автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Разработка методов предупреждения отказов авиационных ГТД, связанных с качеством авиационных топлив

На правах рукописи

Велапатиньо К. Вихельмо С.

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ОТКАЗОВ АВИАЦИОННЫХ ГТД, СВЯЗАННЫХ С КАЧЕСТВОМ АВИАЦИОННЫХ ТОПЛИВ

Специальность 05.22.14 - Эксплуатация воздушного транспорта

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уе1араЬ1по У1Ье1то

Москва — 2006

Диссертационная работа выполнена в Московском государственном техническом университете гражданской авиации (МПУ ГА).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

проф., доктор технических наук Коняев Е.А.

проф., доктор технических наук Зубков Б.В.

к.т.н., доцент Кононов Е.П.

Ведущая организация: Гос НИИ ГА

Зашита диссертации состоится « & » / С-_2006 г. на заседании

диссертационного совета Д.223.011.01 МГТУ ГА - Московского государственного технического университета гражданской авиации по адресу: 123993, Москва, А-493, ГСП-3, Кронштадтский бульвар, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ ГА.

Автореферат разослан « »__2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Профессор, доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

Качество авиационных топлив в значительной мере определяет надежность работы авиационных ГТД и безопасность полетов ВС ГА. Анализ авиационных происшествий за период с 1991 по 2005 г., связанных с качеством топлива, показал, что наиболее серьезные инциденты произошли по причине залипания золотниковых пар агрегатов толливорегулирующей аппаратуры (ТРА), которое привело к отказу всех двигателей в полете (2 случая) одного и более двигателей-9 случаев. Поэтому разработка методики предотвращения залипания золотниковых пар с использованием ультразвукового излучателя является актуальным и направленным на повышение уровня безопасности полетов. Актуальным также является исследование современных методов осушки воздуха, поступающего в дыхательные и дренажные системы топливных резервуаров, цистерн топливозаправщиков, баков ВС. Наиболее перспективными методами считаются мембранные технологии разделения газов, поэтому исследования в этом направлении также являются актуальными.

Предмет и объект исследования

Объект исследований - авиационный двигатель, топливорегулирующая аппаратура, золотниковые регулирующие устройства; топливная система ВС.

Предмет исследования - процессы снижения качества топлива, связанные с наличием свободной воды, противоводокристаллизационной жидкости, механических примесей, приводящие к отказам элементов ТРА и фильтров тонкой очистки.

Цель работы

Повышение уровня безопасности полетов и эффективности поддержания летной годности ВС путем обеспечения и разработки методов повышения безотказности авиационных ГТД, связанных с качеством авиационных топлив и разработки рекомендаций по уменьшению отрицательного воздействия дисперсных систем на работоспособность ТРА JIA.

Задача исследования

1. Провести анализ основных факторов, приводящих к отказам авиационных ГТД, связанных с качеством топлива.

2. Изучить возможности регулирования процесса заедания (залипания) золотниковых пар ТРЛ.

3. Разработать методику определения параметров ультразвукового возбуждения золотниковых пар ТРА, устраняющего их заедание.

4. Изучить возможности использования мембранных технологий для обезвоживания воздуха, поступающего в дренажные и дыхательные системы резервуаров, цистерны топливозаправщиков и топливные баки ВС.

5. Разработать рекомендации по выбору мембранных материалов и готовых модулей обезвоживания в зависимости от емкости баков ВС и максимального расхода топлива.

Научная новизна

1. На основе статистического анализа отказов авиационных ГТД, связанных с качеством топлива, сформулированы основные факторы, определяющие причины отказов.

2. Изучена физическая картина отказа ГТД, связанная с заеданием золотников ТРЛ, на примере отказа клапана постоянного перепада давления (КППД).

3. Решена локальная оптимизационная задача по определению параметров УЗ-излучателя, минимизирующая мощность излучения посредством выбора максимума частоты возбуждения с учетом ограничения длины полуволны.

4. Разработана методика определения параметров ультразвукового возбуждения золотниковых пар ТРА, учитывающая их индивидуальные массовые и геометрические характеристики.

5. Показана принципиальная возможность использования мембранных технологий для обезвоживания воздуха, поступающего в дренажные и дыхательные системы топливных резервуаров и баков ВС.

Ппастическая значимость

Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные рекомендации позволяют:

1. Исключить случаи отказов золотниковых пар ТРА авиационных ГТД путем использования методики определения параметров ультразвукового излучателя.

2. Повысить безопасность полетов и надежность работы авиационных ГТД путем использования рекомендаций по выбору мембранных модулей дяя осушки воздуха, поступающего в топливные баки ВС.

Основные положения, выносимые tía защиту

1. Методика определения параметров ультразвукового возбуждения золотниковых пар ТРА, учитывающая их индивидуальные массовые и геометрические характеристики.

2. Рекомендации по использованию мембранных технологий для обезвоживания воздуха, поступающего в дренажные и дыхательные системы топливных резервуаров и баков ВС.

3. Результаты статистического анализа отказов авиационных ГТД, связанных со снижением качества топлива, за период 1990. ..2005 гг.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и получили положительную оценку на научно-технических семинарах кафедры «Аиватопливообеспечения и ремонта JIA» (ATO и РЛА) МГТУ ГА, международных научно-технических конференциях в МГТУ ГА и Егорьевском авиационном техническом колледже ГА (ЕАТК ГА) в 2003, 2004, 2005, 2006 гг., МАТИ им. Циолковского в 2003,2004,2005 гг.

