Тема 1.1. Сравнительный анализ энергетических систем. Принцип действия гидравлических систем

Лекция 1

Дисциплина «Б.3.П1.М1.28. Системы самолета и двигателя (ЖГС)»

Раздел I. Гидравлические системы

Тема 1.1. Сравнительный анализ энергетических систем. Принцип действия гидравлических систем

Введение

Согласно учебному плану учебный цикл дисциплин гидравлики и жидкостно-газовых систем летательных аппаратов (ЛА) состоит из трёх частей:

1) гидравлика;

2) устройства (элементы конструкции) жидкостно-газовых систем (ЖГС);

3) жидкостно-газовых систем (ЖГС) ЛА.

Первые две части уже были рассмотрены в курсе «Гидравлика».

Дисциплина «ЖГС» посвящена изучению жидкостно-газовых систем современных ЛА, которые представляют собой сложную совокупность гидравлических, пневматических, механических и электрических устройств, обеспечивающих выполнение заданных функций. На современном ЛА гидромеханические системы выполняют следующие основные функции: управление ЛА; управление взлетно-посадочной механизацией; уборка и выпуск шасси; управление движением ЛА на земле; обеспечение подачи топлива к двигателям на всех этапах эксплуатации; обеспечение жизнедеятельности экипажа и пассажиров в полете и на земле.

К жидкостно-газовым системам относятся:

гидравлические системы (ГС);

топливные системы (ТС);

системы кондиционирования воздуха (СКВ) и автоматического регулирования давления (САРД) в гермокабине самолёта;

противопожарные (ППС), противообледенительные (ПОС) системы и др.

Указанные системы объединяет то, что рабочее тело в них – жидкость или газ. Физические процессы, протекающие в них, и описывающий данные процессы математический аппарат рассмотрены в курсе гидравлики. Наибольшее число функций на ЛА выполняют гидравлические системы.

Анализ энергетических систем

На этапе проектирования ЛА возникает задача выбора вида внешних источников энергии при создании системы, приводящей в движение исполнительные механизмы.

Принципиально на современном ЛА системы могут быть:

1) гидравлическими с механическим приводом насосов, которые непосредственно используют энергию силовой установки ЛА;

2) электрическими, работающими от бортовой сети;

3) пневматическими, работающими от баллонов сжатого воздуха или воздуха, отбираемого от системы кондиционирования воздуха (компрессора двигателя);

4) системы с ветродвигателями, работающими от скоростного напора набегающего потока.

Следует подчеркнуть, что современные системы обеспечения функционирования ЛА обычно смешанного типа: гидравлические с элементами пневматики (дренаж и наддув, привод турбонасосных установок и др.) и электрическими подсистемами (например, измерение и индикация параметров, передачи управляющего сигнала и др.); электромеханические; пневматические с электрическими подсистемами. Однако в качестве основы классификации таких систем будем рассматривать основное рабочее тело («источник энергии»), используемое для обеспечения их функционирования. Например, в гидравлических системах наибольшее распространение получил механический привод источников энергии - гидронасосов от двигателя (через редуктор коробки самолетных агрегатов). Гидронасос создает давление жидкости, что является источником энергии гидравлической системы.

Для правильного выбора типа используемой энергии необходимо сделать сравнительный анализ характеристик указанных энергетических систем.

Гидросистема

Преимущества:

- высокая массовая эффективность, особенно для резервированных гидроприводов в системе управления, так как резервирование обеспечивается установкой двух, трех или четырех гидроприводов, работающих совместно. Масса ГС составляет всего 1–2% взлетной массы современных тяжелых самолетов;

- широкий диапазон бесступенчатого регулирования скорости выходного звена (например, диапазон регулирования частоты вращения гидромотора может составлять от 2500 об/мин до 30-40 об/мин, а в некоторых случаях, у гидромоторов специального исполнения, доходит до 1-4 об/мин, что для электромоторов трудно реализуемо);

- самосмазываемость трущихся поверхностей при применении минеральных и синтетических масел в качестве рабочих жидкостей;

- гидравлические силовые приводы при передаче больших мощностей с выходными скоростями, потребными для привода рулевых поверхностей, конструктивно значительно проще электромеханических;

- высокий уровень надежности;

- жесткость нагрузочных характеристик, т.е. скорость движения выходного звена изменяется в ограниченных пределах при изменении величины нагрузки;

- точностью позиционирования, т.е. достаточно простая (с учетом практической несжимаемости рабочего тела) конструктивная реализация промежуточных положений исполнительных устройств;

- простота осуществления различных видов движения — поступательного, вращательного, поворотного;

- возможность частых и быстрых переключений при возвратно-поступательных и вращательных прямых и реверсивных движениях.

