Sustav Za Napajanje Gorivom Mm

Sustav za napajanje gorivom Zrakoplovni motori II _________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________ 1

SUSTAV ZA NAPAJANJE GORIVOM Opis sustava Kompletan sustav za napajanje gorivom se može podijeliti na dva dijela: • sustav koji čine komponente od spremnika pa do protupožarnog zida (Firewall) ili do ventila za

prekidanje protoka goriva u slučaju požara (Fire Shutoff Valve). Ove elemente možemo analiziratti i kao poseban sustav i u tom slučaju ga nazivamo: sustav za napajanje gorivom zrakoplova (Aircraft Fuel System).

• Drugi dio kompletnog sustava čine komponente od protupožarnog zida ili ventila za prekid napajanja pa do brizgaljki u motoru. Ako se ovaj dio analizira kao zaseban sustav onad ga nazivamo: sustav za napajanje gorivom motora (Engine Fuel System).

Sustav za napajanje gorivom i njegovi elementi mogi biti koncipirani na različite načine ali se uglavnom mogu izdvojiti sljedeći elementi čija je jedna od mogućih funkcionalnih shema pokazana na primjeru školskog aviona Pilatus PC-9 s elisnomlaznim motorom Pratt&Whitney PT-6: • spremnik za gorivo (Tank) • pomoćna pumpa za gorivo (Boost Pump) • pročistać goriva • glavna pumpa za goriva (Main Fuel Pump) • izmjenjivač topline ulje/gorivo, grijač goriva (Fuel Heater) • visokotlačna pumpa za gorivo (High Pressure Fuel Pump) • regulator goriva (Fuel Control Unit-FCU) povezan s polugom potiska /snage (Thrust Control

Lever/ Power Control Lever-PCL, Throttle Lever) • razdjelnik goriva i ventil za ispuštanje goriva (Flow Divider and Dump Valve) • brizgaljke u komori izgaranja (Fuel Nozzles) • spremnik-skupljač ispuštenog goriva (Fuel Dump Collector Tank) • ventil za prekidanje dovoda goriva u slučaju požara (Fire Shutoff Valve) • protokomjer goriva (Fuel Flow Instrument - FF) Sastavni dio ovog sustava čini i vodovi za gorivo i odušak, ventili za drenažu, instrumentarij za prikaz stanja i upozorenje, itd., slika 1. Budući da je avion PC-9 namjenjen i za akrobatske lete u sustav je integrirani i spremnik za gorivo za akrobatski let (Acrobatic Tank) kapaciteta od 12 l koji omogućava i napajanje gorivom pri letu “na leđima” u vremenu od 60 s. Slijedi opis glavnih elemenata Elementi sustava Spremnici za gorivo Spremnici za gorivo su najvećim dijelu smješteni u krilu zrakoplova, ali mogu biti razmješteni i u ostalim dijelovima zrakoplova. Na slici 2. su primjeri razmještaja spremnika za gorivo zrakoplova PC-9. Kod školskih i borbenih zrakoplova obično su predviđeni i podvjesni spremnici (Underwing Tank ) pričvršćeni preko specijalnih nosača (Rack). Protok goriva od podvjesnog spremnika obično se osigurava pomočnom pumpom za gorivo koja je instalirana u podvjesnom spremniku.


___________________________________________________________________________ 2

Slika 1. Sustav za napajanje gorivom aviona PILATUS PC-9


___________________________________________________________________________ 3

Slika 2. Spremnici za gorivo aviona PILATUS PC-9 Crpke za gorivo U sustavu za napajanje gorivom nalaze se nekoliko vrsti crpki za gorivo. Pomoćne crpke za gorivo (Boost Pump) najčešće se izvode kao centrifugalne (slika 3.) i pokreću se električnom energijom i obično su smještene tako da je usisna strana potopljena u gorivu u samim spremnicima, slika 1.