Результаты работы использованы в учебном процессе МГТУ ГА при выполнении выпускных квалификационных работ студентов и магистрантов по кафедре ATO и РЛА.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 научных публикациях и конференциях.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений.

Содержание работы Во введении сформулированы задачи исследования, обоснована их актуальность, отмечена научная новизна и практическая значимость, дается краткая характеристика работы.

В главе 1 приведен статистический анализ отказов авиационных ГТД по причине снижения качества топлива и отказов топливной аппаратуры за период 1991 - 2005г.

За указанный период произошло 96 событий, связанных с отказом топливной системы самолета и двигателей в процессе подготовки и выполнения полетов.

Сводные данные по количественным показателям событий в зависимости от типа ЛА, этапов полета, характеристики события и сезона приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Анализ причин прскрашс11н^я п(ктета п связи с отказом топливной системы.

Тип ЛА '"'"' | ~ .................]

[>гап полета, N. событие, ! Взлет ] (Исп. старт) Ту-154 17 Ту-134 Як-40 1 Як-42 1 Ми-2 Ми-8 2 Ил-62 Ан-12 ■ Ан-24 Ан-28 6

Набор высоты 2 г

Горизонт полет 6 1 9 5 2 1

Снижение 1 1 1 2

Катастрофа 2

Авария 1(Л^И0)

Серьезный инцидент I 5

Инцидент 22 4 2 1 7 5 2 и

Зима 16 4 1 1 9 5 2 5

Лето 7 1 3 в

Анализ данных, приведенных в табл. 1, показывает, что наибольшее число событий относится к наиболее массовому самолету типа ТУ-154Б-М (23 событий); затем идут вертолеты Ми-2, Ми-8 (12 событий), самолеты Ан-24, Ан-28 (11 событий), Ил-62 (5 событий), Ту-134 (4 событий), Як-40, Як-42 (3 событий), Ан-12 (2 событий).

По последствиям указанные летные происшествия характеризуются следующим образом: 2 катастрофы, 1 авария, б серьезных инцидентов, остальные - инциденты.

Большинство происшествий произошло в зимний период (46 событий), в летний период -(17 событий).

Катастрофы произошли с вертолетами Ми-2. Оба событий произошли из-за отказов 2-х двигателей в полете вследствие обмерзания топливных фильтров и прекращения подачи топлива.

В обоих случаях обнаружено отсутствие противоводокристаллизационной жидкости (ПВКЖ) «И-М».

Авария произошла на самолете Л-410 в результате самовыключения двигателей в результате полной выработки топлива по причине утечки топлива из баков ВС из-за неплотного закрытия заливной горловины.

Наибольший интерес для данного исследования представляют серьезные инциденты и инциденты, произошедшие с самолетами Ту-154 Б-М, по причине заедания (залипания) золотниковых пар. Краткая характеристика этих событий приведено в табл. 2.

Таблица 2.

Отказы двигателей, связанные с заклиниванием золотниковых пар ТРА

Дата события Система Агрегат Вид отказа

15.1290 Распределение топлива НР-ЗОКУ Недопустимое изменение параметров

24.03.93 Регулирование топлива Заклинивание золотников диф.клапанов НР-ЗОКУ Самопроизвольное выключение двигателей №1, №3 при включении реверса

14.02.94 Регулирование топлива НР-ЗОКУ Самопроизвольное выключение двигателя

23.07.95 Регулирование топлива Заклинивание золотника диф.клапана НР-ЗОКУ Самопроизвольное выключение двигателя при снижении с эшелона

13.07.96 Регулирование топлияа НР-ЗОКУ Невыход двигателя №2 на взлётный режим

12.01.00 Регулирование топлива Заклинивание золотников диф.клапанов НР-ЗОКУ Самопроизвольное выключение 3-х двигателей на глиссаде при уборе РУД

09.10.01 Топливная система (Ту-134 А) Залипания золотников диф. клапанов НР-30 Самопроизвольное выключение 2-х двигателей на пробеге

По результатам расследования авиационных происшествий, а также исследований, проведенных в ГосНИИ ГА, 25 ГосНИИ МО и 13 ГосНИИ МО РФ, определены эксплутационные и конструктивные факторы, влияющие на безотказность топливных агрегатов. При этом были установлены такие факторы, как: обьем топлива в системе, несливаемый остаток топлива в баках ВС, подогрев топлива в топливомасляном радиаторе (TMP) на входе в фильтр тонкой очистки, тип системы регулирования расхода топлива, максимальные зазоры в прецизионных парах ТРА, тонкость очистки топлива на входе в двигатель и прецизионные пары, тип системы наддува баков, количество и марка

добавляемой в топливо ПВКЖ, периодичность промывки фильтроэлементов, характерные высоты, скорости и продолжительности полетов ЛА и др.

Вопросам повышения надежности топливных систем ЛА, связанным с качеством топлива, посвящены работы Лозовского В.Н., Серегина Е.П., Энглина Б.А., Зрелова В.Н., Пискунова В.А., Кузьмина Ю.А., Голубушкина В.Н., Черненко Ж.С., Литвинова A.A., Аксенова А.Ф., Лихтеревой U.M., Крушинского Ю.И., и др. ученых.

