一種遠(yuǎn)程噴氣燃料補給系統(tǒng)設(shè)計

王宏泳 李華垚 季曉亮

摘要：遠(yuǎn)程噴氣燃料補給系統(tǒng)（下稱補給系統(tǒng)）主要用于在機(jī)場、公路、飛機(jī)跑道等條件下為飛機(jī)提供噴氣燃料的接收、輸轉(zhuǎn)、儲存、加注等；補給系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，由整體自裝卸車、托盤、儲存輸轉(zhuǎn)模塊、噴氣燃料加注模塊、過濾計量模塊、管路附件模塊、偽裝防護(hù)模塊等組成，展開組裝后可以為飛機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程油料補給?；诖?，圍繞遠(yuǎn)程油料補給系統(tǒng)的組成、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行深入的分析，并對系統(tǒng)組裝后的匹配性、水擊壓力等進(jìn)行設(shè)計計算。

關(guān)鍵詞：噴氣燃料補給系統(tǒng)；模塊；水擊壓力

中圖分類號：U463? 收稿日期：2023-04-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.05.012

1 國內(nèi)外情況

在機(jī)場設(shè)備無法正常進(jìn)行油料補給任務(wù)時，為了給飛機(jī)提供應(yīng)急噴氣燃料保障，需緊急啟用備用設(shè)備，機(jī)場遠(yuǎn)程油料補給系統(tǒng)便是為飛機(jī)進(jìn)行緊急油料補給而設(shè)計的［1-2］。

近年來，隨著空軍現(xiàn)代化的發(fā)展，航空油料保障的模式和裝備也有了很大的變化，多功能管道加油車、輸油管線、油庫車、機(jī)場油料補給系統(tǒng)等保障裝備走進(jìn)了許多空軍場站。隨著我國空軍實力的不斷增強，現(xiàn)役的裝備已經(jīng)不能滿足空軍的作戰(zhàn)需求，各種裝備保障能力的不足也不斷暴露。例如，油庫車為空軍針對通用油料的加注系統(tǒng)，沒用高精細(xì)的過濾設(shè)備，且加油流量??；飛機(jī)管道加油車不具備油料儲存的能力；現(xiàn)役機(jī)場油料補給系統(tǒng)保障能力弱等。

美國空軍在2006年裝備了新一代油料機(jī)動保障系統(tǒng)，又稱為油料全進(jìn)程保障系統(tǒng)或簡稱為FORCE系統(tǒng)，該系統(tǒng)全稱為Fuels Operational Readiness Capability Equipment。通過資料分析，其設(shè)計在技術(shù)上改變了以往以飛機(jī)加油車為加油裝備的使用模式，改用以軟油囊為儲油單元，通過過濾單元、加油單元直接為飛機(jī)進(jìn)行油料加注作業(yè)，避免了因飛機(jī)加油車儲油容量有限而難以實施持續(xù)油料保障的缺陷。在實際使用過程中，該裝備系統(tǒng)也可以通過給飛機(jī)加油車灌油后由飛機(jī)加油車為飛機(jī)進(jìn)行油料加注作業(yè)［3-4］。

通過以上分析可知，空軍現(xiàn)役的油料補給裝備還以車族化發(fā)展為設(shè)計理念，底盤與上裝為一體式結(jié)構(gòu)，底盤的利用率低，整車價格成本高。而美軍的該裝備為模塊化設(shè)計理念，底盤可以重復(fù)多次利用，提高了底盤的利用效率，各模塊的成本也相對較低。

為適應(yīng)現(xiàn)代裝備的發(fā)展需求，新一代遠(yuǎn)程噴氣燃料補給系統(tǒng)的研發(fā)勢在必行。

2 主要研究內(nèi)容

本文結(jié)合油料裝備勤務(wù)理論與地面移動設(shè)備知識理論，主要研究補給系統(tǒng)的組成、組裝及運輸，并對補給系統(tǒng)展開組裝后的性能進(jìn)行了匹配性、安全性設(shè)計計算。

3 主要方案

a.主要組成。

機(jī)場噴氣燃料補給系統(tǒng)（下簡稱補給系統(tǒng)）采用功能模塊加整體自裝卸車的結(jié)構(gòu)形式，由整體自裝卸車、托盤、儲存輸轉(zhuǎn)模塊、噴氣燃料加注模塊、過濾計量模塊、管路附件模塊、偽裝防護(hù)模塊等組成，如圖1所示。

b.展開應(yīng)用模式。

補給系統(tǒng)在展開后可根據(jù)地形特征不同，以靈活的布局方式展開，不同展開方式下均可同時為兩架飛機(jī)進(jìn)行油料補給保障，具體見圖2所示的長方形布局，以及圖3所示的正方形布局。

c.運輸。

補給系統(tǒng)平時收納于過濾計量模塊 、管路附件模塊及偽裝防護(hù)模塊組成輔助模塊、儲存輸轉(zhuǎn)模塊及噴氣燃料加注模塊內(nèi)，可被系統(tǒng)運載底盤分三次運輸?shù)街付ǖ攸c，也可同時被系統(tǒng)運載底盤和普通車輛運輸?shù)街付ǖ攸c。

