Способ работы топливной системы летательного аппарата и устройство для его реализации

Предлагаемое техническое решение относится к ракетной и авиационной технике, а именно к топливным системам скоростных летательных аппаратов (ЛА), для которых необходимо ограничить максимальную температуру топлива, поступающего в двигательную установку (ДУ).

С возрастанием скоростей полета ЛА увеличивается нагрев топлива в их топливных системах. Повышенные температуры топлива могут привести к кавитации в топливных насосах и, как следствие, к отказу ДУ. Повышенные температуры топлива также могут привести и к отказу гидросистемы, как правило, охлаждаемой или запитываемой топливом.

Для снижения температуры топлива наряду с созданием разного рода теплоограждающих поверхностей, приводящих к росту массы и габаритов ЛА, используют способы работы топливной системы (способы выработки топлива из баков), обеспечивающие минимальную температуру топлива на выходе из центрального бака (на входе в ДУ).

Известен способ работы топливной системы, заключающийся в поочередной перекачке топлива из баков в зависимости от интенсивности нагрева топлива в них, а из центрального бака в ДУ. Известна оценка интенсивности нагрева топлива в баках, определяемая отношением площади поверхности аэродинамического теплообмена бака к его объему, известно устройство, реализующее выработку топливного бака в соответствии с данным критерием (Л.Б.Лещинер, И.Е.Ульянов. Проектироование топливных систем самолетов.- М.: Машиностроение, 1975 г., УДК 629.735.33.001.2, стр.33-39 и рис.4.23 - ближайший аналог).

В соответствии с данным способом и устройством топливо из баков с наибольшей интенсивностью нагрева поступает в первую очередь в центральный бак.

Однако для топливной системы, в которой используется последовательная выработка топлива из баков под давлением сжатого газа (могут применяться и насосы), данный способ не применим. Кроме того, используемая оценка интенсивности нагрева топлива в баке даже с учетом введения в нее коэффициента теплоотдачи от набегающего потока для скоростных ЛА явно недостаточна, т.к. не учитывает теплоотдачу к топливу.

Указанных недостатков лишены предлагаемые способ для последовательной выработки баков топливной системы ДУ и устройство для его реализации.

Целью предлагаемого технического решения является снижение температуры топлива на входе в ДУ.

Указанная цель достигается тем, что в способе работы топливной системы летательного аппарата, заключающемся в поочередной перекачке топлива из периферийных баков в центральный в зависимости от интенсивности нагрева топлива в них, а из центрального бака в двигательную установку, очередность перекачки топлива периферийных баков в центральный устанавливают в порядке возрастания интенсивности нагрева топлива в периферийных баках, начинают перекачку из периферийного бака, имеющего наименьшую интенсивность нагрева, и при этом одновременно перемещают топливо во всех периферийных баках в направлении от бака с большей интенсивностью нагрева в бак с меньшей интенсивностью нагрева топлива.

Для баков топливной системы, не имеющих теплоограждений от набегающего аэродинамического потока, интенсивность нагрева топлива оценивают коэффициентом интенсивности нагрева топлива для каждого периферийного бака, определяемым из соотношения

где α _a и α _т - коэффициенты теплоотдачи от набегающего аэродинамического потока к наружной поверхности бака и от внутренней поверхности бака к топливу соответственно;

F_a и F_т - площадь наружной и внутренней поверхности бака соответственно;

m - масса топлива в баке.

Топливная система ЛА для осуществления предложенного способа содержит центральный и периферийные баки, соединенные трубопроводами, и отличается тем, что периферийные баки соединены с центральным последовательно в порядке возрастания интенсивности нагрева топлива в них.

Новым в предложенном способе является выработка последовательно соединенных баков, при которой при первоочередной выработке топлива из баков с наибольшей интенсивностью (скоростью) нагрева топлива оно из очередного большего по нагреву бака поступает в следующий больший по нагреву бак и оставшегося набора невыработанных периферийных баков.

Новым также является оценка интенсивности нагрева топлива в баке - коэффициент интенсивности нагрева, который учитывает не только теплообмен бака с аэродинамическим потоком, но и теплообмен топлива со стенками бака.

Новым является и устройство - топливная система, в которой периферийные баки соединены с центральным баком трубопроводами в порядке, обеспечивающем реализацию предложенного способа работы топливной системы, т.е. выработку топлива в баках в порядке возрастания интенсивности нагрева топлива в них.

Сущность предложенного способа заключается в том, чтобы при подаче топлива к ДУ (при выработке топлива из баков) обеспечить постоянное улучшение топливной системы с точки зрения уменьшения нагрева топлива в ней.

Исключая из топливной системы при ее работе каждый раз самый больший по нагреву топливный периферийный бак постоянно максимально улучшают оставшуюся часть топливной системы в направлении уменьшения нагрева топлива в ней.

Например, выработка баков с возможным максимальным нагревом топлива в них наиболее эффективна в начале полета ЛА, когда идет максимальный расход топлива на набор высоты и увеличение скорости полета, т.к. топливо в этих (с максимальным нагревом топлива) баках, поступая в следующие по выработке баки, не успевает достаточно прогреться, а в дальнейшем невырабатываемые остатки топлива в выработанных в начале полета баках просто не влияют на тепловой режим топлива, поступающего в ДУ.

Для организации выработки топлива по предложенному способу необходимо правильно определить баки по интенсивности (скорости) нагрева топлива в них.