Za protok goriva između spremnika koriste se i tzv. injektorske crpke (Jet Pump), slika 3. One osiguravaju dotok goriva prema pomoćnim crpkama tako da u svakom položaju zrakoplova one budu potopljene u gorivu. Pobudni tok goriva (Motive Flow) kroz injektorsku crpku osigurava niskotlačna crpka motora. Pobudni tok goriva prolazi kroz mlaznicu pri čemu se na tom mjestu stvara podtlak koji onda usisava gorivo iz spremnika (Induced Flow). Navedena crpka nema pokretnih dijelova, a njen rad je omugućen samo kad postoji pobudni tok.

U slučaju kvara niskotlačne crpke motora, pobudni tok osigurava pomoćna crpka za gorivo, slika 1. Ove crpke pripadaju sustavu za napajanje gorivom zrakoplova. U sustavu za napajanje gorivom motora postoje dvije crpke pokretane motorom preko sustava prijenosa. U sustavu napajanja gorivom prva je nisko tlačna, a druga visokotlačna. Često se za niskotlačne crpke koriste: - centrifugalna crpka (slika 3.) ili - rotaciona-krilna (slika 4.).

Slika 3. Injektorska crpka


___________________________________________________________________________ 4

Na slici 4. je prikazana niskotlačna rotaciona-krilna crpka (Engine-Driven Main Fuel Pump-EDP) na avionu PC-9 (vidjeti sliku 1.). Kapacitet ove pumpe je 786 l/h pri tlaku od 3 bar. Pumpa sadrži regulator tlaka (Pressure Relief Valve) podešen na 3 bara. U ličaju prekoračenje navedenog tlaka, ventil regulatora tlaka se otvara i propušta gorivu u usisni vod pumpe. Prije i za vrijeme pokretanja motora u crpki se otvara zaobilazni ventil (Bypass Valve) koji propušta gorivo kroz crpku prema sustavu za napajanje motora gorivom. U tom režimu rada protok goriva osigurava pomoćna crpka za gorivo. Kad se motor pokrene i kad počne raditi niskotlačna crpka, onda tlak goriva zatvara zaobilazni ventil.

Slika 4. Niskotlačna rotaciona-krilna pumpa za gorivo EDP na avionu PC-9

Visokotlačne pumpe obično se izvode u obliku: - zubčaničke i - rotaciono-klipne.

Pri određenom broju okretaja, zubčanička pumpa daje konstantan protok. Upravljanje protokom u tom slučaju moguće je jedino regulacijom preljeva na potisnoj strani pumpe.

Slika 3. Nisko tlačna centrifugalna crpka za gorivo

1

m

Slika 5. Zubčanička pumpa za gorivo


___________________________________________________________________________ 5

Slika 6. Rotaciona-klipna pumpa za gorivo

Kod rotacionih-klipnih crpki, pri istom broju okretaja, protok se može mjenjati nagibom potisne ploče (3). Zbog toga se mjenja hod klipića (2) u crpki, a time i protok goriva. Potisnom pločom se upravlja preko hidrauličkog cilindra (6). Tlakovi visokotlačnih crpki idu do oko 1500 psi. Grijač goriva Većina motora za zagrijavanje goriva koristi izmjenjivač topline ulje/gorivo. Tj. zagrijano ulje se hladi predajući toplinu gorivu. Gorivo se mora zagrijavati da bi se izbjegla zamrzavanje vode u gorivu i začepljenje pročistača goriva. Postoje izvedbe grijača goriva pomoću zagrijanog zraka iz kompresora ili pomoću električne energije. Također, treba uočiti da pretjerano zagrijavanje goriva može imati za posljedicu stvaranje parnih čepova u vodovima za napajanje goriva, te izostanak napajanja gorivom. Pročistači goriva

Obično se upotrebljava dva stupnja pročišćavanja goriva. Prvi stupanj pročišćavanja ili grubo pročišćavanje goriva između spremnika za gorivo i sustava za napajanje gorivom motora, a drugi stupanj pročišćavanja ili fino pročišćavanje između crpke za gorivo i regulatora goriva. Fino pročišćavanje se izvodi s oko 10 mikrona.