В настоящее время результаты исследований отказов топливных систем, проведенных в 13 ГосНИИ МО РФ, ГосНИИ ГА и 25 ГосНИИ МО, свидетельствуют, что подавляющее число инцидентов и летных происшествий ЛА происходит при наличии в топливе ПВК-жидкости.

При исследовании отложений на золотниках насосов-регуляторов было установлено, что причиной образования липких отложений в топливных aiperarax при применении ПВКЖ «И-М» является окисление и полимеризация находящихся в ней метастабильных технологических примесей в результате длительного хранения самой присадки и ее смеси с топливом, обводнение присадки, растворение пропитки фильтроэлементов топливозаправщиков ТЗ-22 высококонцентрированными водными растворами ПВКЖ «И-М» с последующей полимеризацией смол, входящих в состав пропитки,

В конце главы 1 сформулированы задачи исследования.

В главе 2 представлена разработка метода обеспечения безотказности работы золотниковых пар на примере клапана постоянства перепада давлений (КППД) двигателей семейства ДЗО-И, ДЗО-КУ/КП.

Как было отмечено в 1°" главе наибольшее влияние на надежность работы ГТД и безопасность полетов оказывают отказы золотниковых пар КППД, управления перекладкой лопаток входного направляющего аппарата, управления переключением отбора воздуха в компрессоре.

Рассмотрена физическая картина самопроизвольного выключения двигателя Д-ЗОКУ/КП при отказе золотника КППД, вызванного его залипанием по указанным выше причинам. Показана низкая чувствительность всережимного центробежного регулятора на пониженных режимах работы.

Регулятор оборотов обладает хорошей чувствительностью на больших режимах (взлет, номинал), удовлетворительной на 0,5 ном, крейсерском и низкой чувствительностью на режимах малый газ, ОД ном, 0,4 номинального.

Поэтому на пониженных режимах работы используется вторая программа регулирования:

GT = const (а рул),

реализующая задачу поддержания постоянства подачи топлива при данном а руд. Диапазон работы этой программы принято называть диапазоном ручного регулирования.

В этом диапазоне дросселирующим устройством является дроссельный кран (ДК). Расход топлива через ДК определяется выражением:

Gt = Цдк Fx,к j2prAPm ,

где Цлк - коэффициент расхода, определяемый формой окна ДК: Рдк — площадь проходного сечения ДК; рт - плотность топлива;

ЛРд* = Рт - ¡'ф, - перепад давления на ДК, где Рт - давление перед ДК; Рф - давление топлива перед форсунками; F„„ меняется при изменении а руд.

Для выполнения программы GT = const (а руд) необходимо поддерживать перепад АРдк постоянным, т.е. установить дополнительный регулятор, выполняющий программу ЛРд," const. Эту функцию выполняет клапан поддержания постоянства перепада давления (КППД).

При уменьшении режима работы в процессе снижения, сопровождаемого снижением режима работы (а руд), золотник КППД, находясь в крайнем левом положении вследствие его залипания, не в состоянии выполнить поставленную задачу по поддержанию ДРд,= const, подача топлива уменьшается ниже требуемой для работы двигателя на малом газе, происходит самовыключение двигателя.

Определение параметров ультразвукового излучателя.

• Постановка задачи.

Имеется цилиндрический корпус массой т„. Внутри корпуса размещен неподвижный золотник массой mj и длиной ¡¡, удерживаемой в корпусе силой сухого трения Fmp. Определить параметры вибрационного возбуждения корпуса, необходимого и достаточного для преодоления силы трения.

• Получение расчетных зависимостей.

Из трех видов волн, реализуемых в стержнях (продольные, поперечные, сдвиговые) выбираем продольные волны, направление распространения которых совпадает с требуемым направлением перемещения золотника после его отрыва. Для возбуждения продольных колебаний корпуса (и золотника) может быть использован

электродинамический, пьезоэлектрический или ультразвуковой генератор, реализующий периодическое смещение торца корпуса по закону:

у = у„ sin(®í + 4F),

где уа - амплитуда продольного смещения; со - круговая частота (число продольных колебаний за 2 ж секунд).

Каждая из точек корпуса (в том числе и золотник) испытывает ускорение:

j о у = _у0 а¡2 sin (cot + y), В результате на золотник действует инерционная сила:

Р3] = mj *j = - mj y¡¡ со2 sin (cot + 4/), амплитудное значение которой равно:

t^j max = - тп)Уо со2

Для отрыва золотника необходимо и достаточно, чтобы инерционная сила P*j max, действующая на золотник, превысила силу сухого трения покоя: PSj max ¿Fmp или Р*, max = m¡j max > F„p где max ~ тзуо со2 = тзуо (2л)2 */.

С увеличением частоты продольных колебаний / инерционная сила возрастает по квадратичной зависимости.

Предельное значение частоты продольных колебаний определяется из условия размещения полуволны А/2 на длине золотника / (рис. 1.)

Л 2

Рис. 1. Положение полуволны продольных колебаний, обеспечивающее возможность смещения золотника.

Только в этом случае весь золотник находится в одной фазе смещения. Значение предельной частоты продольных колебаний найдем из выражения:

С = Х*/,

где с - скорость звука в металле м/с: X - длина волны продольных колебаний: /частота колебаний.

с 1

Тогда: X =■= — 5: — то есть частота /продольных колебаний должна удовлетворять У 2

условию:

!*Ч

Для стали С = 5850 */„. /=< О,ОЗ...0,06 м и / я» 195...97,5 кГц. Это соответствует ультразвуковому диапазону волн.