4 主要系統(tǒng)設(shè)計

a.儲存輸轉(zhuǎn)模塊。

儲存輸轉(zhuǎn)模塊采用方艙的結(jié)構(gòu)形式，由輸油系統(tǒng)、輸油電控系統(tǒng)、軟體油囊、手動吊車、余油回收油囊、輸油膠管、滅火器、導(dǎo)靜電卷盤和方艙等組成，主要用于為噴氣燃料加注模塊輸送燃油，也可用于軟體油囊計量接收運加油車、輸油管線輸送的油料。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

b.噴氣燃料加注模塊。

噴氣燃料加注模塊采用標(biāo)準(zhǔn)方艙的結(jié)構(gòu)形式，由加油系統(tǒng)、氣控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、加油電控系統(tǒng)、輸油軟管及通訊線卷盤、軟管排空設(shè)備（清管器及發(fā)送裝置）、地井接頭、滅火器、導(dǎo)靜電卷盤和軍用方艙等組成。該模塊主要用于接收儲存輸轉(zhuǎn)模塊泵送的噴氣燃料或機(jī)場地下管網(wǎng)輸送的噴氣燃料，經(jīng)過濾、計量后為兩架飛機(jī)或飛機(jī)加油車提供噴氣燃料加注保障，還可進(jìn)行加油膠管余油回抽、排空等專項作業(yè)功能。噴氣燃料加注模塊如圖5所示。

5 匹配性計算

由上述方案可知，機(jī)場遠(yuǎn)程油料補給系統(tǒng)主要由儲存輸轉(zhuǎn)模塊和噴氣燃料加注模塊組成。兩個模塊均以柴油泵機(jī)組內(nèi)的兩套離心泵為動力源共同實現(xiàn)遠(yuǎn)程油料的補給。儲存輸轉(zhuǎn)模塊內(nèi)的泵機(jī)組主要實現(xiàn)噴氣燃料的供給，加注模塊內(nèi)的泵機(jī)組主要實現(xiàn)噴氣燃料的加注。為保證油料補給系統(tǒng)的正常油料保障工作，油料供給及加注系統(tǒng)內(nèi)泵的性能與系統(tǒng)需相互匹配，而泵的主要性能指標(biāo)總揚程取決于油料補給系統(tǒng)的管路阻力損失，根據(jù)管路系統(tǒng)的工作流程，油料補給系統(tǒng)有以下四種工況：

工況一：單槍加油。其流程為：油源→?150軟質(zhì)管路→輸油泵→?150硬質(zhì)管路→補償器→過濾分離器→流量計→球閥→500米?150軟質(zhì)管路→球閥→加油泵→補償器→過濾分離器→流量計→球閥→長20 m的軟管→飛機(jī)壓力加油接頭，以1 500 L/min的流量對單架飛機(jī)進(jìn)行加油。

工況二：雙槍加油。其流程為：油源→?150軟質(zhì)管路→輸油泵→?150硬質(zhì)管路→補償器→過濾分離器→流量計→球閥→500 m ?150軟質(zhì)管路→球閥→加油泵→補償器→過濾分離器→流量計→球閥→長20 m的軟管→飛機(jī)壓力加油接頭，以3 000 L/min的流量對兩架飛機(jī)進(jìn)行雙槍加油。

工況三：油庫吸油到單槍加油。吸油流程為：?150吸油膠管→CRJ接頭→?150球閥→?150硬質(zhì)管路→輸油泵，系統(tǒng)吸油流量1 500 L/min，單槍加油流程見工況一。

工況四：油庫吸油到雙槍加油。吸油流程為：?150吸油膠管→CRJ接頭→?150球閥→?150硬質(zhì)管路→輸油泵，系統(tǒng)吸油流量3 000 L/min，雙槍加油流程見工況二。

綜合分析以上四種工況，相較于其他工況，工況四的管路損失最嚴(yán)重，因此，只要供給系統(tǒng)與加注系統(tǒng)內(nèi)泵的揚程滿足工況四的管路損失需求，即可滿足整個油料補給系統(tǒng)組裝后的油料補給要求。

由工況四知，由于整個補給系統(tǒng)管路復(fù)雜，為便于計算，將管路系統(tǒng)分為雙槍加油系統(tǒng)管路阻力損失和吸油系統(tǒng)管路阻力損失。

