直升機(jī)壓力加油通氣系統(tǒng)溢油動(dòng)特性研究

楊小龍，謝 增，張 馳

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

通氣系統(tǒng)是直升機(jī)燃油系統(tǒng)的子系統(tǒng)，在機(jī)動(dòng)飛行、加油過程中使燃油箱內(nèi)的空氣壓力保持在允許的范圍內(nèi)。在俯沖和放油過程中進(jìn)氣；在爬升和加油過程中排出空氣；當(dāng)壓力加油失控時(shí)，確保燃油箱內(nèi)不超壓過規(guī)定的要求[1-2]。直升機(jī)通氣系統(tǒng)出口通常安裝有通氣閥以滿足抗墜撞要求[3]。

在地面壓力加油過程中，為防止壓力加油失控時(shí)燃油箱內(nèi)部超壓，有的是在燃油箱上單獨(dú)設(shè)立溢油系統(tǒng)，有的則是通過通氣系統(tǒng)溢油。溢油能力直接影響燃油箱內(nèi)的壓力，如果壓力過大，則容易導(dǎo)致直升機(jī)油箱艙結(jié)構(gòu)變形過大或燃油箱破裂。因此，在通氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)燃油箱內(nèi)的壓力進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。目前，通氣系統(tǒng)的研究主要集中在各種不同工作狀態(tài)下通氣能力的研究[4-8]和壓力加油控制失效時(shí)通氣系統(tǒng)溢油能力[9-10]的研究。呂亞國(guó)[9]、沈燕良[10]等人在進(jìn)行壓力加油控制失效時(shí)通氣系統(tǒng)溢油能力的分析中假定燃油箱為滿油狀態(tài)，處理為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析。這些研究均未涉及到壓力加油燃油箱內(nèi)燃油逐漸充滿再?gòu)耐庀到y(tǒng)溢油的動(dòng)特性。這種動(dòng)特性導(dǎo)致燃油箱內(nèi)最大壓力比穩(wěn)態(tài)的壓力大。而且直升機(jī)燃油箱為軟油箱，燃油箱與通氣系統(tǒng)通常采用局部可變形的結(jié)構(gòu)連接[11]，燃油箱通氣口距離油箱頂部有一空間充不滿燃油，如圖1。因此，本文對(duì)直升機(jī)壓力加油通氣系統(tǒng)溢油動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行探討，并在此基礎(chǔ)上，分析通氣閥流阻特性、壓力加油流量以及通氣口入口位置對(duì)燃油箱壓力的影響。

1 通氣系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

1.1 通氣系統(tǒng)溢油原理

燃油箱通氣系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)流體網(wǎng)絡(luò)，某典型通氣系統(tǒng)簡(jiǎn)化成如圖1所示，由油箱、通氣閥、通氣管、燃油箱壓力加油進(jìn)油口等組成。流體網(wǎng)絡(luò)可分為燃油箱和管網(wǎng)兩部分。燃油箱內(nèi)部包括下部的燃油和上部的空氣兩部分。壓力加油時(shí)，燃油從燃油箱底部進(jìn)入燃油箱，液面逐漸升高，上部的空氣受到壓縮，當(dāng)壓力超過通氣閥的開啟壓力時(shí)，空氣從燃油箱內(nèi)經(jīng)過通氣閥、通氣管流到大氣中；液面逐步升高到燃油箱通氣口出口h位置時(shí)，在燃油箱頂部形成密封空腔，空氣進(jìn)一步受到壓縮，同時(shí)燃油開始通過通氣閥和通氣管流出。

1.2 燃油箱數(shù)學(xué)模型

1.2.1 空氣數(shù)學(xué)方程

油箱內(nèi)上部空氣可用理想氣體絕熱過程方程式(1)和理想氣體狀態(tài)方程(2)來描述[12]。

(1)

PgVg=mRgTg

(2)

式中：Pg為燃油箱氣體壓力；vg為氣體比體積；γ為氣體的比熱容比；Vg為質(zhì)量為m的氣體體積；Rg為氣體常數(shù)；Tg為氣體溫度。

圖1 通氣系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

1.2.2 燃油數(shù)學(xué)方程

當(dāng)燃油液面還沒有淹沒燃油箱通氣口出口時(shí)，燃油可用方程(3)描述。

(3)

當(dāng)燃油液面到達(dá)燃油箱通氣口出口h時(shí)，燃油將部分空氣密封在燃油箱頂部，同時(shí)通過通氣閥和通氣管流出燃油箱，燃油箱頂部密封的空氣被壓縮和膨脹。燃油可用方程(4)、(5)描述。

