Modeling the hydraulic characteristics of drain valve and burst fitting of an aircraft accident-resistant fuel system

Full Text

Введение Авариестойкая топливная система вертолета (АСТС) включает в себя следующие агрегаты: электрические центробежные топливные насосы, струйные насосы, краны, задвижки, трубопроводы и т.д. Данная система вертолета предназначена для размещения необходимого количества топлива на борту и бесперебойной подачи топлива к двигателям на всех режимах эксплуатации вертолета. Использование авариестойкой топливной системы на борту вертолета позволяет существенно повысить безопасность полетов за счет сохранения герметичности топливной системы в аварийных ситуациях, так как конструкторские решения, применяемые в АСТС, позволяют предотвратить разлив топлива, который является основной причиной пожара при авариях вертолета [1-3]. Предотвращение разлива топлива происходит за счет использования топливных баков, способных без нарушения герметичности сопротивляться сдавливанию, проколам, порезам, инерционным нагрузкам при гидроударе, а также за счет использования агрегатов АСТС (например, дренажных клапанов, разрывных фитингов). Ко всем топливным системам современных вертолетов предъявляется требование авариестойкости, что делает исследование по данному направлению в настоящий момент особенно актуальными. Выполнением проекта по созданию комплекса средств математического моделирования в совокупности с испытательной установкой для сопровождения процессов проектирования, испытаний и дальнейшей эксплуатации авариестойкой топливной системы современного вертолета занимается МАИ и АО «ОКБ «Кристалл» в рамках реализации постановления Правительства РФ от 09.04.2010 № 218 (ред. от 21.07.2016). Определение величины гидравлического сопротивления При разработке математической модели АСТС необходимо учитывать гидравлическое сопротивление дренажной магистрали в целом и дренажного клапана и разрывного фитинга в частности. Гидравлическое сопротивление агрегата равно величине безвозвратной потери полной энергии при движении теплоносителя по каналам агрегата затраченное на преодоление сил вязкого трения [4]. Широко известен метод оценки гидравлического сопротивления участка с использованием коэффициента гидравлического сопротивления ζ, определяемого как отношение потерь полного давления на участке ΔР к величине динамического давления на участке: (1) или (2) где ρ - плотность среды на рассматриваемом участке, кг/м3; w - скорость движения среды, м/с; Q - объемный расход среды, м3/с; F - проходное сечение участка, м2; G - массовый расход среды, кг/с. В справочной литературе можно найти величины коэффициента ζ для различных типов участков гидравлического сопротивления, также они могут быть получены экспериментально [5]. Гидравлические потери на простых и хорошо изученных геометриях определяются с помощью коэффициентов гидравлического сопротивления и используются в различных областях науки и техники. Использование специальных программных комплексов позволяет провести гидравлический расчет агрегата с учетом его трехмерной геометрии и получить полное описание процессов с высокой степенью точности [6-9]. Использование метода математического моделирования при создании бортовых систем летательных аппаратов является на сегодняшний день весьма популярным так как позволяет сократить затраты как финансовые, так и временные на различных этапах жизненного цикла изделия [10-14]. Дренажный клапан При создании комплекса средств математического моделирования для получения корректных результатов исследования системы особое внимание следует уделить характеристикам элементов, входящих в состав АСТС. Одним из таких элементов является дренажный клапан. В качестве прототипа для создания математической модели был выбран дренажный клапан, аналогичный представленному в Патенте № RU 197 570 U1, но обладающим целым рядом конструктивных дополнений [15]. Общий вид дренажного клапана приведен на рис. 1. Дренажный клапан является одним из основных элементов дренажной системы. Назначение дренажной системы топливных баков состоит в поддержании в надтопливном пространстве баков давления в пределах, обеспечивающих надежное питание двигателя топливом, заправку и его слив. В противном случае возможно не только нарушение нормальной работы двигателя, но и деформация бака, а в дальнейшем его разрушение. Для выполнения этих функций в верхней части топливного бака имеется отверстие, к которому подсоединяется дренажный трубопровод, через который и происходит выход/вход воздуха в/из атмосферы. Таким образом, дренажный клапан топливной системы - это агрегат, позволяющий перекрывать дренажную магистраль в случае возможного попадания в нее топлива и обеспечивающий свободное соединение надтопливного пространства бака с атмосферой при нормальной работе. Дренажный клапан предназначен также для защиты системы наддува и дренажа от попадания в нее топлива в случае переполнения баков. Проведение гидравлического расчета дренажного клапана Определение величины гидравлического сопротивления дренажного клапана было выполнено с использованием методов вычислительной гидродинамики (CFD-коды). При моделировании была использована тетраэдальная расчетная сетка, а также модель турбулентности Shear Stress Transport (SST). Граничными условиями математической модели дренажного клапана были выбраны расход на входе расчетной модели и величина давления на выходе. Результаты расчета для расхода 2 г/с представлены на рис. 2 и 3. Гидравлическая характеристика дренажного клапана