一種新型燃油供輸油系統(tǒng)及其管網(wǎng)分析解決方案

周昌申

（中國航空工業(yè)洪都，江西 南昌 330024）

一種新型燃油供輸油系統(tǒng)及其管網(wǎng)分析解決方案

周昌申

（中國航空工業(yè)洪都，江西 南昌 330024）

先進(jìn)的第四、第五代飛機(jī)供輸油系統(tǒng)將不再使用“燃油電動泵”，而使用由液壓為動力源的“渦輪泵”供輸油，但因其管網(wǎng)復(fù)雜，燃油在管網(wǎng)內(nèi)流動速度及壓力隨工況變化頻繁，同時，在管網(wǎng)交匯處，流體相互影響及交聯(lián)，流動狀況也特別復(fù)雜，由此給設(shè)計人員對管網(wǎng)系統(tǒng)的分析提出了挑戰(zhàn)。采用非線性方程組求解，可以較易得到管網(wǎng)的特性參數(shù)，準(zhǔn)確預(yù)判存在的缺陷，為驗證設(shè)計的合理性提供依據(jù)。曾用該方法對某機(jī)型供輸油系統(tǒng)（108階非線性方程組）進(jìn)行分析計算，其結(jié)果與實際情況非常吻合。

燃油供輸油系統(tǒng)；渦輪泵；復(fù)雜管網(wǎng)

0 引言

目前，先進(jìn)的第四、五代飛機(jī)燃油系統(tǒng)早已不是僅有一些管路及油箱構(gòu)成，而是具有大量交互聯(lián)系的子系統(tǒng)組成，這些子系統(tǒng)相互聯(lián)系，又與外部系統(tǒng)有著功能及結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)，如發(fā)動機(jī)燃油供給系統(tǒng)、燃油輸送系統(tǒng)、通氣及增壓系統(tǒng)、加油系統(tǒng)、油量測量及管理系統(tǒng)、輔助功能系統(tǒng)等。但最主要也是最值得深入研究的則是供輸油子系統(tǒng)。成功的設(shè)計可以使燃油系統(tǒng)供油壓力及流量滿足發(fā)動機(jī)需求，同時使飛機(jī)重心變化最小、系統(tǒng)效能高，以及形成的系統(tǒng)最小、重量輕等。而燃油系統(tǒng)工作的安全性及可靠性是決定系統(tǒng)設(shè)計成敗的決定因素，為滿足不斷發(fā)展的飛行器性能要求，本文對新型燃油系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

1 新型燃油供輸油系統(tǒng)

通常，燃油從油箱引出，增壓后供往發(fā)動機(jī)的途徑：

1）利用油箱與發(fā)動機(jī)燃油入口的高度差，借助勢能使燃油流入發(fā)動機(jī)，稱為重力供油；

2）使用安裝在油箱中或管路上的燃油電動泵，將燃油吸入并增壓后供往發(fā)動機(jī)，稱為電動泵供油。

油箱間的燃油輸送途徑：

1）引用發(fā)動機(jī)或氣瓶高壓空氣進(jìn)入油箱，將燃油增壓后輸出，稱為氣體增壓輸油（在油箱強(qiáng)度足夠時使用，如旋轉(zhuǎn)體形的副油箱）；

2）燃油電動泵輸油；

3）引射泵輸油。

從本世紀(jì)初開始，先進(jìn)飛機(jī)供輸油方式起了根本性的變化。新的供輸油系統(tǒng)將不再使用燃油電動泵，而是使用由液壓為動力源的渦輪泵供輸油。因渦輪泵不需要用電，飛機(jī)供電系統(tǒng)發(fā)生故障時，不影響供輸油系統(tǒng)正常工作，而油箱內(nèi)不需要鋪設(shè)電纜，可減少火災(zāi)危險。渦輪泵與同樣功率燃油電動泵相比，體積小、重量輕，在結(jié)構(gòu)狹小的部位便于安裝，并且耐高溫，這一點(diǎn)在高超音速飛機(jī)燃油系統(tǒng)上特別適用。渦輪泵供輸油原理是供油系統(tǒng)渦輪泵輸出燃油的一部分供發(fā)動機(jī)消耗，另一部分進(jìn)入高壓泵（由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子驅(qū)動），進(jìn)入高壓泵的燃油被進(jìn)一步增壓，然后引入供油系統(tǒng)渦輪泵以及輸油系統(tǒng)的一系列渦輪泵、引射泵，用作動力源驅(qū)動油泵工作，形成閉環(huán)液壓回路，吸入油箱中燃油實施增壓供給。由此可見，這種方式工作安全可靠、系統(tǒng)簡單效率高。但燃油在管網(wǎng)內(nèi)流動相互交聯(lián)，狀況特別復(fù)雜，需解決流體交聯(lián)解偶問題。

