基于AMESim 的直升機交叉供油仿真分析

趙立飛,周 文,葉寧武,楊小龍

(中國直升機設計研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

交叉供油是指在某一燃油系統(tǒng)的供油泵失效或燃油量不足時,用另一燃油系統(tǒng)向每臺發(fā)動機供油。交叉供油為直升機的安全飛行提供了保障[1]。 目前,業(yè)界對交叉供油的研究比較少,對其數(shù)值研究更少。楊波等[2]基于Simulink 對模型飛機燃油系統(tǒng)中的交叉供油進行了模擬。 王京等[1]使用Flowmaster 對模型飛機燃油系統(tǒng)的交叉供油進行了模擬。 近幾年來,對直升機的交叉供油仿真研究鮮有報道。 但是,具有交叉供油設計的直升機燃油系統(tǒng)是否真正具有交叉供油能力,決定直升機的飛行是否安全。 因此,本文將針對直升機交叉供油的數(shù)值仿真進行研究。

AMESim 軟件以其完備的模型庫、形象簡單的建模優(yōu)點,在流體力學、熱力學、機械、控制等復雜系統(tǒng)中的建模和仿真中的應用較為廣泛,在航空領域中的應用也越來越流行。 事實上,AMESim 最初是由法國IMAGINE 公司專門針對液壓系統(tǒng)開發(fā)的一款軟件[3],之后,在國內的液壓系統(tǒng)領域,學者也開始應用該軟件進行研究。 徐步算等[4]建立了牽引車液壓系統(tǒng)的AMESim 仿真模型,對具有壓力調節(jié)功能的閥進行了研究,結果表明該閥具有良好的調節(jié)功能。 楊傳家等[5]利用AMESim 軟件,通過引入PID 控制,對燃油總管試驗器液壓壓力系統(tǒng)進行研究,結果表明,該數(shù)值仿真模型壓力控制穩(wěn)定,穩(wěn)態(tài)誤差變小。 羅江等[6]建立了直升機魚叉液壓系統(tǒng)的AMESim 模型,通過仿真計算,結果表明,該數(shù)值結果與試驗結果基本吻合,表明了該模型的有效性。

近年來,在燃油系統(tǒng)中,無論是對于燃油系統(tǒng)中部件的研究,還是動態(tài)特性的研究,AMESim 仿真軟件也都得到了極為廣泛地應用。 孫世磊等[7]對燃油系統(tǒng)中電控噴油器建立了AMESim 模型,對其結構參數(shù)進行了仿真分析,為結構設計和優(yōu)化提供了參考。侯艷艷等[8]搭建了飛機燃油附件通用試驗臺系統(tǒng)的AMESim 仿真模型,并模擬了加油控制閥的特性,結果表明,AMESim 軟件可以仿真該系統(tǒng)的工作過程。韓楊[9]建立了直升機燃油箱惰化系統(tǒng)的AMESim 仿真模型,得到了直升機全包線惰化氧濃度的變化情況。 還有研究針對空中加油的受油過程,建立了燃油系統(tǒng)的AMESim 仿真模型,分析了加油閥不同關閉時間燃油系統(tǒng)主要節(jié)點處的壓力脈動。 以上研究驗證了AMESim 在建模仿真中非常適合燃油系統(tǒng)的研究。因此,本文將通過AMESim 實現(xiàn)對交叉供油的建模與仿真。

1 直升機供油系統(tǒng)構型

圖1 為直升機的供油系統(tǒng)構型,包括增壓泵1、單向閥2、左燃油管路3、左燃油箱4、左供油選擇閥5、斷開自封閥6、壓力傳感器7、左發(fā)動機8、交叉供油管路9、右發(fā)動機10、右供油選擇閥11、右燃油管路12、右燃油箱13。

圖1 直升機供油系統(tǒng)構型

當左供油選擇閥調至左發(fā)動機由左燃油箱供油,右供油選擇閥調至右發(fā)動機由右燃油箱供油時,該供油方式稱為直接供油。 當左、右供油選擇閥調至兩臺發(fā)動機只由左、右燃油箱中的一個燃油箱同時供油時,供油方式為交叉供油。

2 直升機供油系統(tǒng)的AMESim 仿真模型

本文根據(jù)圖1 所示的直升機供油系統(tǒng)構型,搭建了圖2 所示的相應的AMESim 仿真模型。

圖2 直升機交叉供油AMESim 仿真模型

仿真模型中所使用元件來自Aerospace and Marine 元件庫、Aircraft Fuel System 元件庫、Thermal Hydraulic 元件庫、Thermal Hydraulic Resistance 元件庫、Signal, Control 元件庫、1D Mechanical 元件庫和狀態(tài)機。 其中,燃油增壓泵選用TFPUC0 離心泵元件,通過輸入增壓泵增壓值-流量性能曲線確定;兩個供油選擇閥由4 個開關E,F,J,K 代替,開關選用TFORF0 元件。 對于左供油選擇閥,當左發(fā)動機由左燃油箱供油時,打開開關E,關閉開關K;當左發(fā)動機由右燃油箱供油時,關閉開關E,打開開關K。 對于右供油選擇閥,當右發(fā)動機由右燃油箱供油時,打開開關F,關閉開關J;當右發(fā)動機由左燃油箱供油時,關閉開關F,打開開關J。