Кинетическая энергия колебаний золотника в фазе максимальной скорости равна:

Т - "Ь^'3 тах

учитывая,что V3 max = ,

2 if

_ П7, * У2щах

получим: 7j =-——--—

2* (2л) * f

Тогда мощность ультразвукового излучения, приходящаяся на золотник будет

равна:

Nj = Тз */=

8л-J */ и,* Fi, F'rp

учитьшая, что imia 2 , получим Aj ,> ■ , , -

J m, . 8гг *fm* %x**f*m1

Мощность УЗ-излучателя, необходимая для возбуждения колебаний всего клапана

m * F1

КППД, определится выражением: Ыкппд è —-jr-, где ткппд-масса всего клапана

8я * /щ

КППД вместе с золотником.

Таким образом, определены параметра ультразвукового излучения, необходимые

для отрыва золотника от корпуса:

1 ' 8л-2 * /г»1

Выводы из полученных формул:

• Чем больше сила трения, тем больше мощность излучения, необходимая для отрыва золотника.

• Чем больше масса золотника, тем меньше требуемая мощность излучения.

• Чем больше частота продольных колебаний, тем меньше требуемая мощность.

Таким образом решена локальная оптимизационная задача по определению

параметров УЗ-излучателя, минимизирующая мощность излучения посредством выбора максимума частоты возбуждения с учетом ограничения длины полуволны размерами золотника, достаточную для преодоления силы сухого трения.

В главе 3 представлена анализ причин обводненности авиатоплив и разработка метода обезвоживания воздуха поступающего в систему дренажа топливной системы.

В процессе хранения, транспортирования, перекачки, заправки и применения топливо и масла обводняются. Причем попавшая в них вода может находиться в разных видах. Некоторое количество поглощенной ГСМ влаги находится в растворенном состоянии; при этом предел ее растворимости в нефтепродуктах может изменяться в довольно широком диапазоне и зависит от химического состава нефтепродукта и от внешних условий.

Растворимость воды в топливах подчиняется закону Генри. Максимальную растворимость воды в топливах можно вычислить по формуле:

Вшо^оЧ'СР/РоХТЛГо)",

где

Вию - в % масс;

go - максимальная растворимость воды в топливе при Ч* = 1,0 (100% влажный

воздух);

Ро - =0,101 МПа;

Р - давление воздуха в надтопливном пространстве;

То - = 293 К;

Т - температура топлива и воздуха, К;

Ч" - относительная влажность воздуха;

п - показатель степени для ТС-1, РТ, Т-8, Т-6, бензинов =11,5.

Следует отметить, что формула справедлива при равенстве температур топлива и воздуха.

Остальная часть содержащейся в ГСМ воды находится а эмульсионном состоянии или в виде отстоя, а при отрицательных температурах - в виде кристаллов льда.

Растворенная вода всегда практически присутствует в ГСМ. Жидкие углеводороды способны растворять от 0,003 до 0,12% воды в интервале температур от 0 до 40° С.

Основным источником обводнения топлив и масел является атмосферная влага, содержащаяся в воздухе в виде водяных паров. В 1 м3 воздуха в зависимости от температуры может содержаться значительное количество влаги. (Табл. 3)

Таблица 3.

Температура, °С -40 -20 0 5 10 15 20 30

Содержание воды, г/м3 0,1 1,6 4,8 6,7 9,4 12,5 19,0 35

Содержание воды по

0,01 0,22 0,6 0,86 1,1 1,56 2,3 4,4

Объему, %

В связи с этим одним из перспективных методов управления содержанием воды в топливе является осушка воздуха, поступающего в дыхательные системы резервуаров, цистерны ТЗ-22 и баки ВС.

Существуют различные методы осушки воздуха: -осушка охлаждением - дополнительное сжатие - абсорбционный осушитель -мембранные осушители.

Первые два метода требуют использования компрессорного оборудования, что является недопустимым с точки зрения безопасности. Абсорбционный осушитель нашел применения в службах ГСМ аэропортов для осушки воздуха в дыхательной системе резервуаров для хранения ПВКЖ «И-М». В качестве абсорбера используется силикагель. Его малая влагоемкость и необходимость периодической регенерации не позволяет использовать этот метод для осушки больших объемов резервуаров, цистерн ТЗ и баков ВС.

Поэтому представляется наиболее перспективным методом осушки воздуха в дыхательных системах топливных резервуаров и баков ВС использование мембранных осушителей. В этом случае могут быть использованы газоразделительные мембраны, позволяющие отделить молекулы газов, входящих в состав воздуха, от молекул паров воды.

Мембраны, применяемые для разделения газов, могут быть разделены на две группы: с пористой матрицей и сплошной матрицей. Если мембрана имеет крупные поры, то разделение происходит преимущественно за счет различия молекулярных масс разделяемых компонентов. Коэффициент разделения а, определяемый как отношение потоков двух компонентов Л и .12 , является степенной функцией отношения их молекулярных масс М1 и М2

Процесс разделения в мембранном элементе сводится к следующему. Исходная газовая смесь известного состава под давлением поступает в напорный канал, где в

результате различной проницаемости компонентов через мембрану происходит изменение состава смеси: уменьшается доля легкопроникающих компонентов, смесь обогащается труднопроникающими компонентами и далее используется по назначению.