2 管網(wǎng)分析解決方案

2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1.1 引射泵的數(shù)學(xué)模型

對于已設(shè)計好的引射泵（引射泵造型是另一個研究領(lǐng)域），有如下關(guān)系式：

式中：QB—引射泵入口流量；

QC—引射泵出口流量；

u—引射系數(shù)；

PB—引射泵入口壓力；

PC—引射泵出口壓力；

Q—引射流量；

f1—工作噴嘴的出口截面積；

f2—混合室截面積。

2.1.2 高壓泵的數(shù)學(xué)模型

高壓泵出口的壓力與流量的關(guān)系如圖1所示，其出口壓力隨發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速n升高而升高。通過數(shù)學(xué)處理，可將曲線擬合成函數(shù)關(guān)系，一般可通過增加擬合點(diǎn)提高計算精度。假設(shè)取6個點(diǎn)，則在不同的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速ni下，可得出描繪曲線的一系列關(guān)系式：

2.1.3 渦輪泵的數(shù)學(xué)模型

在流量較小時，一般采用引射泵輸油，但如果要求泵出口的流量較大時，則采用渦輪泵供或輸油，因為渦輪泵能提供更大的流量。渦輪泵的效率比引射泵更高。渦輪泵的壓力與流量關(guān)系曲線如圖2所示。來自增壓泵的壓力越高，則曲線越往外拓展（遠(yuǎn)離原點(diǎn)）。與高壓泵類似，可根據(jù)不同增壓壓力得出描繪曲線的一系列關(guān)系式：

式（3）也是假設(shè)取6個擬合點(diǎn)得到。

2.1.4 管路網(wǎng)

管路以節(jié)點(diǎn)為分界，兩節(jié)點(diǎn)之間為一段管路。一般管路內(nèi)的流體流動用伯努利方程描述，即為：

式中：P1—節(jié)點(diǎn)1處壓力；

P2—節(jié)點(diǎn)2處壓力；

K12—節(jié)點(diǎn)1至節(jié)點(diǎn)2之間的流量模數(shù)；

Q12—管內(nèi)流量。

綜合上述各數(shù)學(xué)模型，把變量Pj，Qk用Xi（i=j+ k）取代，則得到各數(shù)學(xué)模型的一般方程式為：

式中，Xi為所求的未知數(shù)，如壓力、流量，如果給定流量，則未知數(shù)就是壓力、管徑。

3 數(shù)學(xué)模型的求解

對于非線性方程組（5）的求解，先考察其可微性，再研究其收斂性等。在實際問題中，向量函數(shù)一般是可微的。

對于方程組（5），應(yīng)用牛頓法可得到下面迭代程序：

式中：n=0,1,2,……，表示矩陣

4 結(jié)語

在對某機(jī)型供輸油系統(tǒng)（108階非線性方程組）進(jìn)行分析計算后發(fā)現(xiàn)，結(jié)果與實際情況非常吻合。實際操作遵循了下述三點(diǎn)：初值給出合理，使其盡可能與根接近；引入松弛因子，擴(kuò)大收斂域，使初值在該域內(nèi)；迭代過程中逐漸變大松弛因子，加快收斂速度或引入阻尼因子，克服雅可比矩陣的奇異性或病態(tài)性。數(shù)學(xué)模型建好后，對方程式的先后次序進(jìn)行周密考慮，使雅克比矩陣主對角線元素占優(yōu)。

另外，根據(jù)精度要求，設(shè)定誤差控制常數(shù)Ep（兩次迭代數(shù)值之差），實例設(shè)定Ep=10-6，如精度要求更高，可減小Ep。

[1]丁學(xué)仁，蔡高廳.工程中的矩陣?yán)碚?天津：天津大學(xué)出版社，1985.

[2]華紹曾，楊學(xué)寧.實用流體阻力手冊.北京：國防工業(yè)出版社，1985.

[3]李詩久.工程流體力學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980.

[4]王德人.非線性方程組解法與最優(yōu)化方法.北京：人民教育出版社，1979.

[5]索科洛夫，等.噴射器.北京：科學(xué)出版社，1997.

[6]列希涅夫，等.中航工業(yè)第609研究所譯.飛機(jī)燃油系統(tǒng)設(shè)計.

>>>作者簡介

周昌申，男，1964年出生，高級工程師，現(xiàn)從事燃油系統(tǒng)專業(yè)設(shè)計工作。

A sort of new fuel supply/transfer system and the solution for the problem of pipe web

Zhou Changshen
（AVIC-HONGDU，Nanchang,Jiangxi，330024）

The electric fuel pump is not applied for the fuel supply/transfer system of the advanced fourth and fifth generation of aircraft,and the“turbine pump”,driven by the hydraulic pressure,will be used for this purpose.Since there is the complex pipe web,the speed and pressure of fuel will frequently change in the pipe web following with the variation of operating status.Meanwhile,at the cross-link of pipe web,due to the inter-effect and intercross of liquid,the flow of fuel is also significantly complicate,which bring a challenge for the designer on the analysis of pipe web.By using the non-linear equation to solve the problem,the feature parameters of pipe web can be gained easily and the existing defects can be predetermined correctly,so as to provide a reasonable proof for the design. During the practice of this method,the fuel supply/transfer system of one type of aircraft(108 degree non-linear equation)is calculated and analyzed,and the result mostly tallies with the fact.

Fuel supply/transfer system;Turbine pump;Complex pipe web

2017-02-15）