баков летательного аппарата сокращает время, в течение которого летательный аппарат простаивает на земле.
Предпочтительно на ограничительное устройство воздействует средство приведения в действие ограничительного устройства в зависимости от перепада давлений между двумя точками в трубе.
Предпочтительно средство для приведения в действие содержит главный цилиндр, содержащий поршень, установленный с возможностью скользящего перемещения между первой камерой и второй камерой переменных объемов. Каждая из первой камеры и второй камеры соединена под давлением с трубой по меньшей мере в одной точке. Поршень механически соединен с ограничительным устройством, вследствие чего скользящее перемещение поршня приводит к приведению в действие ограничительного устройства.
Таким образом, устройство согласно настоящему изобретению имеет простую и рациональную конструкцию, позволяющую снизить стоимость его изготовления и обслуживания.
Согласно конкретным вариантам осуществления на поршень действует упругий возвратный элемент, который стремится переместить поршень в направлении, соответствующем максимальному или минимальному отверстию ограничительного устройства.
Предпочтительно первая и вторая камеры главного цилиндра соединены под давлением с трубой посредством трубки Прандтля. Другими словами, одна из камер соединена под давлением с трубой через отверстие общего давления, а другая труба соединена под давлением с трубой через отверстие статического давления. Таким образом, поршень непосредственно испытывает перепад давлений, который зависит от скорости топлива, как это хорошо известно специалисту в данной области техники.
Согласно другому варианту осуществления труба содержит трубку Вентури, а первая и вторая камеры поршня соответственно соединены под давлением с расширенной областью и суженной областью трубки Вентури. Таким образом, согласно этому варианту осуществления, поршень непосредственно испытывает перепад давлений, который зависит от скорости топлива.
Также предпочтительно, первая камера главного цилиндра непосредственно и гидравлически соединена с трубой. Вторая камера главного цилиндра гидравлически соединена со вспомогательным цилиндром. Вспомогательный цилиндр имеет поршень, установленный с возможностью скользящего перемещения между первой камерой и второй камерой переменных объемов. Первая камера вспомогательного цилиндра содержит упругий возвратный элемент, который стремится вытолкнуть поршень назад в направлении второй камеры и непосредственно и гидравлически соединен с суженной областью трубки Вентури. Вторая камера вспомогательного цилиндра непосредственно и гидравлически соединена с расширенной областью трубки Вентури. Вторая камера главного цилиндра, в соответствии со скользящим перемещением поршня, гидравлически соединена либо с первой камерой вспомогательного цилиндра, либо частично со второй камерой вспомогательного цилиндра. Другими словами, вспомогательный цилиндр может соединять вторую камеру главного цилиндра с расширенной областью трубки Вентури, создавая, таким образом, гидравлический контур между расширенной областью трубки Вентури, второй камерой вспомогательного цилиндра, второй камерой главного цилиндра и суженной областью трубки Вентури.
В этом варианте осуществления проходное сечение может быть изменено, только если скорость топлива превышает заданный минимальный порог.
Настоящее изобретение предназначено для регулирования и максимального увеличения расхода независимо от условий использования, то есть независимо от температуры топлива, подаваемого в заправочную трубу, что позволяет сократить время заправки топливного бака.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Дополнительные характеристики и преимущества изобретения станут очевидными из приведенного ниже описания, которое предназначено только для справки и никоим образом не является ограничительным, со ссылкой на прилагаемые фигуры, на которых:
- фиг. 1 представляет собой схематическое изображение первого варианта осуществления клапана согласно настоящему изобретению с главным цилиндром в положении минимального сужения;
- фиг. 2 представляет собой схематическое изображение, аналогичное изображенному на фиг. 1, с главным цилиндром в положении максимального сужения;
- фиг. 3 представляет собой схематическое изображение трубы в поперечном сечении, соответствующем сечению А–А на фиг. 1 с регулируемой диафрагмой в положении минимального сужения;
- фиг. 4 представляет собой схематическое изображение трубы в поперечном сечении, соответствующем сечению В–В на фиг. 2 с регулируемой диафрагмой в положении максимального сужения;
- фиг. 5 представляет собой  упрощенное изображение клапана в соответствии со вторым вариантом осуществления, содержащего трубку Прандтля;
- фиг. 6 представляет собой схематическое изображение, соответствующее третьему варианту осуществления и показывающее клапан, когда топливо не подается в трубу, с главным цилиндром в положении максимального сужения;
- фиг. 7 соответствует третьему варианту осуществления и изображает клапан, когда топливо подается в трубу с низкой скоростью, когда главный цилиндр находится в положении минимального сужения;
- фиг. 8 соответствует третьему варианту осуществления и показывает клапан, когда топливо подается со значительной скоростью в трубу, при этом главный цилиндр находится в частично закрытом положении, устанавливая гидравлический контур между вспомогательным и главным цилиндрами.