(4)

(5)

1.2.3 燃油和空氣耦合方程

空氣的體積變化量等于燃油的體積變化量，用方程(6)描述。

(6)

1.3 流體網(wǎng)絡(luò)總體方程組

流體網(wǎng)絡(luò)上任意流體節(jié)點(diǎn)都要滿足連續(xù)方程，對(duì)任意節(jié)點(diǎn)m有：

(7)

1.4 管內(nèi)流體的數(shù)學(xué)模型

1.4.1 管路流通空氣數(shù)學(xué)模型

對(duì)于小流阻的等直徑管路絕熱管流，可以用方程(8)、(9)、(10)來描述[13]。

(8)

K=X1-X2

(9)

(10)

式中：X為根據(jù)連續(xù)方程、運(yùn)動(dòng)方程和能量方程建立的損失參數(shù)；γ為氣體的比熱容比；M為馬赫數(shù)；K為不可壓損失系數(shù)；f為摩擦系數(shù)；L為管路長(zhǎng)度；D為管路直徑。

1.4.2 管路流通燃油數(shù)學(xué)模型

對(duì)于燃油有壓管內(nèi)流體的流動(dòng)，假定為一維流動(dòng)，其瞬態(tài)過程可用一維管流的連續(xù)方程(11)和運(yùn)動(dòng)方程(12)來描述[14]。

(11)

(12)

(13)

(14)

式中：H表示水頭；v表示流速；c表示波速；α表示管軸與水平面的夾角；D表示管道直徑；λ表示Darcy-Weisbach摩阻系數(shù)；ρ表示密度；t表示時(shí)間；x表示管道坐標(biāo)；p表示壓力；A表示管道截面積。

1.5 通氣閥數(shù)學(xué)模型

通氣閥為單向閥，通過空氣和燃油時(shí)的壓降—流量曲線不一樣，分別通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線方程(15)描述。

ΔP=f(Q)

(15)

式中：ΔP為壓降；Q為流量。

仿真時(shí)，當(dāng)燃油液面低于燃油箱通氣口時(shí)，通氣閥和管路按流通空氣的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)燃油液面等于高于燃油箱通氣口時(shí)，通氣閥和管路按流通燃油的數(shù)學(xué)模型。求解時(shí)，首先求解整個(gè)流體網(wǎng)絡(luò)的總體方程組，得到穩(wěn)態(tài)時(shí)候元件的流量、水頭參數(shù)，再進(jìn)行瞬態(tài)過程計(jì)算。

2 壓力加油通氣系統(tǒng)仿真

2.1 仿真計(jì)算模型

本文建立了某典型壓力加油通氣系統(tǒng)溢油的模型，用于壓力加油通氣系統(tǒng)溢油的仿真研究。Flowmaster2軟件航空版中管網(wǎng)按流體性質(zhì)分為可壓縮和不可壓縮兩種。本文主要研究壓力加油通氣系統(tǒng)溢油時(shí)燃油箱內(nèi)的壓力的變化。通氣管流動(dòng)的介質(zhì)先是空氣，然后是燃油。且當(dāng)燃油剛開始淹沒燃油箱出氣口時(shí)，燃油箱上部密封的空氣受到進(jìn)一步壓縮，通過通氣閥的空氣流量很小，燃油流量還未建立，通氣閥有一個(gè)瞬態(tài)的關(guān)閉和開啟過程。因此，將通氣管網(wǎng)分成四根，兩根流通空氣，為可壓縮管網(wǎng)，兩根流通燃油，為不可壓縮管網(wǎng)。通過燃油箱內(nèi)的液位來控制閥門開閉，實(shí)現(xiàn)切換：當(dāng)液位低于油箱通氣口時(shí)，兩根流通空氣的閥門開通，兩根流通燃油的閥門關(guān)閉；當(dāng)液位高于油箱通氣口時(shí)，兩根流通空氣的閥門關(guān)閉，兩根流通燃油的閥門打開。壓力加油流量用恒流量源代替。建立仿真模型如圖2。圖中：元件1為燃油箱，2為恒流量源，元件3、7、11、18為控制閥，元件4、8為流通空氣時(shí)的通氣閥，元件12、19為流通燃油時(shí)的通氣閥，元件6、10、17、24為大氣壓力源，26、29為控制器，31、34為測(cè)量元件，32、33為通氣閥控制器，元件3、4、5、6和7、8、9、10為空氣管路，元件11、12、13、14、15、16、17和18、19、20、21、22、23、24為燃油管路[15]。