необходима для создания одномерной математической модели авариестойкой топливной системы, так как только при достаточном количестве исходных данных по агрегатам АСТС удастся достичь корректных результатов при исследовании работы всей системы. Разрывной фитинг Также одним из ключевых элементов авариестойкой топливной системы (АСТС) является разрывной фитинг (рис. 4). Разрывным фитином решается задача перекрытия топливной магистрали при механическом воздействии на трубопровод топливной магистрали путем установки в эту магистраль разрушаемого элемента, для разрушения которого требуется механическое воздействие в произвольном направлении, причем величина этого воздействия меньше величины, потребной для разрушения самого трубопровода. Таким образом, данный агрегат позволяет сохранить целостность топливных магистралей и обеспечить их герметичность в случае аварийной ситуации [16]. Одной из ключевых характеристик разрывного фитинга так же является его гидравлическое сопротивление. Гидравлическое сопротивление равно величине безвозвратной потери полной энергии при движении теплоносителя по каналам агрегата затраченное на преодоление сил вязкого трения. В качестве прототипа для создания математической модели был выбран разрывной фитинг, аналогичный представленному в Патенте № RU 198 380 U1, но обладающим целым рядом конструктивных дополнений [17]. Рис. 2. Распределение избыточного полного давления Fig. 2. Full overpressure distribution Рис. 3. Распределение векторов скорости Fig. 3. Velocity vector distribution Рис. 4. Разрывной фитинг Fig. 4. Bursting fitting Моделирование гидравлических потерь Для расчета гидравлического сопротивления разрывного фитинга использовался программный комплекс (ПК) ANSYS CFX. Ansys CFX - программный комплекс, позволяющий решать ряд задач в области вычислительной динамики жидкости и газа. В программе используется алгебраический многосеточный сопряженный решатель. В настройках модели возможно включить решение многофазных потоков, задач горения, вращающихся машин, химически реагирующих смесей, излучения, а также комбинации сопряженных расчетов [18; 19]. Процесс моделирования гидравлический потерь проводится поэтапно: подготовка геометрии, создание сеточной модели, выбор уравнений и наложение граничных условий, проведение расчета и анализ результатов Подготовка геометрии Расчетная модель получается из трехмерной модели путем «заполнения» внутреннего пространства элементов разрывного фитинга средой. Пример расчетной модели разрывного фитинга показан на рис. 5. Создание сеточной модели Сеточная модель разбивает геометрию на элементы малого объема, в каждом из которых будет решаться система дифференциальных уравнений. Качество сетки должно соответствовать условиям сходимости расчетов и при этом надо помнить, что измельчение сетки приводит к увеличению времени счета [20]. Рис. 5. Расчетная модель Fig. 5. Model for calculation Выбор уравнений и наложение граничных условий Для моделирования течения среды внутри разрывного фитинга используется модель турбулентности Shear Stress Transport (SST). Модель SST использует модель k-ω - для пристеночной области F1 = 1 и модель k-ε для внешнего течения F1 = 0 [21]. При моделировании течения вблизи стенки использованы пристеночные функции: стандартная (standart), масштабируемая (scalable) и автоматическая (automatic). Граничными условиями являются расход на входе, давление на выходе. Так же задаются свойства топлива. Проведение расчетов и анализ результатов Результатом расчета являются гидравлические потери, вычисленные при разных расходах топлива, зависимость потерь от величины расхода отражена на графике, представленном на рис. 6. Рис. 6. Зависимость гидравлического сопротивления разрывного фитинга от массового расхода топлива Fig. 6. Dependence bursting fitting hydraulic resistance on fuel mass flow rate Из рис. 6 видно, что увеличение массового расхода топлива приводит к росту гидравлических потерь. Распределение полного давления при разных расходах топлива представлено на рис. 7. Рис. 7. Распределение полного давления топлива. Массовый расход: a - 0,1 кг/с; b - 0,2 кг/с; c - 0,3 кг/с; d - 0,4 кг/с; e - 0,5 кг/с Fig. 7. Full fuel pressure distribution. Fuel mass flow rate: a - 0,1 kg/s; b - 0,2 kg/s; c - 0,3 kg/s; d - 0,4 kg/s; e - 0,5 kg/s Кроме непосредственного значения гидравлического сопротивления агрегата обычно интересны распределения давления, векторов скорости, линий тока. На рис. 8-10 примеры распределения при расходе 0,5 кг/с. По полученным распределениям может проводиться доработка агрегата АСТС. Данный расчет предназначен для решения двух типов задач на этапе проектирования: оптимизационные исследования геометрических параметров проточной части агрегата по заданному критерию (при ограничении массово-габаритных характеристик гидравлическое сопротивление на максимальном расходе не должно превышать заданной величины), а также задача проверочного расчета для различных вариантов спроектированной конструкции. Рис. 8. Распределение давления Fig. 8. Pressure distribution Рис. 9. Распределение Вектора скорости Fig. 9. Velocity vector distribution Рис. 10. Линии тока Fig. 10. Streamlines Результаты моделирования, приведенные в данной статье, показывают, что гидравлическое сопротивление при заданном максимальном расходе (0,5 кг/с) не превышает предельно допустимой величины (2100 Па - заданная величина, 2020 Па - расчетная величина в соответствие с рис. 6). Валидация результатов моделирование Одним из ключевых этапов проектирование