На фиг. 1–8 одинаковые элементы обозначены одинаковыми позиционными обозначениями.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к клапану (1), соединенному с заправочной трубой (2) для топливного бака летательного аппарата.
Согласно фиг. 1, на которой показан первый вариант осуществления настоящего изобретения, труба (2) содержит трубку (3) Вентури, содержащую расширенную впускную область (4), суженную область (5) и расширенную выпускную область (6). Ограничительное устройство (7) для проходного сечения для топлива расположено, например, в суженной области (5) трубы (2). Ограничительное устройство (7) механически соединено с приводным средством (8), содержащим главный цилиндр (9). Главный цилиндр (9) имеет поршень (10), установленный с возможностью скользящего перемещения между первой камерой (11) и второй камерой (12) переменных объемов. Первая камера (11) соединена под давлением с расширенной областью (4) трубы (2) через отверстие (13) статического давления, а вторая камера (12) соединена под давлением с суженной областью (5) трубы (2) через отверстие (14) статического давления. На поршень (10) действует пружина (15), которая стремится переместить поршень (10) в положение, соответствующее максимальному открытию ограничительного устройства (7). В этом варианте это положение соответствует отсутствию топлива, подаваемого в трубу (2).
Согласно фиг. 2, когда топливо подается в трубу (2), скорость топлива в расширенных областях (4, 6) трубы (2) меньше, чем в суженной области (5). Таким образом, как описано формулой Бернулли, статическое давление в суженной области (5) уменьшается. Чем больше увеличивается скорость топлива в трубе (2), тем больше увеличивается перепад давлений. Таким образом, поршень (10) непосредственно испытывает указанный перепад давлений. Когда давление во второй камере (12) уменьшается, давление топлива в первой камере (11) стремится сдвинуть поршень (10) против действия пружины (15). Чем больше перепад давлений, тем больше сила, обусловленная перепадом давлений, и тем дальше смещается поршень (10). Поршень (10) механически соединен с ограничительным устройством (7), например, посредством управляющего штока (16). Таким образом, проходное сечение для топлива изменяется автоматически, пока скорость топлива не достигнет заданного максимального порогового значения.
Как показано на фиг. 3 и 4, ограничительное устройство (7) имеет, например, форму регулируемой ирисовой диафрагмы (17). Линейное движение управляющего штока (16) приводит к повороту множества лопастей (18a, 18b, 18c, 18d) для постепенного ограничения проходного сечения в трубе (2). На фиг. 3 регулируемая диафрагма (17) находится в положении минимального сужения, при этом поршень (10) находится в верхнем положении, а на фиг. 4 диафрагма (17) находится в положении частичного сужения с поршнем (10) в нижнем положении. Жесткость пружины (15) выбирается так, чтобы клапан (1) находился в равновесии, когда скорость топлива достигает, например, 7 м/с.
Конечно, и не выходя за рамки настоящего изобретения, ограничительное устройство (7) может быть шиберно-ножевой задвижкой, эластомерной задвижкой, шаровым краном или тому подобным.
Теперь обратимся к фиг. 5, на которой показан второй вариант осуществления. Приводное средство (8) и ограничительное устройство (7) идентичны соответствующим элементам из первого варианта осуществления и не будут описаны снова. Труба (2) имеет постоянное сечение и внутри содержит трубку (19) Прандтля (или трубку Пито), гидравлически соединенную с приводным средством (8). Из-за трубки (19) Прандтля на поршень (10) влияет перепад давлений между общим давлением топлива, которое проходит в трубе возле первого отверстия (20), и статическим давлением топлива возле второго открытия (21). Как известно, этот перепад давлений также связан со скоростью потока топлива в трубе (2). Таким образом, проходное сечение для топлива изменяется автоматически, пока скорость топлива не достигнет заданного максимального порогового значения, например, 7 м/с.
Согласно фиг. 6, 7 и 8, на которых показан третий вариант осуществления изобретения, труба (2) содержит трубку (3) Вентури, содержащую расширенную впускную область (4), суженную область (5) и расширенную выпускную область (6). Ограничительное устройство (7) расположено в расширенной выпускной области (6). Клапан (1) имеет главный цилиндр (9), содержащий поршень (10), установленный с возможностью скользящего перемещения между первой камерой (11) и второй камерой (12) переменных объемов. На поршень (10) действует пружина (15), которая стремится переместить поршень (10) в положение, соответствующее минимальному открытию ограничительного устройства (7). Следует отметить, что в отличие от предыдущих вариантов осуществления, верхнее положение поршня (10) соответствует максимальному сужению, тогда как нижнее положение соответствует минимальному сужению.