Недостатки:

- нестабильность характеристик рабочей жидкости при изменении температуры и механических воздействиях;

- сложность в обеспечении внутренней и внешней герметичности;

- необходимость фильтрации рабочей жидкости;

- пожароопасность;

- необходимость защиты гидросистемы от проникновения в неё воздуха, наличие которого приводит к нестабильной работе гидропривода, большим гидравлическим потерям и нагреву рабочей жидкости;

- в сравнении с пневмоприводом — невозможность эффективной передачи гидравлической энергии на большие расстояния вследствие больших гидравлических потерь.

Электрическая система

Преимущества:

- самая высокая (из рассматриваемых систем) скорость передачи информационного импульса 3·10³ м/с (для сравнения у ГС - 1·10³ м/с);

- системы удобны при монтаже и обслуживании, имеют достаточно высокий общий КПД;

- данные системы используются как системы малых мощностей (до 3, 5 – 4 кВт), когда не играют существенной роли инерционность и жесткость (например, аварийные системы, дистанционное управление другими системами).

Недостатки:

- для электропривода с двукратным резервированием необходимы редукторы, сумматоры момента, стопоры отказавшего двигателя, пара " винт-гайка". Это увеличивает массу системы в 3–5 раз по сравнению с аналогичной по характеристикам ГС;

- большая инерционность (т.е. велико время выхода на режим и остановки привода после отключения питания, малы предельные угловые скорости при разгоне);

- недостаточная жёсткость системы, т.е. значительное падение скорости выходного звена при увеличении нагрузки;

- меньшая по сравнению с гидравлическими системами надёжность, силовая напряжённость и точность позиционирования.

Пневматические системы

Преимущества:

- сравнительно высокая массовая отдача;

- пожаробезопасность (рабочее тело – воздух, азот);

- характеристики рабочего тела незначительно меняются с изменением его температуры;

- развивают большую разовую мощность.

Недостатки:

- трудность фиксации промежуточных положений;

- ударный характер работы в конце хода;

- запаздывание в передаче энергии;

- сложность герметизации;

- образование конденсата.

Газовые системы используются в основном как аварийные, системы малых мощностей и при разовых кратковременных воздействиях.

Таким образом, проведенный анализ показал, что гидравлические системы объективно доминируют на ЛА. Они работают совместно с электрическими управляющими устройствами и пневматическими аварийными системами. С изменением уровня развития техники будут меняться и сами системы, и области их применения.

Принцип действия гидравлической системы. Определения

Гидравлическая система объемного типа, т.е. в системе входной элемент – гидроцилиндр с поршнем 1 (рис. 1) связан с выходным гидроцилиндром с поршнем 2 перемещающимися внутри системы объёмами жидкости, в результате чего

h₂ = h₁d₁²/d₂²,

где h₁ (h₂) – соответственно, перемещение поршня 1 (2);

d₁ (d₂) – соответственно, диаметр поршня 1 (2).

Здесь гидроцилиндр с поршнем 1 играет роль насоса, а гидроцилиндр с поршнем 2 исполнительного устройства. Как известно из курса гидравлики, давление за насосом определяется величиной нагрузки и сопротивлением сети. Без учёта потерь энергии в сети имеем (p – давление; F₁₍₂₎- усилие на поршне 1 (2), соответственно)

p = 4F₂/π d₂², F₁ = pπ d₁²/4 и F₁ = F₂d₁²/d₂².

В случае несжимаемой жидкости объём W, вышедший из гидроцилиндра 1, перемещается в гидроцилиндр 2 и расход Q определяется следующим образом (V₁, V₂ – скорость перемещения поршня 1 (2), t-время)

Q = W/t = V₁π d₁²/4 = V₂π d₂²/4

V₂ = 4Q/ π d₂².