在雙槍加油過程中，根據(jù)管道設(shè)計相關(guān)理論知識，管路阻力損失主要包括沿程阻力損失、局部阻力損失和靜壓阻力損失。由流體力學(xué)中的伯努力方程可知，管道系統(tǒng)的總壓力損失應(yīng)為所有沿程壓力損失和所有局部壓力損失之和，即：

吸油過程中的管路系統(tǒng)阻力損失的計算見表1，加油管路系統(tǒng)阻力損失的計算見表2。由表1和表2數(shù)據(jù)可知，吸油至雙槍加油管路總阻力損失h=135.24 m+5.17 m=140.41 m。

根據(jù)表1～表2內(nèi)容，結(jié)合雙泵協(xié)同加油作業(yè)的特點，選定流量為200 m?，揚程為140 m的輸油泵及加油泵。

6 水擊壓力計算

遠(yuǎn)程油料補給系統(tǒng)由油料輸送系統(tǒng)和油料加注系統(tǒng)共同組成，由于加注距離長、輸送壓力大，若設(shè)計不當(dāng)會造成水擊現(xiàn)象的發(fā)生，水擊是壓力管道中一種重要的非恒定流。當(dāng)壓力管道中的流速因外界原因而發(fā)生急劇變化時，會引起液體內(nèi)部壓強迅速交替升降的現(xiàn)象。這種交替升降的壓強作用在管壁、閥門或其他管路元件上好像錘擊一樣，稱為水擊。水擊引發(fā)的壓強升高或降低，有時會達(dá)到很大的數(shù)值，處理不當(dāng)將導(dǎo)致管道系統(tǒng)發(fā)生強烈的振動，甚至引起管道嚴(yán)重變形或爆裂。因此，在本系統(tǒng)的設(shè)計中，必須進(jìn)行水擊壓力計算。

當(dāng)發(fā)生水擊現(xiàn)象時，根據(jù)流體力學(xué)原理，壓力管道中任一點的流速和壓力不僅與該點的位置有關(guān)，而且與時間有關(guān)，這一不穩(wěn)定狀態(tài)將持續(xù)過渡到下一穩(wěn)定狀態(tài)。

設(shè)在水平管內(nèi)取出一段流體，在時間段內(nèi)，水擊波從流體的一邊傳遞到另一邊，水擊波傳播速度為a，所以流體長度為[?L=a?t]。設(shè)原有的流速為[V0]，水擊波通過后的流速為[V0??V]，流速為[?V]。壓強也從原有的[Γh]增大到[γ（H+?H）]，同時流體密度和管道斷面都有相應(yīng)的變化。根據(jù)沖量變化應(yīng)等于動量變化的原理，即：

可以將兩個壓力流量控制器看作兩個閥門，其中需進(jìn)行水擊壓力防護(hù)的管路，包括噴汽燃料加注模塊內(nèi)的壓力流量控制器到過濾分離器出口的管路，以及500 m軟管到過濾計量模塊內(nèi)過濾分離器出口的部分。

a.當(dāng)兩個閥門同時關(guān)閉時，假設(shè)閥門驟關(guān)，則最大壓力升高：

P1max=750×916×2.83=1.94 MPa>1.0 MPa

P2max=750×1 132×2.83=2.4 MPa>1.0 MPa

b.當(dāng)兩個閥門不同時關(guān)閉時，假設(shè)閥門驟關(guān)，則最大壓力升高：

P1max=750×916×1.415=0.97 MPa>0.827 MPa

P2max=750×1 132×1.415=1.2 MPa>0.827 MPa

由上述計算可知，系統(tǒng)在兩個閥門同時關(guān)閉時的水擊壓力遠(yuǎn)高于單閥門關(guān)閉時產(chǎn)生的水擊壓力，因此，本系統(tǒng)管路內(nèi)的兩套閥門需間隔開啟及關(guān)閉，間隔時間按軟管的相長時間乘以安全系數(shù)訂制，可取為2 s。這樣就大幅提高了工作的安全性。從上述數(shù)據(jù)中仍可看出，即使兩個閥門不同時關(guān)閉，系統(tǒng)的水擊壓力還是大于0.827 MPa，故在長輸管路中需必須采取防水擊壓力的措施，以免發(fā)生事故。

7 結(jié)語

補給系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，易于平時儲存，運輸方便，展開后可以為兩架飛機(jī)進(jìn)行噴氣燃料的補給。通過匹配性計算，得出其展開后性能與實際工況相匹配；通過水擊壓力的計算，得出了控制飛機(jī)加油的兩套閥門開關(guān)間隔需大于2 s。

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作者簡介：

王宏泳，男，1983年生，工程師，研究方向為油料保障裝備。