Первая камера (11) главного цилиндра (9) непосредственно и гидравлически соединена с расширенной областью (4) трубки (2) Вентури. Его вторая камера (12) гидравлически соединена с вспомогательным цилиндром (22).
Вспомогательный цилиндр (22) имеет поршень (23), установленный с возможностью скользящего перемещения между первой камерой (24) и второй камерой (25) переменных объемов. Первая камера (24) вспомогательного цилиндра (22) непосредственно и гидравлически соединена с суженной областью (5) трубки (3) Вентури и содержит пружину (28), которая стремится вытолкнуть поршень (23) вспомогательного цилиндра (22) назад в направлении второй камеры (25). Вторая камера (25) вспомогательного цилиндра (22) непосредственно и гидравлически соединена с расширенной областью (4) трубки (3) Вентури. Вторая камера (12) главного цилиндра (9), в соответствии со скользящим перемещением поршня (23), гидравлически соединена либо с первой камерой (24) вспомогательного цилиндра (22; см. фиг. 6 и 7), либо частично со второй камерой (25) вспомогательного цилиндра (22; см. фиг. 8) с образованием утечки топлива.
1
5
Когда вспомогательный цилиндр (22) соединяет вторую камеру (12) главного цилиндра (9) с расширенной областью (4) трубки (3) Вентури, создается гидравлический контур между расширенной областью (4) трубки (3) Вентури, второй камерой (25) вспомогательного цилиндра (22), второй камерой (12) главного цилиндра (9) и суженной областью (5) трубки (3) Вентури, таким образом, чтобы топливо могло циркулировать между этими элементами, как показано стрелками F–F. Для предотвращения обратного оттока топлива из трубы (2) во вторую камеру (12) главного цилиндра (9), между суженным участком (5) трубы (2) и указанной камерой (12) предпочтительно расположен обратный клапан (27).
Без подачи топлива (см. фиг. 6) ограничительное устройство (7) находится в положении максимального сужения при закрытии. В этом варианте осуществления проходное сечение может быть изменено только в том случае, если скорость топлива превышает заданный минимальный порог, а также служит для обеспечения защиты клапана (1) при выходе из строя приводного средства (8).
c
Когда топливо начинает течь (см. фиг. 7), как показано стрелкой F, возникает перепад давлений между статическим давлением P1 расширенной области (4) и статическим давлением P2 в суженной области (5). Таким образом, поршень (10) главного цилиндра (9) выталкивается ко второй камере (12) за счет перепада давлений и вызывает перевод ограничительного устройства (7) в положение минимального сужения.
Когда скорость топлива увеличивается и достигает предельного значения, например 7 м/с (см. фиг. 8), перепад давлений между статическим давлением P1 в расширенной области (4) и статическим давлением P2 в суженной области (5) увеличивается. Таким образом, поршень (23) вспомогательного цилиндра (22) выталкивается указанным перепадом в направлении первой камеры (24) вспомогательного цилиндра (22) против действия пружины (28) и соединяет расширенную область (4) трубки (3) Вентури, вторую камеру (25) вспомогательного цилиндра (22), вторую камеру (12) главного цилиндра (9) и суженную область (5) трубки (3) Вентури. Труба (26), которая расположена между второй камерой (25) вспомогательного цилиндра (22) и второй камерой (12) главного цилиндра (9), частично блокируется поршнем (23) вспомогательного цилиндра (22). Таким образом, из-за потери нагрузки давление P3 во второй камере (12) главного цилиндра (9) выше, чем давление P2, но ниже, чем давление P1. Таким образом, сила, вызванная перепадом давлений, действующая на поршень (10) главного цилиндра (9), уменьшается, и пружина (15) перемещает поршень (10) вверх, чтобы установить ограничительное устройство (7) в положение для частичного сужения. В результате расход и скорость топлива уменьшаются. Жесткость пружин (15, 28) выбирается так, чтобы клапан (1) находился в равновесии, когда скорость топлива составляет 7 м/с. Таким образом, проходное сечение для топлива изменяется автоматически, пока скорость топлива не достигнет максимального порогового значения, например, 7 м/с. Скорость топлива не превышает это ограничение скорости, и расход максимален независимо от характеристик, в частности, температуры, топлива, подаваемого в трубу (2).