Met een hydraulisch systeem van een vliegtuig kunnen krachten worden uitgeoefend, vermenigvuldigd en overgedragen van de ene locatie naar de andere via een onsamendrukbaar vloeibaar medium. Hydraulica is een cruciaal systeem in bijna alle moderne vliegtuigen. Lichte vliegtuigen maken voornamelijk gebruik van hydrauliek om remkrachten van de co*ckpit naar de remschijf of -trommel te vergroten en over te brengen. Grotere, complexere vliegtuigen kunnen naast remmen en neuswielbesturing ook hydrauliek gebruiken om het landingsgestel, de kleppen en stuurvlakken te bedienen.
Principes van hydraulische bediening
Een hydraulisch systeem werkt volgens de principes van de wet van Pascal en het behoud van energie om een kracht en verplaatsing van het ene punt naar het andere in het systeem over te brengen. De fundamentele werkingsprincipes van een hydraulisch systeem worden hieronder beschreven.
Wet van Pascal
De wet van Pascal stelt dat de verandering in druk op elk punt in een ingesloten onsamendrukbare vloeistof door de vloeistof moet worden overgedragen, zodat dedrukverandering komt overal gelijkelijk voor.
Dit betekent dat als de druk in een hydraulische leiding verandert, b.v. de piloot een rempedaal intrapt, wordt de verhoogde druk als gevolg van het verminderde volume in het systeem gelijkelijk overgebracht op alle punten in dat systeem.
Vermenigvuldiger forceren
Druk wordt gedefinieerd als de kracht per oppervlakte-eenheid:
$$ Druk = \frac{Kracht}{Gebied} $$
die gemakkelijk kan worden herschikt in termen van de kracht:
$$ Kracht = Druk \maal Oppervlakte $$
De wet van Pascal stelt dat elke drukverandering in het systeem overal in de vloeistof hetzelfde zal zijn. Dit betekent dat de invoer- en uitvoerkracht in het hydraulische systeem aan elkaar gerelateerd zijn door de verhouding van hun respectievelijke cilinderoppervlakken.
$$ F_{2} = F_{1}\frac{A_{2}}{A_{1}} $$
Als het oppervlak van de uitvoercilinder tweemaal zo groot is als dat van de invoercilinder, dan is de krachtuitvoer tweemaal de invoerkracht. Hydraulische leidingen hebben daarom de eigenschap een krachtvermenigvuldiger te zijn; zo kan een kleine krik een groot voertuig optillen.
Behoud van energie
Het principe van het behoud van energie toegepast op een hydraulische cilinder schrijft voor dat desysteem kan niet meer werk verzetten dan eraan gedaan wordt. Het input- en outputwerk moet daarom gelijk zijn om de behoudswet toe te passen.
Mechanisch werk wordt gedefinieerd als de uitgeoefende kracht vermenigvuldigd met de verplaatsing waardoor het object als gevolg van die kracht beweegt.
$$ Arbeid = Kracht \maal Verplaatsing $$
We kunnen daarom een formule afleiden die de verplaatsing van de uitvoercilinder beschrijft in termen van de invoercilinder.
In gevallen waarin het uitgaande cilinderoppervlak groter is dan de invoercilinder, zal de verplaatsing aan de uitgang kleiner zijn met de verhouding tussen het invoer- en uitvoeroppervlak.
Vloeistof eigenschappen
Hydraulische systemen werken volgens het principe dat vloeistof, in tegenstelling tot lucht, vrijwel onsamendrukbaar is. Dit maakt het een goed medium om krachten over te brengen en te vermenigvuldigen. Onsamendrukbaarheid is niet de enige vereiste voor een bruikbare hydraulische vloeistof; viscositeit, stabiliteit en de neiging om verdamping tegen te gaan zijn ook belangrijk.
Viscositeit
Viscositeit wordt gedefinieerd als de interne weerstand tegen stroming en is een eigenschap die in eerdere berichten is besproken met betrekking totbrandstof, olie en water. Een vloeistof met een hoge viscositeit zoals honing stroomt langzaam, terwijl olie met een lage viscositeit gemakkelijk giet. De viscositeit van een vloeistof is niet constant maar varieert met de temperatuur. Lagere temperaturen verhogen de viscositeit, waardoor er meer stromingsweerstand ontstaat. Hogere temperaturen hebben het tegenovergestelde effect, ze verlagen de viscositeit en vergroten het gemak waarmee de vloeistof zal stromen.