2.2 仿真模型驗(yàn)證

如圖2所示模型，壓力加油流量為400L/min。仿真結(jié)果與地面模擬試驗(yàn)結(jié)果如圖3。仿真結(jié)果的壓力從1.076bar上升到1.153bar，隨后下降穩(wěn)定在1.091bar；試驗(yàn)結(jié)果從1.074bar上升到1.147bar，隨后下降穩(wěn)定在1.089bar。仿真和試驗(yàn)結(jié)果的峰值表壓分別為0.153和0.147，誤差為4.1%；穩(wěn)態(tài)值分別為0.091和0.089，誤差為2.3%；表明仿真模型是有效的。試驗(yàn)中燃油箱壓力上升和下降均較慢，仿真與試驗(yàn)曲線峰值時(shí)序差4s，其主要原因是試驗(yàn)過程中燃油箱為軟油箱，油箱艙大面積的薄板結(jié)構(gòu)，在燃油箱內(nèi)燃油和空氣壓力的作用下發(fā)生緩慢變形，導(dǎo)致壓力上升和下降較慢。仿真分析則是將油箱艙設(shè)為剛性結(jié)構(gòu)不變形，壓力上升和下降都較快，并有一小波動(dòng)。

圖2 壓力加油通氣系統(tǒng)溢油仿真模型

圖3 壓力曲線

2.3 壓力加油通氣系統(tǒng)溢油動(dòng)特性分析

燃油箱壓力、液位高度、通氣閥燃油流量、通氣閥開度、通氣閥燃油壓差變化如圖4。

圖4 動(dòng)特性曲線

由圖可知，當(dāng)燃油箱內(nèi)的液面淹沒燃油箱通氣口時(shí)，由于通氣閥對(duì)空氣和燃油的流阻特性不一樣，通氣閥瞬態(tài)關(guān)閉，由于燃油繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，將密封在燃油箱頂部的空氣進(jìn)一步壓縮，同時(shí)通氣閥打開，直至壓力達(dá)到峰值。然后，在空氣膨脹的作用下，燃油液面、燃油箱壓力開始下降，燃油流量會(huì)暫時(shí)加大后減小。最后燃油箱壓力穩(wěn)定在平衡值。

3 參數(shù)影響分析

3.1 通氣閥流阻

在仿真模型中，將通氣閥200L/min時(shí)的流阻分別設(shè)為8.1、9.6、11.1kPa，并分別改變相應(yīng)的壓降—流量曲線，仿真結(jié)果如圖5。由圖可知，流阻越大，燃油箱壓力峰值也越大，穩(wěn)定值也越大。

圖5 通氣閥流阻對(duì)燃油箱壓力的影響

3.2 壓力加油流量

在仿真模型中，將壓力加油流量分別設(shè)為370L/min、400L/min、430L/min，仿真結(jié)果如圖6。由圖可知，流量越大，燃油箱壓力峰值也越大，穩(wěn)定值也越大。

圖6 壓力加油流量對(duì)燃油箱壓力的影響

3.3 燃油箱通氣口位置

在仿真模型中，將燃油箱通氣口位置分別設(shè)為距燃油箱頂部為15、20、25mm，仿真結(jié)果如圖7。由圖可知，距燃油箱頂部的距離越小，壓力峰值越大，即上部密封的空氣起到了緩沖壓力沖擊的作用。

圖7 通氣口距燃油箱頂部距離對(duì)燃油箱壓力的影響

3.4 燃油箱水平截面積

將燃油箱水平截面積分別設(shè)為0.9、1.0、1.1m2，仿真結(jié)果如圖8。由圖可知，水平截面積越大，壓力峰值越小，即上部密封的空氣起到了緩沖壓力沖擊的作用。

圖8 燃油箱水平截面積對(duì)燃油箱壓力的影響

4 結(jié)論

本文構(gòu)建了某典型直升機(jī)壓力加油通氣系統(tǒng)溢油模型，驗(yàn)證了該模型的正確性，并利用所建模型進(jìn)行了一系列仿真分析。結(jié)果表明，在壓力加油通氣系統(tǒng)溢油時(shí)，燃油箱壓力出現(xiàn)尖峰。該尖峰值隨著通氣閥流阻的增大而增大；隨壓力加油流量增大而增大；隨燃油箱通氣口位置距燃油箱頂部的距離減小而加大；隨燃油箱水平截面積增大而減小。利用本文建模和分析方法可直觀地對(duì)通氣系統(tǒng)各元件的壓力、流量等參數(shù)進(jìn)行仿真研究，為部件選型和參數(shù)確定提供參考。