Разделительную способность мембраны принято характеризовать относительной величиной коэффициента проницаемости I — го компонента, или фактором разделения мембраны:

«ц = АУЛ)

Если сравниваются коэффициенты проницаемости чистых газов Л°1 и , то относительную величину ^ называют идеальным фактором разделения мембраны. В общем случае а^и а0^ различны, так как процессы проницания отдельных компонентов смеси через мембрану взаимозависимы. Скорость проницания отдельных компонентов через мембрану зависит от общего давления, температуры, состава смесей, коэффициентов проницаемости и фактора разделения мембраны, меняющихся в процессе разделения по длине элемента.

Допущение о локальном равновесии позволило существенно упростить математическое описание стационарного мембранного процесса, разделить влияние сорбции и диффузии и представить проницаемость и селективность мембран как произведение сорбционного и диффузионного факторов:

А; = О, „Дпь

а;; = (о; т/ а, т) (Б, „/ ^ т) = где ст, т, 13, т - коэффициенты растворимости и диффузии газов в мембране; ас, j и а" j -коэффициенты сорбционного и диффузионного разделения газовой смеси.

Указанное представление процессов сильно идеализировано и ограничено областью малых растворимостей.

Рассмотрены полимерные материалы, используемые в мембранных технологиях и реализующие процессы разделения газов, входящих в состав воздуха, от паров воды.

В главе 4 представлены решения прикладных вопросов диссертационной работы. Приведены конкретные расчеты параметров УЗ-излучателя при заданных характеристиках золотников регулирующих кланов. Результатом расчета является частота возбуждения и мощность излучателя. Приведены расчеты числа и производительности мембранных картриджей фирмы «(Згазуэ» для установки их в дренажные системы ВС ГА.

Заключение

В результате проведенных исследований решена научно-техническая задача, связанная с повышением безотказности авиационных ГТД, путем разработки методики определения параметров ультразвукового возбуждения золотниковых пар ТРА, учитывающая их- индивидуальные массовые и геометрические характеристики.

Научно обоснованы техническое решения, позволяющие исключить отказы элементов ТРА, связанные со снижением качества топлива. Основными научными результатами являются:

• На основе статистического анализа отказов авиационных ГТД, связанных с качеством топлива, сформулированы основные факторы, определяющие причины отказов.

• Изучена физическая картина отказа ГТД, связанная с заеданием золотников ТРА, на примере отказа клапана постоянного перепада давления (КППД).

• Решена локальная оптимизационная задача по определению параметров УЗ-излучателя, минимизирующая мощность излучения посредством выбора максимума частоты возбуждения с учетом ограничения длины полуволны, размерами золотника, достаточную для преодоления силы сухого трения.

• Разработана методика определения параметров ультразвукового возбуждения золотниковых пар ТРА, учитывающая их индивидуальные массовые и геометрические характеристики.

• Показана принципиальная возможность использования мембранных технологий для обезвоживания воздуха, поступающего в дренажные и дыхательные системы топливных резервуаров и баков ВС.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. В изданиях, определенных ВАК РФ, для публикации материалов диссергациоиных работ:

• А.О. Осипов; О.П. Осипов; Велапатиньо К. Вихельмо, Вопросы технологии ввода ПВК жидкостей в авиационное топливо. Научный вестник МГТУ ГА № 102, серия «Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов», 2006.,-с. 79-83.

2. В других изданиях:

Велапатиньо К. Вихельмо С., «Проблемы обеспечения качества топлива при заправке воздушных судов». Тезисы докладов Международной научно-технической конференции, МГТУГА, г. Москва, 2003г.

Велапатиньо К. Вихельмо С., «Категория обратимости термодинамической системы». Тезисы докладов Международной молодежной научной конференции «XXIX Гагаринские чтения» МАТИ - Российский государственный технологический университет им. К.Е. Циолковского, г. Москва, 2003г. Velapatino С. Vihelmo С., Science in NASA, publications and scientific researching, Aviation and Space Technology, Science@NASA, USA. 2004, www.nasa.com. The use of the antifreeze liquid in the fuel aviation, problems and their solutions. Velapatino C. Vihelmo C., Science in NASA, publications and scientific researching, Aviation and Space Technology, Science@NASA, USA. 2004, www.nasa.com. The water contamination in the fuel aviation.

Велапатиньо К. Вихельмо С., «Обеспечение надежности работы золотниковых пар топливорегулирующей аппаратуры авиационных ГТД типа ДЗО-КУ/КП».

Тезисы докладов на Студенческой научной конференции, Министерство транспорта РФ, МГТУГА, г. Москва, 2004г.

Велапатиньо К. Вихельмо С., «Проблемы обеспечения качества топлива при заправке воздушных судов». Тезисы докладов на пятой международной научно-технической конференции «Чкаловские чтения», Государственная служба гражданской авиации МИНТРАНСА России, МГГУ им. Н.Э. Баумана, МГТУГА, ЕАТК ГА им. В.П. Чкалова г. Егорьевск, 2004.Г.

Велапатиньо К. Вихельмо С., «Рекомендации по предупреждению образования дисперсных систем реактивных топлив и уменьшению их отрицательного воздействия на золотниковые пары топливорегулирующей аппаратуры JIA »

Тезисы докладов Международной молодежной научной конференции «XXXI Гагаринские чтения» МАТИ — Российский государственный технологический университет им. К.Е. Циолковского, г. Москва, 2005г.

