民用飛機(jī)輔助燃油箱轉(zhuǎn)輸模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

屈元元，李志萍，方斌，陳曦

(中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

0 前言

隨著全球一體化程度越來(lái)越高，人們對(duì)加大民用飛機(jī)航程的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。現(xiàn)階段，針對(duì)噴氣式公務(wù)機(jī)及部分運(yùn)輸機(jī)，通常在貨艙內(nèi)安裝輔助燃油箱，提升飛機(jī)的載油量[1]。而增加輔助燃油箱之后，應(yīng)充分考慮它對(duì)飛機(jī)商載、重心、系統(tǒng)、操穩(wěn)及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面的影響[2]，尤其是燃油轉(zhuǎn)輸造成的影響。

GAVEL等[3]從飛機(jī)頂層需求對(duì)燃油轉(zhuǎn)輸系統(tǒng)進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)?，F(xiàn)階段，輔助燃油箱的轉(zhuǎn)輸存在壓力轉(zhuǎn)輸及泵抽吸轉(zhuǎn)輸2種常用方式。劉德剛等[4]對(duì)輔助油箱的設(shè)計(jì)布置和安裝進(jìn)行了介紹，對(duì)采用增壓氣體轉(zhuǎn)輸燃油的輔助燃油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了分析。劉勝君[5]對(duì)加裝了輔助油箱的BBJ公務(wù)機(jī)和ACJ公務(wù)機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行了介紹。龔昊[6]通過(guò)改進(jìn)差分進(jìn)化算法，提出了輔助燃油系統(tǒng)燃油轉(zhuǎn)輸參數(shù)優(yōu)化計(jì)算方法，對(duì)燃油轉(zhuǎn)輸參數(shù)方案進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算。姚莉君[7]基于Flowmaster軟件計(jì)算了輔助燃油箱客艙增壓轉(zhuǎn)輸性能。然而，由于輔助燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、影響因素眾多，采用地面模擬試驗(yàn)對(duì)其轉(zhuǎn)輸功能及性能進(jìn)行研究是一種便捷且可靠的方式。

本文作者從系統(tǒng)組成、工作原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面對(duì)典型的民用飛機(jī)輔助燃油箱轉(zhuǎn)輸模擬系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 基本組成

典型民用飛機(jī)輔助燃油箱轉(zhuǎn)輸模擬系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)主要包括以下部分：

(1)油箱托架：用于安裝油箱，并能模擬飛機(jī)的俯仰角；

(2)模擬油箱(包括輔助油箱及基本油箱)；

(3)壓力加油模擬系統(tǒng)：用于模擬地面加油車，向油箱進(jìn)行加油；

(4)高度模擬系統(tǒng)：用于調(diào)節(jié)油箱內(nèi)氣相空間壓力，進(jìn)行壓力轉(zhuǎn)輸；

(5)抽吸轉(zhuǎn)輸模擬系統(tǒng)：模擬轉(zhuǎn)輸泵進(jìn)行抽吸轉(zhuǎn)輸；

(6)耗油模擬系統(tǒng)：模擬飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)耗油；

(7)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：對(duì)典型位置的壓力、溫度、流量、俯仰角等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。

此外，還需與真空泵、油庫(kù)等配套設(shè)備配合使用。具體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)基本構(gòu)成

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)原理如圖2所示。此系統(tǒng)可針對(duì)不同數(shù)量(此試驗(yàn)臺(tái)為5個(gè))、不同連接形式(串聯(lián)或并聯(lián))的輔助油箱開(kāi)展壓力轉(zhuǎn)輸及泵抽吸轉(zhuǎn)輸2種形式的轉(zhuǎn)輸驗(yàn)證試驗(yàn)。其中，油箱連接形式通過(guò)切換油箱連接管路閥門實(shí)現(xiàn)；轉(zhuǎn)輸形式的切換通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)：

開(kāi)展壓力轉(zhuǎn)輸試驗(yàn)時(shí)，將轉(zhuǎn)輸管路閥門切換到壓力轉(zhuǎn)輸狀態(tài)。配合真空泵，通過(guò)控制系統(tǒng)分別調(diào)節(jié)輔助油箱穩(wěn)壓罐及基本油箱穩(wěn)壓罐內(nèi)的壓力。由于上述穩(wěn)壓罐分別與輔助油箱和基本油箱相連，因此可以調(diào)節(jié)油箱內(nèi)的氣相空間壓力，模擬飛機(jī)的引氣壓力。當(dāng)輔助油箱內(nèi)氣相空間壓力大于基本油箱時(shí)，燃油便在壓差的作用下轉(zhuǎn)輸?shù)交居拖洹４嗽囼?yàn)臺(tái)可調(diào)節(jié)的壓力范圍為地面大氣壓至17 kPa(約12 000 m高度大氣壓)。