Een hydraulische vloeistof moet voldoende viscositeit hebben zodat het helpt bij de smering en bescherming van het hele systeem, maar niet zo groot dat het weerstand biedt tegen stroming tijdens bedrijf. Een typisch hydraulisch systeem bestaat uit cilinders, zuigers, kleppen en pompen. Als de viscositeit te laag wordt, zullen deze componenten niet voldoende afdichten, wat resulteert in lekken in het systeem en slechte prestaties.
De viscositeit moet ook worden overwogen door het volledige bereik van de bedrijfstemperatuur van het vliegtuig om ervoor te zorgen dat het systeem presteert zoals bedoeld; zowel in koude als in warme en vochtige omstandigheden. Het is de moeite waard erop te wijzen dat de temperatuur van de vloeistof mogelijk niet constant is in alle systemen, aangezien er lokale hotspots kunnen ontstaan wanneer vloeistof door een kleine opening of door een set tandwielen of lagers wordt geperst.
Vuur en Vlampunt
De vloeistofeigenschappen van vuur en vlampunten die het vermogen van de vloeistof beschrijven om hoge temperaturen en verbranding te weerstaan. Devlam puntis de temperatuur waarbij voldoende damp door de vloeistof vrijkomtkortstondig ontbrandenals een ontstekingsbron (vonk) wordt toegepast.
Debrandpunttreedt op bij een hogere temperatuur en is die temperatuur waarbij voldoende damp aanwezig isverbranding onderhoudenbij blootstelling aan een vonk of vlam.
Een goede hydraulische vloeistof heeft een hoog brand- en vlampunt en zal niet veel damp afgeven bij de normale bedrijfstemperatuur.
Chemische stabiliteit
Chemische stabiliteit verwijst naar het vermogen van de vloeistof om weerstand te bieden aan oxidatie en achteruitgang tijdens een typische operationele levensduur. Het is belangrijk dat de vloeistof kan werken zoals ontworpen tijdens periodes van hoge temperatuur waarin de achteruitgang van de vloeistof wordt versneld.
De vloeistof moet ook bestand zijn tegen chemische afbraak bij blootstelling aan lucht, water en andere verontreinigingen die het meest voorkomen wanneer het vliegtuig in warme en vochtige klimaten wordt gebruikt.
Soorten hydraulische vloeistoffen
Hieronder worden enkele vloeistoffen beschreven die gewoonlijk worden gebruikt in een hydraulisch systeem van een vliegtuig.
Vloeistoffen op minerale basis
Deze vloeistoffen zijn op aardolie gebaseerd en zijn rood geverfd voor gemakkelijke identificatie. Vloeistoffen op minerale basis worden vaak gebruikt in lichte vliegtuigen en moeten worden gebruikt in combinatie met slangen en afdichtingen van synthetisch rubber om lekken en corrosie te voorkomen.
Polyalfaolefinen
Dit is een brandwerende vloeistof die kan worden gebruikt in plaats van een vloeistof op minerale basis als ervoor wordt gezorgd dat het gebruik bij lage temperaturen wordt beperkt. De viscositeit van deze vloeistoffen neemt aanzienlijk toe bij lage temperaturen in vergelijking met vloeistoffen op minerale basis. Raadpleeg altijd het bedieningshandboek van uw piloot voor een lijst met goedgekeurde vloeistoffen die in uw vliegtuig mogen worden gebruikt.
Fosfaat Esters
Fosfaatesters worden voornamelijk gebruikt in vliegtuigen van de grotere transportcategorie en werden na de Tweede Wereldoorlog ontwikkeld als reactie op de toename van het aantal hydraulische remaanvallen als gevolg van de hogere landingssnelheden van modernere vliegtuigen. Deze vloeistoffen zijn paars gekleurd en hebben zeer goede brandwerende eigenschappen.