Slika 7. Pročistač goriva


___________________________________________________________________________ 6

Na slici 6. je prikazan pročistač goriva na zrakoplovu PC-9. Gorivo se pročišćava prolazeći između metalnih diskova. U slučaju zaprljanja pročistaća, otpor pročistaća poraste i otvara se zaobilazni ventil (Bypass Valve) i napajanje gorivom se ostvaruje s nepročišćenim gorivom. Kod navedenog sustava pad tlaka će automatski aktivirati pomoćnu crpku za gorivo. Pročistač ima ventil za drenažu. Ventil za prekidanje dovoda goriva u slučaju požara je obvezan ventil u svim instalacijama za napajanje gorivom. U slučaju požara ovaj ventil onemugućava širenje požara prema spremnicima za gorivo, slika 1. U elemente sustava za napajanje goriva može se ubrojiti i ventil za drenažu komore izgaranja (Combustor Drain Valve). Ventil se smješta na najnižoj točki komore izgaranja i služi za drenažu neizgorenog goriva. Naime, nakon neuspjelog starta može se u komori izgaranja skupiti gorivo koje bi tijekom sljedećeg starta moglo prouzročiti visoku temperaturu izgaranja. Ventil je

otvoren kad motor ne radi. Element koji odmjerava količinu goriva koja će se preko brizgaljki ubrizgati u komore izgaranja nazivamo regulator goriva (Fuel Control Unit-FCU). Količina goriva koja se ubrizgava određuje se na temelju komande pilota zadane preko poluge potiska/snage te na temelju režima rada motora i vanjskih parametara. Regulator goriva je najkompleksniji dio sustava te će se obraditi posebno zajedno s brizgaljkama, razdjelnikom goriva i ventilom za ispuštanje goriva (Flow Divider and Dump Valve) Regulacija napajanja gorivom motora Općenito se može reći da se regulacija napajanja gorivom kod klipnog Otto motora ostvaruje posredno preko regulacije količine zraka kojim se puni cilindar motora. Naime, zaklopkom motora u rasplinjaču (Throttle) regulira se količina zraka, a onda sustav za napajanje gorivom odmjerava određenu količinu goriva i stvara potrebnu kvalitetu smjese goriva i zraka. Kod mlaznih motora određena kvaliteta smjesa stvara se regulacijom količine ubrizganog goriva u komoru izgaranja. Važno je uočiti da se regulacijom količine goriva zapravo regulira snaga odnosno potisak mlaznog motora. Pojednostavljen prikaz upravljanja napajanjem goriva motora, odnosno potiskom, prikazan je na slici 9.

Slika 8. Ventil za drenažu komore izgaranja


___________________________________________________________________________ 7

Slika 9. Upravljanje potiskom

Osnovni instrumenti na temelju kojih pilot upravlja motorom (postavlja željeni potisak) su brzina vrtnje kompresora N1, jer je to indikacija potiska koju stvara motor, a temperatura ispušnih plinova EGT je kontrolni parametar. Dakle pilot zadaje razinu željenog potiska komandom potiska (Throttle Lever), a u regulatoru goriva (Fuel Control Unit - FCU) obavlja se odmjeravanje potrebne količine goriva za želeljeni potisak uz uzimanja u obzir radnih parametara motora i uvjeta rada. Na slici 9. prikazan je tzv. hidromehanički sustav. Danas se primjenjuje kombinacija upravljanja uz pomoć elektroničkih sustava. Elektronika u tom slučaju može npr. nadzirati kritične parametre motora (npr. temperatura EGT) i nedopustiti njihovo prekoračenje. Na transportim zrakoplovima tipa A320 i sličnim, motori koriste potpunu elektroničku kontrolu i upravljanje svim sustavima motora pa tako i sustavom za napajanje gorivom, slika 10. Takav sustav se naziva FADEC (Full Authority Digital Engine Control)

