并聯構型輔助燃油系統性能分析

【摘 要】本文基于FloMASTER對一種以客艙增壓空氣作為壓力源進行燃油轉輸的并聯構型輔助燃油系統進行了建模。在此基礎上，對不同飛行高度下的增壓轉輸性能，以及不同加油壓力下的加油性能進行了計算分析。結果表明：隨著飛行高度的增大，燃油轉輸壓差增大，輔助油箱完成燃油轉輸的時間縮短。隨著加油壓力的提高，輔助油箱完成加油的時間不斷縮短，但隨著加油壓力的升高，完全加油時間縮短的趨勢逐漸減小。

【關鍵詞】輔助燃油系統;燃油轉輸;仿真;民用飛機

中圖法分類號： V228.1 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）11-0007-002

【Abstract】A parallel configuration auxiliary fuel system was modeled based on FloMASTER. The pressurized cabin air was used as the pressure source for fuel transfer. On this basis， the pressured transfer performance at different flight altitudes and the refueling performance at different refueling pressures were calculated and analyzed. The results show that with the increase of flight altitude， the pressure difference of fuel transfer increases， and the time for auxiliary fuel tank to complete fuel transfer is shortened. With the increase of the refueling pressure， the time for auxiliary fuel tank to complete refueling is shortened. However， The extent of time reduction is gradually weakened.

【Key words】Auxiliary fuel system; Fuel transfer; Simulation; Civil aircraft

為了增大航程或延長留空時間，除了改進飛機氣動性能、發動機性能和原機油箱空間利用率以外，還可以在飛機基本燃油系統以外，增加輔助燃油系統來實現。以B737、A319、ERJ190、世襲1000等民用飛機為例，加裝輔助燃油系統的方式是在飛機機身貨艙內安裝輔助油箱，以存儲更多的燃油;通過輔助燃油系統，利用增壓空氣將輔助油箱中的燃油轉輸至原機油箱中，供發動機消耗，而非從輔助油箱直接向發動機供油[1]。國內在民機加裝輔助油箱方面的研究很少，目前尚無加裝輔助油箱的國產民機交付使用。本文擬對并聯構型輔助燃油系統進行建模仿真，對其增壓轉輸性能和壓力加油性能進行計算分析，為輔助燃油系統的方案設計提供參考。

1 并聯構型輔助燃油系統

所謂并聯構型輔助燃油系統，是由輔助油箱組中各個輔助油箱以并聯的方式連接決定的。輔助油箱組中，相鄰的輔助油箱通過油箱上部的氣路和油箱下部的油路通道連通。圖1為并聯構型輔助燃油系統的架構示意圖。

（1）增壓轉輸過程描述如下：并聯構型輔助燃油系統利用客艙增壓空氣作為壓力源進行燃油轉輸。輔助油箱組中各油箱的燃油同時向原機油箱進行轉輸。為了維持燃油從輔助油箱向原機的原機油箱轉輸所需的壓力差，輔助油箱采用閉式通氣系統，飛行過程中輔助油箱不與外界大氣連通。開啟燃油轉輸時，輔助油箱內的氣壓為進行壓力加油時的環境大氣壓。燃油增壓轉輸過程的本質是用同體積的增壓空氣替代從輔助油箱轉輸出的燃油。燃油轉輸速率由轉輸管路限流裝置的尺寸、轉輸管路的流阻與當時客艙空氣與外界環境的壓差共同決定。

（2）壓力加油過程描述如下：輔助油箱加油管路與原機加油管路連接。當進行壓力加油時，根據加油量需求，首先對輔助油箱進行加油，然后對原機油箱進行加油。由于輔助油箱組中各油箱并聯，當進行壓力加油時，各輔助油箱的液面同時上升。進行壓力加油時，閉式通氣系統正常與外界大氣連通。

2 仿真模型

FloMASTER軟件是流體一維建模仿真通用工具，以其豐富的模型庫和高精度的求解器被廣泛應用于飛機燃油系統仿真分析[2]。針對圖1所示的并聯構型輔助燃油系統，本文基于FloMASTER V9搭建了如圖2和圖3所示的一維流體仿真模型。

對于增壓轉輸過程，由于巡航階段持續時間最長，是燃油轉輸最主要的階段，本文將標準天雙發運行巡航狀態（飛行高度為10668m，客艙壓力高度為8000ft）作為增壓轉輸的設計點。仿真建模時，客艙增壓空氣和原機油箱都用壓力源模擬，按壓力邊界處理;油箱用多支路水箱元件模擬，輔助油箱組中各輔助油箱的載油量相同;管路采用可壓縮模型;限流孔按流量要求設計;燃油類型為Jet-A。

對于壓力加油過程，按照加油時間要求進行管路和限流孔設計。設計工況選為海平面標準天。設計加油壓力為50psig。

3 計算結果與分析

3.1 增壓轉輸性能

首先，對設計點10668m進行性能計算，結果如圖4和圖5所示。圖4為6個油箱出口流速隨時間的變化曲線，圖中，油箱出口流速數值從小到大分別對應油箱1至油箱6，顯然這些數值呈現疊加的關系。圖5為6個油箱液位高度隨時間的變化曲線，可以看出各油箱的燃油是均勻轉輸的。

為研究不同飛行高度對燃油轉輸性能的影響，除了10668m，本文選取了4000m、6000m、8000m進行仿真計算，除了壓力邊界不同，其他計算輸入都相同，計算結果如圖6和圖7所示。圖中，縱坐標數值從大到小依次為10668m、8000m、6000m和4000m。由圖可見，隨著飛行高度的增大，大氣壓逐漸減小，燃油轉輸壓差增大，各個油箱出油時刻提前，輔助油箱完成燃油轉輸的時間縮短。但完成燃油轉輸所需時間的縮短幅度并非與邊界出口壓力降低幅度成正比，且隨著出口邊界壓力的降低，對應的完成轉輸所需時間的縮短幅度逐漸減小。

3.2 壓力加油性能

在30psig加油壓力下，6個油箱油面高度隨時間的變化曲線如圖8所示。可以看出，各油箱之間差異較小，基本是均勻上升的。

為分析不同加油壓力對系統流動特性的影響，分別對加油壓力30psig、35psig、40psig、45psig、50psig、55psig進行計算，除了壓力進口邊界不同以外，其他計算輸入都相同，計算結果如圖9所示。縱坐標數值由低到高分別對應逐漸增大的加油壓力。由圖可見，隨著加油壓力的提高，輔助油箱完成加油的時間不斷縮短，但隨著加油壓力的升高，完全加油時間縮短的趨勢逐漸減小。

4 結束語

本文基于FloMASTER對并聯構型輔助燃油系統進行了建模仿真，計算分析了輔助燃油系統增壓轉輸性能和壓力加油性能，為輔助燃油系統的方案設計提供了參考。

【參考文獻】

[1]劉德剛，周宇穗，游勝龍.民用飛機輔助燃油系統研究[J].裝備制造技術，2014（9）：156-158.

[2]高廣拓.基于Flowmaster軟件的飛機燃油系統流體仿真平臺構建研究[J].裝備制造技術，2014（9）：42-44.作者簡介：龔昊（1988—），男，漢族，山東棗莊人，博士，工程師，主要從事飛機燃油系統設計研究。