А.О. Осипов, B.C. Велапатиньо, «Вопросы технологии ввода ПВК жидкостей в авиационное топливо». Тезисы докладов Международной научно-технической конференции, МГТУГА: секции № 1 «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», М.: МГТУ ГА. 2006г.,

А.О. Осипов, B.C. Велапатиньо, «Проблемы модернизации аэродромного топливозаправщика ТЗ-22». Тезисы докладов Международной научно-

технической конференции, МГТУГА: секции № 1 «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», М.: МГТУ ГА, 2006г.

• B.C. Велапатиньо, А.О. Осипов, «Методы обеспечения надежности топливорегулирующей аппаратуры (ТРА) ГТД, связанные с качеством авиатоплива». Тезисы докладов Международной научно-технической конференции, МГТУГА: секции № 1 «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», М.: МГТУ ГА, 2006г.

• B.C. Велапатиньо, «Методика предотвращения отказа (зависания) золотника дифференциального клапана двигателя Д-ЗОКУ-154». Тезисы докладов Международной научно-технической конференции, МГТУГА: секции № 1 «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», М.: МГТУ ГА, 2006г.

\1б1ара11ло XJilielmo Соискатель Велапатиньо К. Вихельмо С.

Подписано в печать 24.11 .Обг. Печать офсетная Формат 60x84/16 1,16 уч.-изд. л. 1,25 усл.печл._Заказ № 7£М_Тираж 70 экз.

Московский государственный технический университет ГА 125993 Москва, Кронштадтский бульвар, д. 20 Редакционно-издателъский отдел 125493 Москва, ул. Пулковская, д.ба

© Московский государственный технический университет ГА, 2006

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ОТКАЗОВ АВИАЦИОННЫХ ГТД, СВЯЗАННЫХ С

КАЧЕСТВОМ ТОПЛИВА.

1.1.Статистика отказов авиационных ГТД по причине снижения качества топлива и отказов топливной аппаратуры за период 1991 - 2005г

1.2.Анализ влияния эксплуатационных свойств топлива на надежность работы топливной системы ГТД.

1.2.1. Внешнее загрязнение топлива. 23 1.2.1.1.Кристаллы льда, образующиеся в топливной системе 24 1.2.1.2.0садкообразование и термостабильность топлива. 25 1.2.1.3.Фрикционный износ топливных насосов. 26 1.2.1 АКоррозионные свойства топлива. 27 1.2.1,5.Фазовые переходы воды в топливе и ее влияние на работу ТС

1.2.2. Качество топлива и технические требования к его свойствам.

1.3.Постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ

КЛАПАНА ПОСТОЯНСТВА ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЙ.

2.1.Физическая картина влияние заедания золотников ТРА на надежность работы ГТД.

2.2.Методы снижения трения золотниковых пар при ультразвуковом воздействии. 42 2.3.Определение параметров ультразвукового излучателя.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ВОЗДУХА,

ПОСТУПАЮЩЕГО В СИСТЕМУ ДРЕНАЖА ТОПЛИВНОЙ

СИСТЕМЫ.

3.1 .Анализ причин обводненности авиатоплив.

3.1.1.Физическое состояние воды в топливах и маслах.

3.1.2.Причины и источники обводнения горюче-смазочных материалов. 51 ЗЛ.З.Влияние химического состава и физико-химических свойств горючесмазочных материалов на их обводненность

3.1.4.0бводненность горюче-смазочных материалов.

3.2.Анализ методов обезвоживания авиатоплив.

3.2.1. Классификация методов обезвоживания.

3.3.Методы осушка воздуха. 57 3.3.1 .Основные понятия необходимые при подборе осушителей воздуха.

3.3.2.Анализ методов осушки воздуха.

3.4.Мембранные методы разделения смесей веществ.

3.5.Мембранное разделение газов и испарение через мембрану (первопорация). 67 3.5.1.Общие сведения о мембранном разделении газовых смесей

З.б.Энергетическое сопряжение процессов в мембране.

ГЛАВА 4. ПРИКЛАДНЫЕ ВОПРОСЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.1 .Пример расчета параметров ультразвукового излучателя. 79 4.2.Мембранные системы осушки воздуха на базе половолоконных мембран производства ЗАО «Центр ВМ - Технологий».

4.2.1. Общая характеристика системы осушки воздуха.

Актуальность исследования

Качество авиационных топлив в значительной мере определяет надежность работы авиационных ГТД и безопасность полетов ВС ГА. Анализ авиационных происшествий за период с 1991 по 2005 г., связанных с качеством топлива, показал, что наиболее серьезные инциденты произошли по причине залипания золотниковых пар агрегатов топливорегулирующей аппаратуры (ТРА), которое привело к отказу всех двигателей в полете (2 случая) одного и более двигателей-9 случаев. Поэтому разработка методики предотвращения залипания золотниковых пар с использованием ультразвукового излучателя является актуальным и направленным на повышение уровня безопасности полетов. Актуальным также является исследование современных методов осушки воздуха, поступающего в дыхательные и дренажные системы топливных резервуаров, цистерн топливозаправщиков, баков ВС. Наиболее перспективными методами считаются мембранные технологии разделения газов, поэтому исследования в этом направлении также являются актуальными.

Предмет и объект исследования

Объект исследований - авиационный двигатель, топливорегулирующая аппаратура, золотниковые регулирующие устройства; топливная система ВС.