Интенсивность нагрева топлива в каждом баке определяют предварительным оценочным расчетом, проводимым для каждого бака отдельно для условия его полного заполнения топливом и одинакового расчетного времени нагрева топлива на маршевом (основном) участке полета ЛА. Интенсивность нагрева топлива в баках подтверждается результатами рабочего расчета теплового режима топлива, а также при необходимости результатами испытаний.

Для упрощения определения интенсивности нагрева топлива вводят уточненную оценку интенсивности нагрева для баков, не имеющих теплоограждений, т.е. теплозащиты, теплоизоляции, воздушных прослоек и т.п.

Сущность предложения сводится к определению оценки интенсивности нагрева топлива в баках, учитывающей помимо аэродинамического теплообмена и теплообмен топлива со стенками бака, т.к. для скоростных ЛА этот теплообмен соизмерим с аэродинамическим.

В качестве критерия авторы предлагают для баков, не имеющих теплоограждений, коэффициент интенсивности нагрева, определяемый по формуле

где α _a - коэффициент теплоотдачи от набегающего аэродинамического потока к наружной поверхности бака, Вт/(м²· К);

α _т - коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности бака к топливу, Вт/(м²· К);

F_a - площадь поверхности аэродинамического нагрева бака, м²;

F_т - площадь поверхности теплообмена бака с топливом, м²;

m - масса топлива в баке, кг.

Коэффициент интенсивности нагрева рассчитывают для каждого бака для маршевого участка полета при ориентировочной средней температуре топлива и заполненном топливом баке.

Затем по значениям коэффициентов интенсивности нагрева определяют порядок выработки топлива из баков топливной системы и окончательным расчетом для типовой траектории полета определяют температуру топлива в каждом баке и интенсивность его нагрева, которая подтверждает правильность порядка выработки топливных баков.

Устройство для реализации предложенного способа выработки топлива показано на чертеже.

Сущность предложенного устройства в том, что в нем баки соединены трубопроводами последовательно таким образом, что защита топлива от аэродинамического нагрева в них возрастает по мере приближения по выработке периферийного бака к центральному.

Работа устройства происходит следующим образом. Сжатый газ подается в периферийный бак 1, имеющий в топливной системе из периферийных баков максимальную интенсивность нагрева топлива. Из бака 1 топливо по трубопроводу 5 поступает в бак 2, имеющий максимальную интенсивность нагрева топлива из периферийных баков 2-3. Из бака 2 топливо поступает в последний периферийный бак 3, имеющий минимальную интенсивность нагрева топлива из всех периферийных баков, а из бака 3 в центральный бак 4, из которого подается к ДУ.

Следует отметить, что положение центрального бака 4 на ЛА определяется центровкой и при любом способе выработки он последний.

В том случае, если по условиям центровки обеспечить предложенный способ выработки топлива для какого-то из баков не удается, то необходимо либо искать иные пути обеспечения необходимой центровки, либо применять специальную теплоограждающую конструкцию, либо идти на снижение эффекта от предложенного способа выработки в силу объективной необходимости, связанной с центровкой, если последнее допустимо по температуре топлива на входе в ДУ.

Снижение эффекта при этом подтверждает правильность предложенного способа и устройства для его реализации.

Эффект от предложенного способа и устройства практически без особых затрат приводит к снижению нагрева топлива в баках и на входе в ДУ. Нагрев топлива уменьшается до 15% по сравнению с произвольно выбираемым способом работы топливной системы.

Кроме того, с помощью предложенного способа определяют минимально необходимое теплоограждение для периферийного бака, оказавшего выпавшим по условиям центровки из ряда убывающей интенсивности нагрева топлива.

Реализация данного способа:

повышает надежность топливной системы и ЛА за счет снижения температуры топлива на входе в ДУ, т.к. образуется кавитационный запас температуры для устойчивой работы топливного насоса;

устраняет необходимость использования теплоограждающих конструкций баков, имеющих массу и занимающих полезный объем, предназначенный для размещения топлива;

упрощает испытания и сокращает их объем по топливной системе, двигательной установке и гидросистеме ЛА.

Данный способ работы топливной системы и устройство для его реализации применены в разработке предприятия-заявителя.

1. Способ работы топливной системы летательного аппарата, заключающийся в поочередной перекачке топлива из периферийных баков в центральный в зависимости от интенсивности нагрева топлива в них, а из центрального бака в двигательную установку, отличающийся тем, что очередность перекачки топлива из периферийных баков в центральный устанавливают в порядке возрастания интенсивности нагрева топлива в баках, начинают перекачку из периферийного бака, имеющего наименьшую интенсивность нагрева при одновременном перемещении топлива во всех периферийных баках в направлении от бака с большей интенсивностью нагрева к баку с меньшей интенсивностью нагрева топлива.

2. Способ подачи топлива по п.1, отличающийся тем, что интенсивность нагрева топлива оценивают коэффициентом интенсивности нагрева топлива для каждого периферийного бака, определяемым из соотношения

где α_а и α_т - коэффициенты теплоотдачи от набегающего аэродинамического потока к наружной поверхности бака и от внутренней поверхности бака к топливу соответственно;

F_a и F_т - площадь наружной и внутренней поверхностей бака соответственно;

m - масса топлива в баке.

3. Топливная система летательного аппарата для осуществления способа, содержащая центральный и периферийные баки, соединенные трубопроводами, отличающийся тем, что периферийные баки соединены с центральным последовательно в порядке возрастания интенсивности в них нагрева топлива.