Slika 10. Elektronski sustav upravljanja napajanje gorivom


___________________________________________________________________________ 8

FADEC je sustav koji se sastoji od: računala ECU (Engine Control Unit), regulatora goriva FCU, senzora koji mjere parametre motora (N1, N2, EGT, FF itd.) i okoline (Air Data) i servo uređaja koji reguliraju rad motora. Servo uređaji najčešće rade kao hidraulički motori i radni cilindri na bazi goriva kao radnoj tvari. Pomoću takvih uređaja se npr. zakreću statorske lopatice, otvaraju i zatvaraju ventili, što će se vidjeti na primjeru motora A320. Regulator goriva se spominje pod raznim nazivima : Fuel Control Unit - FCU, Main Engine Control - MEC, Hydro Mechanical Unit - HMU). Načelo upravljanja potiskom Volumenski protok zraka ovisi o brzini vrtnje kompresora, a za maseni protok potrebno je poznavati još i temperaturu i tlak zraka koji ulazi u kompresor. Prema tome vrijednost potiska kod određenog položaja komande potiska najvećim dijelom ovisi o tri parametra: - tlaku zraka koji ulazi u kompresor, - temperaturi zraka koji ulazi u kompresor i - brzini vrtnje . Na istoj brzini vrtnje kompresora, tlak u komori izgaranja direktno je proporcionalan ulaznom tlaku u kompresor, tako da se kao ulazni parametar može koristiti i statički tlak u komori izgaranja pb. Osim toga ovaj parametar ima brz odziv na promjenu režima rada motora pa se može koristiti i kao indikacija i prevencija za nastajanje pumpanja kompresora (mjeri protutlak kompresoru), gašenja plamena ili prekoračenje temperature. Zbog navedenog FCU dobiva podatke o: - položaja komande potiska TLA - tlaku u komori izgaranja pb i - temperaturi zraka na ulazu u kompresor - brzini vrtnje kompresora (uglavnom N2). Kao kotrolni parametar obvezno se prati temperatura produkata izgaranja -EGT. Da bi se obavila pravilna regulacija napajanja gorivom (pravilna smjesa goriva i zraka) mora se poznavati maseni protok zraka. Za određenu brzinu vrtnje i temperaturu parametar pb posredno određuju maseni protok, odnosno smjesa goriva i zraka se posredno može određivati preko odnosa FF/pb. Na slici 11. je prikazan promjena odnosa FF/pb za ustaljene režime rada od praznog hoda (točka 1) do polijetanja (točka 2) za standardnu temperaturu. Promjene li se temperature na ulazu u kompresor, FCU će za istu brzinu vrtnje N mjenjati odnos FF/pb. Dakle, osnovne zadaće FCU su:

• odmjeravanje (doziranje) goriva za određeni potisak u rasponu od starta, praznog hoda pa do potiska polijetanja u svim uvjetima eksploatacije (tlak i temperatura okoline, odnosno visina leta) izbjegavajući prekoračenje broja okretaja i temperature ispred turbine.

• odmjeravanje goriva pri ubrzavanju motora izbjegavajući pumpanje kompresora i

nedopuštenu temperature ispred turbine.

• odmjeravanje goriva pri usporavanju motora izbjegavajući gašenje plamena.

• kod FADEC sustava preko FCU se upravlja i nagibom statorskih lopatica, protupumpažnim ventilima itd.


___________________________________________________________________________ 9

N

Nidle Ntakeoff

rich blow out

stall limit

EGT limit

lean limit

ISA/SL uvjetiniža temperatura

viša temperatura

ubrzavanje

usporavanje

dopustive granice

1

2

A

B

radne karakteristike:

FF/pb

Slika 11. Regulacija dobave goriva

Izgaranje goriva u komori izgaranja obavlja se pri odnosu zrak/gorivo od oko 10:1 pri ubrzavanju (bogata smjesa) do 22:1 pri usporavanju (siromašna smjesa). Ovo su odnosi "zrak/gorivo" za tzv. primarnu struju zraka, tj. to je ona sruja zraka koja se koristi za izgaranje. Ako se uzme u obzir da primarna struja zraka čini samo oko 25% od ukupne količine zraka koja prolazi kroz komoru izgaranja onda taj odos iznosi 48:1 do 80:1. Sekudarna struja zraka koristi se za hlađenje! Pri tome su mogući sljedeći granični slučajevi: prebogata smjesa može izazvati previsoku temperaturu od koje može nastradati turbina, a kompresor može doći u režim pumpanja zbog velikog protutlaka koji nastaje u komori izgaranja. Također može nastati i gašenja plamena pri izrazito bogatoj smjesi ( rich blowout). Pri presiromašnoj smjesi također može doći do gašenja plamena (lean die-out). Na slici 11 su prikazana opisana ograničenja. Pravilan odnos smjese goriva i zraka mora se realizirati i u prijelaznim režimima ubrzavanja i usporavanja motora. Pri naglom pomaku poluge potiska može doći do naglog povećanja ubrizganog goriva, pri čemu se broj okretaja kompresora i turbine zbog inercije, a time i maseni protok zraka, sporo povećavaju. To dovodi do prekomjernog obogaćivanja smjese u tom prijelaznom režimu i gašenja plamena. To je posebno karakteristično kod malih brojeva okretaja. Kod većih brojeva okretaja, kompresor se može brže ubrzavati pa kod ubrzavanja motora može doći do pumpanja kompresora. Brzo povećanje broja okreaja kompresora dovodi do pumpanja kompresora, smanjene količine zraka i povećanju temperature ispušnih plinova. Kod većih brojeva okretaja osjetljivost na pumpanje opada, a limiti ubrzavanju su uglavnom određeni visokom temperaturom ispušnih plinova. Ubrzavanje motora od praznog hoda do punog potiska se kreće od 5 do 10 s. Kod naglog usporavanja može doći do naglog osiromašenja smjese i mogućeg gašenja plamena (lean die-out). Na slici 11 je prikazan režim rada pri ubrzavanju i usporavanju (od točke A do B i obratno), a pri tome karakteristika FF/pb mora biti unutar dopuštenih granica.


___________________________________________________________________________ 10

Često se koristi kao parametar za regulaciju još i temperatura goriva, brzina okretaja ventilatora, temperatura i tlak na ulazu u ventilator. Prikaz izvedbe FCU

Osnovna regulacija postavljenog potiska obavlja se na temelju broja okretaja kompresora, obično visokotlačnog N2. Slijedi opis principa rada regulatora goriva, slika 12. Željeni potisak - broj okretaja se postavlja komandom (5). Visokotlačna zupčasta crpka (7) snabdjeva brizgaljke gorivom. Količina potisnutog goriva prema brizgaljkama regulira se položajem ventila (6). Na ustaljenom režimu rada centrifugalna sila utega (2) se uravnotežava silom opruge (3), a položaj ventila (6) regulira količinu goriva koja se potiskuje prema brizgaljkama. Ako se poveća postavljeni broj okretaja, utezi se šire, ventil (6) se postavlja u položaj da omogućava veći povrat goriva, tj. smanjuje se količina goriva prema brizgaljkama čime se vraća zadani broj okretaja. Pri smanjenju broja okretaja, utezi djeluju tako da se povećava protok ubrizganog goriva čime se također održava zadani broj okretaja. Ovakav tip regulatora pripada grupi regulatora tzv. neposrednog djelovanja jer je elemenent regulacije

goriva direktno vezan sa osjetnikom promjene broja okretaja (utezi). Postoje regulatori gdje se regulacija odvija posredno, tzv. regulatori posredog djelovanja.

prema brizgaljkamaiz spremnika

pogon od turbine-kompresora

Slika 12. Elementarna shema reguliranja količine ubrizganog goriva


___________________________________________________________________________ 11

Slika 13. Položaj crpki za gorivo i FCU na motoru CFM 56


___________________________________________________________________________ 12

Brizgaljke Brizgaljka ima zadaću da ubrizga i rasprši gorivo u komoru izgaranja. Gorivo se kontinuirano ubrizgava u plamen u komori izgaranja, a raspršeno i ispareno gorivo se usljed toga zapaljuje. Brizgaljke se mogu podijeliti u dvije vrste: • siplex i • duplex Kod simplex tipa brizgaljke, gorivo izlazi kroz jedan otvor na brizgaljci. Budući da se količina goriva znatno mjenja, to će znatno utjecati i kvalitetu raspršivanja ovakve brizgaljke. Kod malih protoka goriva, zbog malog pada tlaka na brizgaljci, raspršivanje je slabo. Ako bi se smanjio otvor brizgaljke, onda bi se povećala sposobnost raspršivanja na malim protocima, ali kod velikih protoka bi se zbog toga znatno povećao tlak goriva u instalaciji što je nepovoljno i za crpku i za instalaciju. Navedeni nedostatak moguće je riješiti s brizgaljkama tipa duplex. Na malim opterećenjima radi jedan otvor brizgaljke, a na većim opterećenjima u rad se pušta i drugi otvor na brizgaljci. Moguće su dvije izvedbe ovakovih brizgaljki: jednolinijske duplex brizgaljke, smještene na jednom nosaču ili dvolinijske dupleks brizgaljkesa, smještene na dva nosača.