Предмет исследования - процессы снижения качества топлива, связанные с наличием свободной воды, противоводокристаллизационной жидкости, механических примесей, приводящие к отказам элементов ТРА и фильтров тонкой очистки.

Цель работы

Повышение уровня безопасности полетов и эффективности поддержания летной годности ВС путем обеспечения и разработки методов повышения безотказности авиационных ГТД, связанных с качеством авиационных топлив, и разработки рекомендаций по уменьшению отрицательного воздействия дисперсных систем на работоспособность ТРА JIA.

Задача исследования

1. Провести анализ основных факторов, приводящих к отказам авиационных ГТД, связанных с качеством топлива.

2. Изучить возможности регулирования процесса заедания (залипания) золотниковых пар ТРА.

3. Разработать методику определения параметров ультразвукового возбуждения золотниковых пар ТРА, устраняющего их заедание.

4. Изучить возможности использования мембранных технологий для обезвоживания воздуха, поступающего в дренажные и дыхательные системы резервуаров, цистерны топливозаправщиков и топливные баки ВС.

5. Разработать рекомендации по выбору мембранных материалов и готовых модулей обезвоживания в зависимости от емкости баков ВС и максимального расхода топлива.

Научная новизна

1. На основе статистического анализа отказов авиационных ГТД, связанных с качеством топлива, сформулированы основные факторы, определяющие причины отказов.

2. Изучена физическая картина отказа ГТД, связанная с заеданием золотников ТРА, на примере отказа клапана постоянного перепада давления (КПГТД).

3. Решена локальная оптимизационная задача по определению параметров УЗ-излучателя, минимизирующая мощность излучения посредством выбора максимума частоты возбуждения с учетом ограничения длины полуволны.

4. Разработана методика определения параметров ультразвукового возбуждения золотниковых пар ТРА, учитывающая их индивидуальные массовые и геометрические характеристики.

5. Показана принципиальная возможность использования мембранных технологий для обезвоживания воздуха, поступающего в дренажные и дыхательные системы топливных резервуаров и баков ВС.

Практическая значимость

Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные рекомендации позволяют:

1. Исключить случаи отказов золотниковых пар ТРА авиационных ГТД путем использования методики определения параметров ультразвукового излучателя.

2. Повысить безопасность полетов и надежность работы авиационных ГТД путем использования рекомендаций по выбору мембранных модулей для осушки воздуха, поступающего в топливные баки ВС.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Методика определения параметров ультразвукового возбуждения золотниковых пар ТРА, учитывающая их индивидуальные массовые и геометрические характеристики.

2. Рекомендации по использованию мембранных технологий для обезвоживания воздуха, поступающего в дренажные и дыхательные системы топливных резервуаров и баков ВС.

3. Результаты статистического анализа отказов авиационных ГТД, связанных со снижением качества топлива, за период 1990.2005 гг.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и получили положительную оценку на научно-технических семинарах кафедры АТО и PJIA МГТУ ГА, международных научно-технических конференциях в МГТУ ГА и ЕАТК ГА в 2003, 2004, 2005, 2006 гг., МАТИ им. Циолковского в 2003,2004,2005 гг.

Результаты работы использованы в учебном процессе МГТУ ГА при выполнении выпускных квалификационных работ студентов и магистрантов по кафедре АТО и PJIA.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 научных публикациях.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований решена научно-техническая задача, связанная с повышением безотказности авиационных ГТД, путем разработки методики определения параметров ультразвукового возбуждения золотниковых пар ТРА, учитывающая их индивидуальные массовые и геометрические характеристики.

Научно обоснованы технические решения, позволяющие исключить отказы элементов ТРА, связанные со снижением качества топлива. Основными научными результатами являются:

• На основе статистического анализа отказов авиационных ГТД, связанных с качеством топлива, сформулированы основные факторы, определяющие причины отказов.

• Изучена физическая картина отказа ГТД, связанная с заеданием золотников ТРА, на примере отказа клапана постоянного перепада давления (КППД).

• Решена локальная оптимизационная задача по определению параметров УЗ-излучателя, минимизирующая мощность излучения посредством выбора максимума частоты возбуждения с учетом ограничения длины полуволны, размерами золотника, достаточную для преодоления силы сухого трения.

• Разработана методика определения параметров ультразвукового возбуждения золотниковых пар ТРА, учитывающая их индивидуальные массовые и геометрические характеристики.

• Показана принципиальная возможность использования мембранных технологий для обезвоживания воздуха, поступающего в дренажные и дыхательные системы топливных резервуаров и баков ВС.

1. КРАСИЛЬНИКОВ В.А. Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах. - М.: ФИЗМАТГИЗ,1960.

2. АКСЕНОВ А.Ф. Авиационные топлива, смазочные материалы и специальные жидкости.- М.: Транспорт, 1970

3. ЛИТВИНОВ А.А., ИПАТОВ A.M., ХАЗАНОВ Ф.К. Технология и техника заправки воздушных судов.- М.: Машиностроение, 1878.

4. ЯНОВСКИЙ Л.С., ДУБОВКИН Н.Ф., ГАЛИМОВ Ф.М. и др. Горюче-смазочные материалы для авиационных двигателей.- Казань: «Мастер Лайн», 2002,399 с.

5. ШИШКОВ И.Н. БЕЛОВ В.Б. Авиационные горюче-смазочные материалы и специальные жидкости. М.: Транспорт, 1979.