Ontwerp van een hydraulisch systeem voor vliegtuigen
Schematisch ontwerp
Een hydraulisch systeem van een vliegtuig kan variëren van heel eenvoudig: een niet-ondersteund remsysteem op een licht vliegtuig, tot zeer complex. Het hydraulische systeem op een commercieel straalvliegtuig is ontworpen met meerdere pompen, reservoirs en vloeistofdoorgangen, en drijft typisch het besturingssysteem, de remmen, high-lift-apparaten, spoilers en neuswielbesturing aan.
Ongeacht de complexiteit bestaan alle hydraulische systemen uit eenreservoirom vloeistof op te slaan, eenpomp(kan een zuiger zijn die wordt bediend door een voetkracht) om het systeem aan te drijven,kleppenom de richting, snelheid en druk van de vloeistofstroom te regelen, afilterom onzuiverheden te verwijderen, en eenaandrijverom een kracht op de uitgang uit te oefenen.
De lay-out van een eenvoudig hydraulisch systeem dat een kracht uitoefent op een enkele actuator wordt hieronder weergegeven.
Wanneer het hydraulisch systeem wordt geactiveerd, duwt de pomp vloeistof onder druk naar de hogedrukzijde van de bedieningscilinder. Dit dwingt de zuiger in de cilinder om in de richting van de toegepaste drukgradiënt te bewegen. De vloeistof aan de lagedrukzijde van de cilinder wordt naar buiten geperst en keert via een filter terug naar het reservoir om eventuele onzuiverheden te verwijderen. Afhankelijk van het type actuator kan de toegepaste druk worden omgekeerd om de actuator in beide richtingen te bewegen.
Open Center-systemen
Hydraulische systemen zijn geclassificeerd als beideopen centrumofgesloten centrum. Incentrum openensystemen waarin de verschillende actuatoren zijn ondergebrachtseriezodanig dat vloeistof door elke keuzeklep gaat alvorens terug te keren naar het reservoir. Het fluïdum stroomt vrij door elke keuzeklep, tenzij de klep is gepositioneerd om de actuator te bedienen, in welk geval de actuator wordt verplaatst als er druk wordt opgebouwd aan de drukzijde van de zuiger. Het ontwerp van een open center systeem is zodanig dat het systeem alleen onder druk staat terwijl een actuator in werking is. Met alle actuatoren inactief is de pomp vrij om de vloeistof door het systeem te laten circuleren.
Gesloten centrumsystemen
Agesloten centrumsysteem plaatst de actuatoren erinparallelnaar elkaar. Dit vereist dat de pompoutput wordt geregeld om een verschillend aantal gelijktijdig werkende actuatoren te accommoderen. De opstelling is zodanig dat het systeem altijd onder druk staat, wat resulteert in een snellere reactie wanneer een actuator wordt geactiveerd.
Hydraulische systeemcomponenten
Een typisch hydraulisch systeem bestaat uit een aantal componenten die samenwerken om een voorspelbare en herhaalbare krachtrespons te leveren aan de uitgaande aandrijfcilinder.
Reservoirs
Een reservoir werkt als opslagruimte in het systeem voor hydraulische vloeistof. Het is belangrijk dat er voldoende vloeistof in het systeem aanwezig is om onder alle bedrijfsomstandigheden voor voldoende toevoer te zorgen. De vloeistof stroomt van het reservoir naar het systeem waar het de vereiste handelingen uitvoert voordat het terugkeert naar het reservoir. Temperatuurveranderingen kunnen ertoe leiden dat het vloeistofvolume verandert en daarom is het reservoir ontworpen om tijdens warm gebruik als overloop te fungeren. Overtollige vloeistof wordt in het reservoir opgeslagen om lekken in het systeem te verminderen, die er anders toe zouden leiden dat het systeem stopt met werken zodra een kritiek vloeistofniveau is bereikt.
Reservoirs die niet onder druk staan, worden naar de atmosfeer ontlucht om eventueel in het systeem opgesloten lucht te laten ontsnappen. Naarmate het niveau in het reservoir daalt, komt er lucht binnen via de ontluchting om te voorkomen dat er een vacuüm ontstaat. Reservoirs onder druk kunnen nodig zijn als het vliegtuig op zeer grote hoogte werkt, waar een positieve druk in het reservoir ervoor zorgt dat de vloeistof in de pomp stroomt op grote hoogte waar de omgevingsdruk laag is.