Для вращательного движения выходного звена угловая скорость Ω определяется

Ω = Q/q,

здесь q- удельный расход на один радиан поворота.

Гидравлическая система ЛА состоит из следующих элементов:

- источников энергии;

- коммуникаций - трубопроводов с гидравлическими агрегатами (элементами систем, рассмотренными во второй части курса гидравлики);

- потребителей, т.е. исполнительных механизмов, непосредственно связанных с объектом управления.

Система управляется или от сигналов пилота или автоматической системы управления.

Таким образом, типовая гидравлическая система ЛА состоит из блоков питания и функциональных подсистем. Блок питания содержит насосы, создающие давление в системе, гидробаки для размещения рабочей жидкости, фильтры и другие необходимые гидравлические агрегаты.

Функциональные подсистемы – это части гидравлической системы, обслуживающие конкретных потребителей (исполнительные устройства). Функциональные подсистемы подключаются к блокам питания через клапан включения-отключения.

По характеру контакта рабочей жидкости в гидробаке с газом или отсутствием такового, системы делятся на:

- системы открытого типа, когда есть непосредственный контакт жидкости с воздухом, например, наддув гидробаков осуществляется от системы СКВ ЛА;

- системы закрытого типа, когда контакта жидкости с воздухом нет (боевые самолёты, Суперджет 100 и др.);

- системы полузакрытого типа, когда объём над жидкостью в баке заполнен инертным газом (азотом). Примером такой системы может служить гидросистема самолёта Ту-144, находящаяся в сложных температурных условиях из-за аэродинамического нагрева. Системой полузакрытого типа является также система самолёта ТУ-204 по основной системе наддува. Азот снижает пожароопасность системы и исключает контакт рабочей жидкости с воздухом, который может вызывать её деструкцию.

Гидравлические системы дозвуковых транспортных самолётов обычно открытого типа, что упрощает конструкцию системы наддува и снижает вес.

Гидросистема может быть централизованной, обслуживающей ряд потребителей, или автономной – обслуживающей один потребитель.

Гидросистемы также могут быть:

-основными, обслуживающими потребителей в нормальных условиях полёта;

-резервными, работающими как основная и имеющими возможность при необходимости подключаться к другим потребителям;

-аварийными, работающими лишь в аварийных ситуациях.

Для обеспечения надёжности и безопасности полётов в нормальных условиях ряд гидросистем могут одновременно обслуживать одних и тех же потребителей. Такие гидросистемы называются кратными.

Источниками гидравлической энергии на самолетах являются гидронасосы. В настоящее время отработаны, выпускаются серийно и эксплуатируются насосы с удельной подачей от 2 до 56 см³/об, выходным давлением до 280 кгс/см², частотами вращения до 12000 об/мин, мощностью до 160 кВт и подачей до 350 л/мин. КПД насосов достигают: объемный – 0, 97, общий – 0, 8, энергоотдача – 7 кВт/кгс, ресурсы – десятки тысяч часов для гражданских самолетов. Сравнительный анализ российских гидромашин и зарубежных фирм (Vicers, Parker and Abex и др.) показывает, что отечественные насосы и их зарубежные аналоги находятся практически на одном уровне.

Фильтрация гидрожидкости

Одним из недостатков гидравлических систем являются высокие требования к чистоте гидрожидкости. Зазор между гильзой и золотником, другими взаимноперемещающимися парами составляет 2-4 микрона. Для предотвращения отказов ГС в процессе эксплуатации жидкость в системах тщательно фильтруется.

Загрязнениями становятся:

- продукты износа деталей элементов систем;

- продукты окисления и других физико-химических процессов, происходящих в жидкости;

- частицы, попадающие извне, в том числе при замене агрегатов, подсоединении наземного источника энергии и т.п.