6. ЭНГЛИН Б.А. Применение жидких топлив при низких температурах. М.: Химия, 1980.

7. HAROLD W. GRAEF, Major, USMC, Ап Analysis of Microbial Contamination in Military Aviation Fuel Systems (Thesis), Ohio USA, Department of the Air Force Air University. Air Force Institute of Technology, 2003

8. ЛЫШКО Г.П. Нефтепродукты и технические жидкости.- М., АО Агропромиздат,1988,143 с.

9. ПАВЛОВ В.П., ЗАСКАЛЬКО П.П. Автомобильные эксплуатационные материалы.-М., Транспорт, 1982,205 с.

10. ФАДИН В.П. Методическое руководство по проведению лабораторных работ по предмету «Применение и анализ н/продуктов».- М., Воздушный транспорт, 1983, 103 с.

11. ИТИНСКАЯ Н.И., КУЗНЕЦОВ Н.А. Справочник по топливу, маслам и техническим жидкостям.- М., Колос, 1982,205 с.

12. ШКОЛЬНИКОВ В.М Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Ассортимент и применение.- М., Химия, 1989,431 с.

13. РЫБИН Н.П. Авиационные горюче-смазочные материалы.- М., МИИГА, 1980, 112 с.

14. РЫБАКОВ К.В., АЛПАТОВ А.С., РОЖКОВ А.Ф. Заправка самолетов горючесмазочными материалами.- М., Транспорт. 1975,208 с.

15. ЛИТВИНОВ А. А. Основы применения горюче-смазочных материалов в гражданской авиации.- М., Транспорт, 1987,312 с.

16. ГУРЕЕВ А.А., СЕРЕГИН Е.П., АЗЕВ B.C. Квалификационные методы испытаний нефтяных топлив.- М., Химия, 1984,198 с.

17. ДУБОВКИН Н.Ф., МАЛАНИЧЕВА В.Г., ФЕДОРОВ Е.П. и др. Физико-химические и эксплуатационные свойства реактивных топлив.- М., Химия, 1985,239 с.

18. ПИСКУНОВ В.А., ЗРЕЛОВ В.Н., ВАСИЛЕНКО В.Т. и др. Химитология в гражданской авиации. Справочник.- М., Транспорт, 1983,248 с.

19. ХВАНГ С.-Т., КАММЕРМАЙЕР К. Мембранные процессы разделения.- М.: Химия, 1981.

20. ТИМАШЕВ С.Ф. Физикохимия мембранных процессов.- М.: Химия, 1988.

21. АНТОНОВ В.Ф. Биофизика мембран // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. Ъ 6. С. 4-12.

22. АНТОНОВ В.Ф. Мембранный транспорт// Там же. 1997. Ъ 6. С. 14-20.

23. БОЛДЫРЕВ А.А. Регуляция активности мембранных ферментов //Там же. С. 21-27.

24. ШАПОШНИК В.А. Кинетика электродиапиза. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1989.

25. ШАПОШНИК В.А. Мембранная электрохимия // Соросовский Образовательный Журнал. 1999. Ъ 2. С. 71-77.

26. ШАПОШНИК В.А. // Журн. аналит. химии. 1992. Т. 47, Ъ 1. С. 152-158.

27. ДЫТНЕРСКИЙ Ю.И. Баромембранные процессы.- М.: Химия, 1986,271 с.

28. БРЫК М.Т., ЦАПЮК Е.А. Ультрафильтрация.- Киев: Наук, думка, 1989.

29. ДУХИН С.С., СИДОРОВА М.П., ЯРОЩУК А.Э. Электрохимия мембран и обратный осмос.-Л.: Химия, 1991,195 с.

30. ДЫТНЕРСКИЙ Ю.И., БРЫКОВ В.П., КАГРАМАНОВ Г.Г. Мембранное разделение газов.- М.: Химия, 1991,178 с.

31. ВЕЛАПАТИНЬО К. ВИХЕЛЬМО С., «Проблемы обеспечения качества топлива при заправке воздушных судов». Тезисы докладов Международной научно-технической конференции, МГТУГА, г. Москва, 2003г.

32. VELAPATINO С. VIHELMO С., Science in NASA, publications and scientific researching, Aviation and Space Technology, Science@NASA, USA. 2004,www.nasa.com. The use of the antifreeze liquid in the fuel aviation, problems and their solutions.

33. VELAPATINO C. VIHELMO C., Science in NASA, publications and scientific researching, Aviation and Space Technology, Science@NASA, USA. 2004, www.nasa.com. The water contamination in the fuel aviation.

34. ВЕЛАПАТИНЬО К. ВИХЕЛЬМО С., «Обеспечение надежности работы золотниковых пар топливорегулирующей аппаратуры авиационных ГТД типа ДЗО-КУ/КП». Тезисы докладов на Студенческой научной конференции, Министерство транспорта РФ, МГТУГА, г. Москва, 2004г.

35. B.C. ВЕЛАПАТИНЬО, «Методика предотвращения отказа (зависания) золотника дифференциального клапана двигателя Д-ЗОКУ-154». Тезисы докладов

36. Международной научно-технической конференции, МГТУГА: секции № 1 «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», М.: МГТУ ГА, 2006г. 42. КРУШИНСКИЙ Ю.И. Автореферат.к.т.н., М.,25НИИ МО РФ, 2002г.