Het is belangrijk wervelingen en stoten van de hydraulische vloeistof in het reservoir zoveel mogelijk te beperken. Schotten en vinnen zijn meestal ingebouwd om de beweging van de vloeistof tijdens de vlucht te verminderen en om de vorming van luchtbellen tot een minimum te beperken.
Er moet altijd redundantie in het hydraulische systeem worden ingebouwd om ervoor te zorgen dat het falen van een enkel onderdeel niet leidt tot het falen van het hele systeem. De primaire hydraulische pomp is een cruciaal onderdeel en daarom is er meestal een noodpomp geïnstalleerd stroomafwaarts van het reservoir om te werken als de hoofdpomp uitvalt. De noodpomp wordt meestal elektrisch aangedreven en werkt op het elektrische systeem van het vliegtuig.
Een gemeenschappelijk reservoirontwerp biedt twee uitlaten van een enkel reservoir. De hoofdpomp wordt gevoed via een standpijp die boven de reservoirbodem zit. Als het niveau in het reservoir onder het niveau van de standpijp zakt, wordt de noodvoeding geactiveerd die vanaf de reservoirbodem wordt gevoed. Het vloeistofniveau kan langzaam dalen als gevolg van een onopgemerkt lek, wat zou resulteren in een volledige systeemstoring als beide pompen vanaf hetzelfde niveau zouden worden gevoed. Door de hoofdpomp vanaf een punt boven de vloer te voeden, wordt ook voorkomen dat verontreinigingen door het systeem worden gepompt, aangezien deze zwaardere voorwerpen onder invloed van de zwaartekracht naar de vloer zouden moeten zinken.
Eeninline-reservoiris een stand-alone unit die in serie is aangesloten op het systeem. Sommige systemen maken gebruik van eenintegraal reservoirwaar overtollige vloeistof wordt opgeslagen in een gereserveerde ruimte in een groot onderdeel dat deel uitmaakt van het systeem. Een grote remtrommel kan bijvoorbeeld dienst doen als reservoir in een kleiner hydraulisch systeem.
Filters
Een filter is nodig in een hydraulisch systeem om vreemde deeltjes of verontreinigende stoffen uit het systeem te verwijderen. Tijdens normaal bedrijf zorgen slijtage van de kleppen, pompen en andere componenten ervoor dat kleine metaaldeeltjes afbreken en in de vloeistof gaan zweven. Deze deeltjes moeten door het filter worden verwijderd om de levensduur van de verschillende onderdelen te verlengen en slijtage te voorkomen.
Filters kunnen worden aangebracht in lagedrukgebieden van het systeem (retourleiding), in het reservoir zelf of op de persleiding. De samenstelling van het filter zal verschillen, afhankelijk van waar het is geïnstalleerd.
De meeste hydraulische systemen zijn uitgerust met een filteromloopklep. Deze gaat onder druk open als het filter verstopt raakt, wat ervoor zorgt dat de vloeistofcyclus wordt voltooid en het systeem blijft werken.
Pompen
Een hydraulisch systeem heeft een pomp nodig om het systeem aan te drijven en ervoor te zorgen dat vloeistof onder druk naar de actuatoren wordt gevoerd wanneer dat nodig is. In de eenvoudigste hydraulische systemen wordt de pomp geleverd door een zuiger- en cilinderopstelling die de vloeistofdruk verhoogt wanneer erop wordt gedrukt. Dit is hoeveel lichte vliegtuigenrem systemenbedienen.
Grotere vliegtuigen maken gebruik van een door een primaire motor aangedreven hydraulische pomp naast een elektrische hulppomp voor het geval de primaire pomp uitvalt. Doorgaans drijven de hydraulische systemen in deze vliegtuigen niet alleen het remsysteem aan, maar ook kleppen en intreksystemen voor het landingsgestel.
Sommige vliegtuigen worden ook geleverd met een handpomp die kan worden gebruikt in geval van nood, of wanneer het vliegtuig aan de grond staat en de motor niet draait.