由直升機燃油系統(tǒng)的供油控制邏輯,不考慮燃油泵失效的情況,僅考慮燃油量是否充足。 將AMESim中泵、閥按如下方式進行控制。

(1)若供油的初始狀態(tài)為兩個燃油箱的燃油高度滿足h左>0、h右>0,此時的供油方式為直接供油。 AMESim 中控制方式為:交叉供油管路上的開關K、J 關閉,打開左供油管路上的開關E 和左燃油增壓泵C、右供油管路上的開關F 和右燃油增壓泵D。

(2)若在供油的過程中,或供油的初始狀態(tài)為:兩個油箱的燃油高度滿足h左>0.1、h右≤0,此時的供油方式為交叉供油,即左燃油箱同時向兩個發(fā)動機供油。 控制方式為:交叉供油管路上的開關K、右供油管路上的開關F 和右供油管路上的燃油增壓泵D關閉,打開左供油管路上的開關E、交叉供油管路上的開關J 和左供油管路上的燃油增壓泵C。

(3)若在供油的過程中,或供油的初始狀態(tài)為:兩個油箱的燃油高度滿足h左≤0、h右>0.1,此時的供油方式也為交叉供油,即右燃油箱同時向兩個發(fā)動機供油。 控制方式為:交叉供油管路上的開關J、左供油管路上的開關E 和左供油管路上的燃油增壓泵C關閉,打開右供油管路上的開關F、交叉供油管路上的開關K 和右供油管路上的燃油增壓泵D。

(4)若供油的初始狀態(tài)為h左≤0、h右≤0.1,或h左≤0.1、h右≤0;或供油過程中燃油高度為h左≤0、h右≤0,則兩個燃油箱均無法給發(fā)動機供油。 此時,所有供油管路上的所有開關、燃油增壓泵關閉,發(fā)動機關閉。

AMESim 仿真模型通過引入狀態(tài)機,實現(xiàn)以上控制邏輯。

3 供油系統(tǒng)特性分析

某型直升機發(fā)動機燃油流量為3 000 L/h 時,發(fā)動機入口處燃油的絕對壓力P需要在[100 kPa,200 kPa]范圍內。 為驗證本文所建AMESim 模型的有效性,筆者分別計算了左、右燃油箱初始燃油量相等和不等時的供油情況。

圖3 和圖4 分別給出了左、右燃油箱初始燃油量分別為m左=640 kg、m右=640 kg,燃油流量為3 000 L/h 時,燃油箱向發(fā)動機供油過程中,兩燃油箱剩余燃油量和發(fā)動機燃油入口處的壓力隨時間的變化曲線。 其中,實線為左燃油箱(或左發(fā)動機燃油入口)的數(shù)據(jù),虛線為右燃油箱(或右發(fā)動機燃油入口)的數(shù)據(jù)(下同)。 從圖3 可以看到,兩個燃油箱的燃油以同樣的流速消耗,直至消耗完畢。 從圖4 可以看到,計算穩(wěn)定后,發(fā)動機燃油入口處的絕對壓力在[100 kPa,200 kPa]范圍內,滿足要求。 該研究結果表明,本文所建AMESim 模型模擬直接供油有效。

圖3 直接供油過程中兩燃油箱剩余燃油量變化

圖4 直接供油過程中發(fā)動機入口燃油壓力變化

圖5 和圖6 分別給出了左、右燃油箱初始燃油量分別為m左=640 kg、m右=320 kg,燃油流量為3 000 L/h 時,燃油箱向發(fā)動機供油過程中,兩燃油箱剩余燃油量和發(fā)動機燃油入口處的壓力隨時間的變化。從圖5 可以看到,最初兩個燃油箱的燃油以同樣的流速消耗,直至右燃油箱先消耗完畢;之后左燃油箱以二倍的流速開始消耗燃油,直至消耗完畢。 這是因為,一開始兩個燃油箱都有燃油,供油方式為直接供油,由于右燃油箱初始燃油量比左燃油箱少,右燃油箱燃油先消耗完。 這時,左燃油箱需要同時向兩臺發(fā)動機供油,所以左燃油箱的耗油流量為之前的二倍。

圖5 交叉供油過程中兩燃油箱剩余燃油量變化

從圖6 可以看到,發(fā)動機燃油入口處的絕對壓力在直接供油向交叉供油時發(fā)生了突變,這是因為發(fā)動機入口處的流量始終不變。 直接供油時,雙泵流量與發(fā)動機入口流量一樣;交叉供油時,只有左燃油增壓泵以二倍發(fā)動機入口流量使用。 由增壓泵的流量-壓力曲線可知,隨著流量的增大,增壓壓力變小,因此,發(fā)動機入口處的壓力也隨之變小。 從計算結果可以看到,計算穩(wěn)定后,發(fā)動機燃油入口處的絕對壓力在[100 kPa,200 kPa]范圍內,滿足要求。 研究結果表明,本文所建AMESim 模型模擬交叉供油有效。

圖6 交叉供油過程中發(fā)動機入口燃油壓力變化

4 結語

本文根據(jù)某型直升機的供油需求,建立了AMESim 仿真模型,根據(jù)交叉供油的邏輯關系,引入了狀態(tài)機實現(xiàn)了對泵、閥的控制。 通過仿真結果,驗證了不同供油方式的情況下,本文所建模型的有效性。 該研究對直升機交叉供油數(shù)值仿真模型的搭建具有一定的借鑒意義。