開(kāi)展泵抽吸轉(zhuǎn)輸試驗(yàn)時(shí)，將轉(zhuǎn)輸管路閥門切換到泵抽吸轉(zhuǎn)輸狀態(tài)。通過(guò)控制系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)輸泵的頻率或者流量調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，便可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)輸流量，模擬真實(shí)飛機(jī)轉(zhuǎn)輸泵在不同階段的轉(zhuǎn)輸流量。此試驗(yàn)臺(tái)可模擬的轉(zhuǎn)輸流量為300～3 000 kg/h。

加油模擬系統(tǒng)與油庫(kù)及煤油泵配合使用，通過(guò)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)加油壓力，模擬不同壓力、不同連接構(gòu)型下的加油性能。此試驗(yàn)臺(tái)可模擬的加油壓力為200～380 kPa。

耗油模擬系統(tǒng)與油庫(kù)配合使用，通過(guò)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)耗油流量，模擬真實(shí)飛機(jī)在各階段的耗油流量。

此外，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入基本油箱的轉(zhuǎn)輸管路高度擋位，還能設(shè)置不同的轉(zhuǎn)輸高度，驗(yàn)證轉(zhuǎn)輸入口高度對(duì)燃油轉(zhuǎn)輸?shù)挠绊?。在輔助油箱串聯(lián)構(gòu)型下，通過(guò)專用機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)各油箱內(nèi)部轉(zhuǎn)輸管路距油箱頂部的距離，驗(yàn)證該距離對(duì)串聯(lián)構(gòu)型下多個(gè)輔助油箱內(nèi)燃油分布的影響。

圖2 系統(tǒng)原理

輔助油箱與基本油箱內(nèi)安裝液位計(jì)及溫度傳感器，且同時(shí)在上、下2處安裝壓力傳感器，用于監(jiān)測(cè)氣相空間及底部燃油的壓力。在轉(zhuǎn)輸管路的典型位置安裝溫度傳感器及流量計(jì)，監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)輸流量計(jì)燃油溫度。此外，考慮到壓力轉(zhuǎn)輸與泵抽吸轉(zhuǎn)輸時(shí)，管路內(nèi)燃油壓力會(huì)顯著不同，設(shè)置了2套不同量程的壓力傳感器，安裝于轉(zhuǎn)輸管路上典型位置。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括油箱托架、模擬油箱及其管路附件。

(1)油箱托架

油箱托架為可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)臺(tái)面角度的平臺(tái)，其上安裝有模擬油箱。油箱托架轉(zhuǎn)軸設(shè)置在托架正中間，使得托架在正反橫滾角作動(dòng)時(shí)高度變化最小。此外，將作動(dòng)筒安裝于轉(zhuǎn)軸與托架邊緣的中間位置，進(jìn)一步減小油箱托架支撐結(jié)構(gòu)的高度。最終，托架臺(tái)面尺寸為10.5 m×2.7 m，臺(tái)面距地面高度為1.8 m。托架的設(shè)計(jì)承載能力大于12×103N，按3倍安全系數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度校核。

油箱托架的運(yùn)動(dòng)使用液壓油源，通過(guò)伺服控制器閉環(huán)調(diào)節(jié)試驗(yàn)管網(wǎng)中的流量、壓力等各項(xiàng)指標(biāo)。每組伺服控制器由閥體、液壓伺服作動(dòng)器、位移傳感器及數(shù)字式調(diào)節(jié)器組成，通過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)，保證閥門的開(kāi)度、開(kāi)口面積與所控制的參數(shù)成線性關(guān)系[8]。其工作原理如圖3所示。其中，調(diào)節(jié)閥是滿足控制要求的核心部件，其選型有2個(gè)基本要求：(1)響應(yīng)速度；(2)保證閥門的開(kāi)度、開(kāi)口面積與控制流量成線性關(guān)系。

圖3 伺服控制器工作原理

(2)油箱連接形式設(shè)計(jì)