Een vliegtuig kan ook worden uitgerust met eenRam-luchtturbine (RAT)dat is een kleine windturbine die in de freestream wordt ingezet in het geval van een pompstoring. De turbine kan vervolgens worden gebruikt om een reservehydraulische pomp aan te drijven in een noodgeval, zoals een motorstoring, waardoor het systeem anders hydraulische druk zou verliezen.
Pompen kunnen als beide worden geclassificeerdpositieve verplaatsingofniet-positieve verplaatsing. Een verdringerpomp is het meest voorkomende type dat wordt gebruikt in hydraulische toepassingen en werkt door een vaste hoeveelheid vloeistof op te vangen bij de pompinlaat en dat opgesloten volume in de afvoerleiding bij de uitlaat te forceren (verplaatsen).
Positieve (vaste) verplaatsing
Een veelvoorkomende verdringerpomp in hydraulische systemen van vliegtuigen is detandwiel pomp. Deze pompen bestaan uit twee tegengesteld draaiende tandwielen die in elkaar grijpen om een druk te creëren door het transporteren van een vast vloeistofvolume per omwenteling. De pomp zuigt vloeistof aan de zuig- of invoerzijde en transporteert deze naar de pers- of uitvoerzijde van de pomp.
Een van de tandwielen wordt aangedreven door de vliegtuigmotor via een hulpaandrijving. Het andere tandwiel kan vrij draaien en wordt aangedreven door het aandrijftandwiel. De inlaatzijde van de pomp is aangesloten op het reservoir en de uitlaat op de persleiding. Vloeistof wordt opgevangen door de tanden in de inlaat en beweegt vervolgens rond het pomphuis en wordt afgezet bij de uitlaat.
Tandwielpompen hebben enige vorm van systeembescherming nodig, omdat ze vloeistof blijven leveren aan de uitlaat zolang ze draaien, ongeacht de uitlaatdruk. Het is gebruikelijk om direct stroomopwaarts van de pomp een drukafsluitklep te installeren om vloeistof terug naar het reservoir te leiden als de druk te hoog wordt.
Variabele verplaatsing
Een pomp met variabel volume levert een vloeistofvolume dat evenredig is aan de eisen van het specifieke systeem. Een in de pomp ingebouwde compensator regelt automatisch het pompvermogen op basis van de systeemdruk. Een tandwielpomp met een drukafsluitklep werkt op dezelfde manier.
Kleppen
Kleppen worden gebruikt in een hydraulisch systeem om destroomsnelheid,stroomrichting, en dedrukin het systeem.
Stroomregelkleppen
Stroomregelkleppen regelen de stroomsnelheid en de stroomrichting. Ze kunnen worden gebruikt om een actuator te bedienen of vloeistof weg te leiden van een component. Er zijn twee veel voorkomende stroomregelkleppenkeuze kleppenEnterugslagkleppen.
Akeuze klepwordt gebruikt om de bewegingsrichting van een hydraulische bedieningscilinder of soortgelijk apparaat te regelen. Een keuzeklep creëert een pad voor vloeistof om in de ene kant van de actuator te stromen en aan de andere kant uit. De stroomrichting kan vaak worden omgekeerd, waardoor de actuator in beide richtingen kan bewegen.
Aterugslagklepwerkt als een eenrichtingsklep, waardoor vloeistof ongehinderd in de ene richting kan stromen, maar niet in de andere. Een gewone terugslagklep maakt gebruik van een veerbelaste kogel die in een behuizing zit. De veer wordt onder druk samengedrukt om stroming in de gewenste richting mogelijk te maken. Zodra de stroom stopt (of daalt tot onder een ingestelde snelheid), zit de kogel in de behuizing, waardoor de stroom wordt afgesloten.
Drukregelventielen
Controle van de druk binnen een hydraulisch systeem is noodzakelijk voor de veilige werking van het systeem. Sommige kleppen zijn ontworpen omdruk verlichtenzodat het systeem geen gevaarlijke werkdruk bereikt, terwijl anderenregel de drukbinnen een bepaald bereik.