агрегата является валидация данных, полученных при помощи математического моделирования, и оценка их с точки зрения соответствия реальному объекту. Подтвердить правильность расчета можно путем сравнения полученных данных с результатами натурного эксперимента, проведенного на испытательном стенде. Принципиальная схема стенда для измерения гидравлического сопротивления представлена на рис. 11. Экспериментальная установка представляет собой насос переменного расхода с заданным диапазоном регулирования и расходомером, а также подключенный в магистраль испытуемый агрегат. В состав стенда входит небольшая емкость для хранения топлива, из которой оно подается насосом на испытуемый агрегат. После прохождения через испытуемый агрегат топливо по магистрали возвращается обратно в емкость. Искомый перепад давления на агрегате замеряется двумя манометрами, установленными на входе и на выходе из агрегата. Рис. 11. Принципиальная схема стенда: 1 - насос с переменным расходом; 2 - расходомер; 3, 5 - монометры; 4 - агрегат Fig. 11. Schematic diagram of stand: 1 - variable flow pump; 2 - flow meter; 3, 5 - monometers; 4 - aggregate Программа проведения эксперимента заключается в следующем: для различных величин расхода, изменяемого с определенным шагом, происходит определение гидравлического сопротивления путем замера величины давления на входе и на выходе агрегата. Разности полученных значений сверяются с расчетными данными и делаются выводы о точности расчетов. Результаты расчета погрешности значений, полученных по математической модели и испытаниям, представлены в табл. 1. Таблица 1 Расчет погрешности значений, полученных по математической модели и испытаниям [Calculation of the error of the values obtained by the mathematical model and tests] Расход, кг/с [Consumption, kg/s] Погрешность определения перепада давления, % [Differential pressure error, %] 0,1 1,6 0,2 1,9 0,3 1,9 0,4 3,4 0,5 4,1 Результаты анализа показывают, что с увеличение расхода топлива (особенно до уровня предельных значений) погрешность значительно вырастает. Это объясняется несколькими факторами: В расчетной модели не учитывались участки трубопроводов между расходомером и испытуемым агрегатом, что так же вносит дополнительное сопротивление, что становится особенно заметно при максимальных расходах в связи с существенным увеличением скоростей топлива в сечении трубопровода. На испытательном стенде нет замера температуры подаваемого керосина, и, учитывая большое количество циклов и отвод тепла из емкости только за счет теплообмена с окружающим воздухом, температура топлива в испытаниях может изменяться в некотором диапазоне (тепловыделение насоса). При этом моделирование проводилось при статичной температуре керосина 20 °С. Так же следует учитывать погрешности измерений расхода и давления на максимальных расходах, что так же может привести к некоторым различиям с результатами, полученными с помощью математической модели. Однако, принимая во внимание, что с точки зрения функционирования топливной системы вертолета погрешность в определении гидравлического сопротивления до 6% является приемлемой, учитывая запас по производительности и напору штатных топливных насосов относительно максимальных потребных расходов на двигатель. Стоит отметить, что применение метода математического моделирования позволит не только сократить затраты на этапе проектирования конкретного агрегата, но и использовать полученные материалы для последующих работ по созданию авариестойкой топливной системы вертолета. Таким образом, гидравлическая характеристика агрегата, полученная при помощи математической модели, прошедшей валидацию, может быть использована в дальнейших работах, например, при создании как одномерной математической модели непосредственно авариестойкой топливной системы вертолета, так и при создании цифрового двойника объекта. Только такой комплексный подход позволит достичь необходимого соответствия математической модели реальному объекту, что, в свою очередь, позволит проводить исследования различных режимов и получать корректные результаты. Заключение В статье рассмотрен вопрос необходимости создания и применения на борту вертолета авариестойкой топливной системы вертолета на примере дренажного клапана и разрывного фитинга. На основании метода математического моделирования с использованием современных CFD-кодов было определено гидравлическое сопротивление агрегата. Полученные в результате проведенного исследования данные будут использованы при создании комплекса средств математического в совокупности с испытательной установкой для сопровождения процессов проектирования, испытаний и дальнейшей эксплуатации авариестойкой топливной системы (АСТС) современного вертолета.

About the authors

Konstantin S. Napreenko

Moscow Aviation Institute (National Research University)

Email: konaprko@yandex.ru
2st category engineer Moscow, Russian Federation

Roman S. Savelev

Moscow Aviation Institute (National Research University)

Email: r_sr@inbox.ru
lead engineer Moscow, Russian Federation

Aleksey A. Trofimov

Moscow Aviation Institute (National Research University)

Email: trofiteam@gmail.com
1st category engineer Moscow, Russian Federation

Anna V. Lamtyugina

Moscow Aviation Institute (National Research University)

Email: anyalampt@yandex.ru
2st category engineer Moscow, Russian Federation

Anna I. Zinina

Moscow Aviation Institute (National Research University)

Email: zinina0818@mail.ru
technician Moscow, Russian Federation

References

Supplementary files