由于輔助油箱通常為多個(gè)油箱，其連接一般存在串聯(lián)及并聯(lián)2種形式，因此，在輔助油箱間設(shè)置多組管路。試驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門，切換到相應(yīng)的管路，即可實(shí)現(xiàn)不同連接構(gòu)型的快速切換，詳見(jiàn)圖4、5。

考慮到飛機(jī)基本油箱與輔助油箱之間存在高度差，將轉(zhuǎn)輸管路進(jìn)入基本油箱的入口設(shè)計(jì)為多組高度構(gòu)型，分別為0、0.5、1.0、1.5 m，通過(guò)閥門的調(diào)節(jié)可快速切換，詳見(jiàn)圖6。

圖4 輔助油箱串聯(lián)構(gòu)型示意

圖6 基本油箱轉(zhuǎn)輸管路入口示意

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)油箱托架控制

油箱托架控制系統(tǒng)根據(jù)輸入的預(yù)定角度，通過(guò)內(nèi)部計(jì)算分析，輸出相應(yīng)的電信號(hào)給托架驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電液伺服閥和溢流閥，托架驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)電信號(hào)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的作動(dòng)筒控制托架臺(tái)面轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)的角度，安裝在托架上的傾角傳感器用于實(shí)時(shí)測(cè)量托架臺(tái)面的角度反饋給控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)油箱托架的角度閉環(huán)控制。油箱托架控制原理示意如圖7所示。

(2)調(diào)節(jié)閥控制

典型的民用飛機(jī)輔助燃油箱轉(zhuǎn)輸模擬系統(tǒng)主要涉及壓力及流量的控制，兩者均使用閉環(huán)PID控制，壓力控制原理如圖8所示。

圖8 壓力控制原理示意

PID控制是基于給定值和測(cè)量值的偏差控制，設(shè)第k次采樣時(shí)刻的偏差[9]為

e(k)=rsv(k)-ypv(k)

(1)

則PID控制器數(shù)學(xué)關(guān)系式表示如下：

u(k)=

(2)

式中：rsv(k)為設(shè)定值；ypv(k)為反饋值；T為采樣周期；u(k)為控制量；Kp為比例控制系數(shù)；Ti為積分時(shí)間；Td為微分時(shí)間；e(k-1)為第k-1 采樣時(shí)刻的偏差值。

控制系統(tǒng)硬件由控制計(jì)算機(jī)、NI采集卡、信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)等構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)實(shí)時(shí)采集壓力傳感器及流量計(jì)電信號(hào)(4～20 mA電流反饋)。該信號(hào)經(jīng)PID控制程序計(jì)算，輸出相應(yīng)的控制電壓，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作動(dòng)，從而完成壓力或流量的閉環(huán)控制。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照上述設(shè)計(jì)，研制集成整套典型民用飛機(jī)輔助燃油箱轉(zhuǎn)輸模擬系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)系統(tǒng)中的主要參數(shù)進(jìn)行了調(diào)試驗(yàn)證，如下：

(1)托架控制系統(tǒng)通過(guò)液壓作動(dòng)筒能快速驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)托架進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)，角度控制為-5.6°～10.1°，控制精度約±0.1°，如圖9所示。

(2)系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)狀況下均能穩(wěn)定控制壓力，控制精度優(yōu)于±1 kPa(±1%F.S)，如圖10、11所示；

(3)泵抽吸流量控制系統(tǒng)能穩(wěn)定控制轉(zhuǎn)輸流量，流量調(diào)節(jié)為300～3 000 kg/h；控制精度優(yōu)于±3 kg/h(±1%F.S)，如圖12所示。

圖9 油箱托架角度控制

圖10 油箱壓力控制曲線

圖11 串聯(lián)構(gòu)型壓力轉(zhuǎn)輸曲線

圖12 串聯(lián)構(gòu)型泵抽吸轉(zhuǎn)輸曲線

4 結(jié)論

文中針對(duì)典型的民用飛機(jī)輔助燃油箱轉(zhuǎn)輸模擬系統(tǒng)試驗(yàn)，從系統(tǒng)組成、工作原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一套完整的地面試驗(yàn)平臺(tái)。并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，表明該試驗(yàn)平臺(tái)在托架角度控制、油箱壓力控制、轉(zhuǎn)輸流量控制等方面響應(yīng)快速、控制精準(zhǔn)，各項(xiàng)指標(biāo)均較為優(yōu)越，可為民用飛機(jī)輔助油箱系統(tǒng)的研制提供有力的技術(shù)支持。