Er zijn twee algemene overdrukventielen die worden gebruikt in een hydraulisch systeem van een vliegtuig.Systeem overdrukventielenfungeren als beveiliging tegen overdruk als gevolg van het uitvallen van een pomp, regelaar of soortgelijk apparaat. Deze kleppen zijn direct stroomafwaarts van de pomp gemonteerd en gaan open bij een ingestelde druk, waardoor het systeem wordt ontlast door vloeistof terug te voeren naar het reservoir.
Athermische ontlastklepis ontworpen om overdruk in het systeem te ontlasten als gevolg van thermische uitzetting van de vloeistof. Deze kleppen zijn meestal kleiner dan systeemontlastkleppen en worden gebruikt waar een stroomregelklep voorkomt dat de druk wordt ontlast vanwege de eenrichtingsaard van de klep.
Adrukregelventielwordt gebruikt in een hydraulisch systeem waar een pomp van het type met constante opbrengst werkt. Aangezien een pomp met constant debiet niet in staat is om zijn eigen druk te regelen, kan een klep net stroomafwaarts van de pomp worden geopend of gesloten om de druk te verhogen of te verlagen, waardoor de systeemdruk binnen een bepaald werkbereik blijft. Door de klep volledig te openen, wordt alle stroom van het systeem teruggeleid naar het reservoir, waardoor de pomp zonder weerstand kan draaien. Dit wordt "de pomp ontladen" genoemd.
Accu's
Een accumulator biedt een middel om vloeistof onder druk op verschillende punten in het systeem op te slaan, wat dan kan worden gebruiktdrukstoten dempenofaanvulling op de pomponder hoge bedrijfsbelastingen. Accumulatoren zorgen ook voor een beperkte werking van het systeem in het geval van een storing van de pomp.
Een veelgebruikte accumulator die wordt gebruikt in hydraulische systemen van vliegtuigen is debolvormig typedie bestaat uit twee bolvormige kamers gescheiden door een rubber of synthetisch membraan. De bovenste helft van de accumulator is ontworpen om vloeistof onder druk op te nemen, die reageert op lucht of stikstof in de onderste helft van de accumulator. De hydraulische druk zal het gas samenpersen totdat de druk in de twee kamers gelijk is. Wanneer een hydraulische actuator moet werken, zal de accumulator die zich het dichtst bij de actuator bevindt vloeistof onder druk rechtstreeks naar de actuator voeren, waardoor de druk in de accumulator wordt verlaagd, die vervolgens wordt bijgevuld door de systeempomp. Dit zorgt voor een snellere bediening dan anders mogelijk zou zijn, waardoor vertraging van de mechanische pomp wordt geëlimineerd.
Aandrijvingen
Het doel van een actuator is om vloeistofdruk om te zetten in een mechanische kracht die kan worden gebruikt om nuttig werk te verrichten. Arbeid is het product van kracht en verplaatsing en dus zal het uitoefenen van druk op één zijde van een actuator ervoor zorgen dat die actuator beweegt met een kracht die gelijk is aan het drukverschil vermenigvuldigd met het dwarsdoorsnede-oppervlak van de actuator, en arbeid verrichten zodat energie in de systeem is behouden.
Lineaire Actuator
Alineaire aandrijvingbestaat uit een cilinder- en zuigeropstelling waarbij een zijde van de zuiger is verbonden met een stang die in werking treedt afhankelijk van de druk die op de zuiger inwerkt. Adubbelwerkende bedieningscilinderis ontworpen om onder druk uit te schuiven en in te trekken. Vloeistof onder druk komt een kant van de cilinder binnen, duwt de zuiger en zorgt ervoor dat de vloeistof met lagere druk aan de andere kant van de zuiger terugkeert naar het reservoir. Met een keuzeklep kan de bewegingsrichting worden omgekeerd, zodat vloeistof onder druk de eerder lagedrukzijde van de actuator kan binnendringen, waardoor de richting van de actuator wordt omgekeerd.
Roterende actuator
Een roterende actuator zet het door het hydraulisch systeem ingestelde drukverschil om in een roterende beweging, meestal door middel van een tandheugelconstructie. Dit is een gebruikelijke opstelling die wordt gebruikt in een hydraulisch ondersteund neuswielbesturingsmechanisme.