Slika 14. Simplex i jednolinijska duplex brizgaljka

Kod dvolinijskih duplex brizgaljki često se upotrebljava tlačni ventil s ventilom za ispuštanje goriva (Pressuring and dump valve). Tlačni ventil stavlja u pogon drugi otvor-liniju brizgaljke, a ventil za ispuštanje omogućava ispuštanje, vraćanje goriva u gorivni sustav iz cjevovoda-nosača brizgaljki nakon zaustavljanja motora. Time se onemogućava naknadno isparavanje goriva u tim cjevovodu i


___________________________________________________________________________ 13

brizgaljci i izačepljenju otvora. Također ovaj ventil omogućava brz prekid dovoda goriva kod zaustavljanja motora, slika 14.

Slika 15. Tlačni ventil s ventilom za ispuštanje goriva

Gorivo za mlazne motore Po definiciji mlazna goriva su složene otopine tekućih ugljikovodika naftnog porijekla i dodataka koji se koriste kao pogonsko gorivo za za pogon mlaznih motora na zrakoplovima. Postoji nekoliko standardiziranih vrsta tzv. mlaznih goriva. JET A1 (AVTUR - Aviation Turbine Fuel): To je gorivo petrolejskog tipa i propisano je našim standardom gdje se vodi pod nazivom GORIVO ZA MLAZNE MOTORE GM-1. Gustoća goriva na 15 C je od 775 do 840 kg/m3. Točka paljenaj najmanje 38 C, točka zamrzavanja najviše -47 C, a ogrijevna vrijednost najmanje 42,8 MJ/kg. To gorivo je najviše u uporabi. JET A: Slično gorivu JET A1 samo što ima točku zamrzavanja od -40 C. To gorivo je uglavnom dostupno u SAD. JET B ( AVTAG - Aviation Turbine Gasoline): To je gorivo širokofrakcijskog tipa. Gustoća goriva na 15 C je 770 kg/m3. Ima vrlo nisku točku upaljivosti od -20 C, a točku zamrzavanja od -60 C. Zbog niske točke zapaljivosti, iz sigurnosnih razoga ne koristi se u civilnom zrakoplovstvu. Mlazna goriva se ne označavaju posebnom bojom tako da mogu poprimiti boje od blijedo žute do bezbojne.


___________________________________________________________________________ 14

U gorivo se dodaju razni aditivi:

• Inhibitor zamrzavanja goriva (FSII - Fuel System Icing Inhibitor). Određena količina vode je prisutna u gorivu. Pri niskim temperaturama ona se može zamrznuti stvarajući kristale leda koji začepljuje cijevi sustava za napajanje gorivom. Također voda pogoduje razvoju mikrobiološkog onečišćenja (gljivica) koje također mogu začepiti cijevi, a gljivice su i korozivne i obično su štetne za zaptivne materijale spremnika za gorivo. FSII aditivi umanjuje navedene probleme.

• Poboljšivači mazivosti (HITEC - Lubricity Agent) smanjuju trošenje elemenata kinematskih

parova uređaja iz sustava za napajanje gorivom.

• Antistatik (Static Dissipater) aditivi eliminiraju opasnost od statičkog elektriciteta koji se generira proticanjem goriva kroz uređaje.

• Deaktivatori kovina (Metal Deactivator) smanjuju katalitičko djelovanje pojedinih metala

(npr. bakra) na oksidaciju goriva.

• Inhibitor korozivnosti (Corrosion Inhibitor) smanjuju koroziju cijevi i elemenata uređaja.

• Antioksidansi smanjuju oksidaciju goriva.

Documents

Sustav Za Napajanje Gorivom Mm