В процессе эксплуатации уровень загрязненности сначала растет, а затем стабилизируется. Вопросы фильтрации были рассмотрены в курсе гидравлики. Фильтроэлементы подразделяются на регенерируемые и одноразовые. К одноразовым относятся неорганическое стекловолокно и бумага. К регенерируемым: металлическая сетка и волокно из нержавеющей стали (см.Рис.1.2). Элементы из металлической сетки можно вымачивать в специальных растворах и продувать сжатым воздухом. Такой фильтрующий элемент можно использовать до 10 раз. Однако у этой способности есть и обратная сторона - такие элементы не эффективны при потребной фильтрации 25 мкм и меньше. Металлическое волокно способно отсеивать частицы от 3 мкм и больше, однако процесс его регенерации более сложный: необходима ультразвуковая ванна со специальным раствором и компрессор. За счёт возможности регенерации, эти элементы более дорогостоящие, нежели одноразовые.

Рис.1.2

По мере наработки фильтры засоряются, перепад на фильтрующем элементе возрастает, что может привести к разрушению сетки фильтра и отфильтрованные загрязнения при этом поступают в систему. Поэтому, как отмечалось ранее, фильтры снабжаются перепускными клапанами, срабатывающими при увеличении перепада давления на фильтрующем элементе. На самолетах нового поколения, при увеличении перепада давления на фильтре срабатывает сигнализатор и на панели гидросистемы загорается табло «Фильтр засорен». Для обеспечения удобства эксплуатации фильтры снабжаются отсечными клапанами, что позволяет демонтировать фильтр без слива рабочей жидкости из системы.

Рис.1.3

В качестве примера рассмотрим конструкция и работу гидравлического фильтра самолета Ил-76. Во время нормальной работы (рис.1.3, а) подводимая к фильтру жидкость поступает в полость между стаканом и фильтрующим элементом. Через поры в фильтрующем элементе (никелевая сетка саржевого плетения) жидкость проходит внутрь него и далее через открытый отсечной клапан - в линию отвода жидкости. При засорении фильтрующего элемента перепад давления перед и за ним становится большим, чем 7⁺²_-1 кгс/см² и перепускной клапан открывается, обеспечивая проход жидкости через фильтр без фильтрации. Перепускной клапан выполняет функцию и отсечного клапана. При снятом фильтрующем элементе перепускной клапан под действием пружины садится на седло, установленное в крышке, и перекрывает линию подвода жидкости к фильтру. В этом случае закрывается и отсечной клапан фильтра, перекрывая линию отвода жидкости от фильтра. Благодаря такой конструкции клапанов при вывинчивании стакана и снятии фильтрующего элемента не происходит слива жидкости из трубопроводов, присоединенных к фильтру.

В гидравлических системах фильтры устанавливаются в магистрали нагнетания за насосами, перед приводами системы, в самих приводах и в линии слива перед входом в гидробак. В линии всасывания фильтры не устанавливаются, т.к. они понизили бы и без того достаточно низкое давление в этой магистрали. Для компенсации потерь на фильтрацию в линии всасывания необходимо было бы повысить давление наддува баков, что приведет к увеличению массы системы.

В линии наддува баков устанавливаются воздушные фильтры. Имеются сеточные фильтры и в баке на входе в трубопровод всасывания и на заливной горловине. Заправка жидкости в бак должна производиться от наземной установки, имеющей свои фильтры. Заправка через заливную горловину является нежелательной, поэтому если она имеет место, это отмечается в бортовом журнале. Фильтры могут также устанавливаться в линии заправки от УПГ-300, т.е. в линии от бортовых клапанов всасывания и нагнетания, к которым подсоединяется наземная установка, до гидробака. Фильтр считается фильтром грубой очистки, если он задерживает частицы размером свыше 10 мкм, и считается фильтром тонкой очистки, если размеры их меньше 10 мкм.

Лекция 1

Дисциплина «Б.3.П1.М1.28. Системы самолета и двигателя (ЖГС)»

Раздел I. Гидравлические системы

Тема 1.1. Сравнительный анализ энергетических систем. Принцип действия гидравлических систем

Введение

1) гидравлика;

2) устройства (элементы конструкции) жидкостно-газовых систем (ЖГС);

3) жидкостно-газовых систем (ЖГС) ЛА.

Первые две части уже были рассмотрены в курсе «Гидравлика».

К жидкостно-газовым системам относятся:

гидравлические системы (ГС);

топливные системы (ТС);

противопожарные (ППС), противообледенительные (ПОС) системы и др.

12 3 4 5 Следующая ⇒