基于AMESim的直升機(jī)不可用燃油量分析

豆騰堯 趙立飛 黃 昆 趙 輝

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

0 引言

燃油系統(tǒng)作為直升機(jī)重要的組成部分之一，其作用是為直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和輔助動(dòng)力單元在飛行全包線范圍內(nèi)，為其提供滿足要求的燃油流量和燃油壓力。在燃油系統(tǒng)中，不可用燃油意味著該部分重量無法提供給發(fā)動(dòng)機(jī)，并且會(huì)浪費(fèi)整體設(shè)計(jì)重量，此外不可用燃油量由于受到增壓泵空間位置的影響，不可用燃油量過大需要重新布置增壓泵位置，甚至重新設(shè)計(jì)油箱，因此油箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要格外關(guān)注不可用油的重量，在設(shè)計(jì)過程中需要對(duì)不可用燃油量進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化。

根據(jù)適航條款及國(guó)軍標(biāo)對(duì)不可用燃油量的要求，不可用燃油量是指在最不利的供油條件下，不考慮燃油系統(tǒng)部件失效，發(fā)動(dòng)機(jī)開始出現(xiàn)不正常工作時(shí)，供油油箱內(nèi)剩余油量。計(jì)算最大不可用燃油量，通常采用切割油箱數(shù)模的方法，即基于燃油系統(tǒng)數(shù)模提取油箱內(nèi)膜面，根據(jù)飛行包線得到最嚴(yán)酷供油狀態(tài)下的直升機(jī)飛行姿態(tài)，對(duì)油箱內(nèi)膜進(jìn)行切割，得到最不利條件下的油面，根據(jù)此時(shí)油面計(jì)算不可用燃油量。其中，最不利供油條件受直升機(jī)俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和過載的影響。宋志強(qiáng)等人基于上述方法對(duì)某民用飛機(jī)的不可用燃油量進(jìn)行了分析；趙士洋根據(jù)該方法，通過綜合考慮過載、迎角、航跡俯仰角等對(duì)油面角的影響，對(duì)某商用飛機(jī)不可用燃油量展開了研究。

上述方法未考慮在動(dòng)態(tài)供油過程中，過載、通氣和飛行姿態(tài)等因素對(duì)油面的影響，在切割油箱過程中，改變?cè)鰤罕梦恢脛t需要重新提取油箱內(nèi)膜，設(shè)置切割平面，工作量較大。在AMESim軟件中，油箱內(nèi)膜數(shù)據(jù)可以導(dǎo)入計(jì)算模型中，可以在模型中調(diào)整吸油口位置坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)增壓泵位置的調(diào)整，不需要重新提取模型，極大地減少了工作量，有助于完成設(shè)計(jì)工作。近年來，AMESim軟件在航空領(lǐng)域燃油系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。韓楊等人使用AMESim軟件建立了燃油惰化系統(tǒng)模型，研究了進(jìn)氣流量、進(jìn)氣富氮?dú)怏w濃度等因素對(duì)燃油箱氧氣濃度的影響。謝麗梅等人使用AMESim軟件計(jì)算了飛機(jī)加油管路壓力沖擊特性，對(duì)加油管路進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析。李波等人搭建了發(fā)動(dòng)機(jī)燃油熱管理系統(tǒng)AMESim模型，計(jì)算了發(fā)動(dòng)機(jī)典型工況下，燃油熱管理系統(tǒng)回油溫度和噴嘴前溫度，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差5℃以內(nèi)，模型置信度很高。

以上研究表明，AMESim軟件可以用于模擬燃油系統(tǒng)供油、通氣等流體流動(dòng)過程，結(jié)果準(zhǔn)確性較高。因此，借助AMESim軟件，本文以某直升機(jī)燃油系統(tǒng)為研究對(duì)象，在AMESim中建立了燃油系統(tǒng)模型，對(duì)直升機(jī)地面、懸停、平飛等狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)供油過程進(jìn)行了仿真計(jì)算，研究了不可用燃油量的變化規(guī)律。

1 燃油系統(tǒng)AMES im仿真模型

直升機(jī)燃油系統(tǒng)包括燃油箱子系統(tǒng)、供油子系統(tǒng)、通氣子系統(tǒng)、回油子系統(tǒng)、壓力加油等子系統(tǒng)。根據(jù)適航條款中的描述，不可用燃油量數(shù)據(jù)主要取決于直升機(jī)最嚴(yán)酷供油過程中飛行姿態(tài)以及增壓泵能夠穩(wěn)定吸油的油面高度，對(duì)燃油系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化的燃油系統(tǒng)由燃油箱、增壓泵、單向閥、供油管路、通氣管路、壓力傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件組成，在AMESim元器件庫中，選擇相應(yīng)元器件搭建供油仿真模型，如圖1所示。

圖1 AMESim燃油系統(tǒng)模型

2 不可用燃油量計(jì)算

2.1 地面狀態(tài)不可用燃油量

在使用AMESim軟件計(jì)算不可用燃油量時(shí)，除了需要設(shè)置直升機(jī)俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、加速度、過載等參數(shù)之外，還需要設(shè)置增壓泵吸油位置，增壓泵的吸油位置決定了增壓泵能否保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，增壓泵吸油口介紹如圖2所示。

圖2 增壓泵吸油區(qū)域介紹

根據(jù)增壓泵廠家提供的數(shù)據(jù)，當(dāng)燃油油面高于增壓泵吸油口底部邊緣5mm時(shí)可以確保為發(fā)動(dòng)機(jī)提供穩(wěn)定的燃油流量和燃油壓力，因此在AMESim模型中，吸油口設(shè)置在吸油口底部邊緣高5mm處。

地面停機(jī)姿態(tài)范圍為俯仰角：0°～1.5°，橫滾角0°，對(duì)停機(jī)狀態(tài)下直升機(jī)供油過程進(jìn)行計(jì)算，不可用燃油量（單位：kg）計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 地面姿態(tài)下不可用燃油量

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，隨著俯仰角增加（低頭為負(fù)，抬頭為正），不可用燃油量出現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是由于增壓泵布置在油箱靠后位置，隨著直升機(jī)抬頭，燃油集聚到附件盤后部，有利于增壓泵吸油，不可用燃油量也隨之降低。

2.2 懸停狀態(tài)不可用燃油量

直升機(jī)懸停狀態(tài)包括懸停和懸停加速，其中懸停姿態(tài)下，俯仰角范圍為-17.5°～+17.5°，橫滾角范圍為-17.5°～+17.5°；懸停加速情況下，懸停加速度為0～2m/s，俯仰角-10.5°，橫滾角為0°。首先計(jì)算懸停狀態(tài)下不可用燃油量（單位：kg）。如表2所示。

表2 懸停狀態(tài)下不可用燃油量

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，在橫滾角不變的情況下，隨著俯仰角不斷增加（直升機(jī)抬頭過程），不可用燃油量出現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)，且不可用燃油量受俯仰角影響較大。根據(jù)增壓泵在油箱中安裝的空間位置，兩個(gè)增壓泵吸油口在油箱靠后的位置，在低頭情況下，燃油積聚于油箱前側(cè)，且隨著低頭角度增加，油液在油箱前部的截面面積不斷增加，最終導(dǎo)致不可用燃油量出現(xiàn)明顯增加趨勢(shì)；而在抬頭條件下，燃油積聚在油箱后部，油面淹沒了吸油口，有利于增壓泵吸油，因此隨著抬頭角度的增加，不可用燃油量同樣出現(xiàn)增加趨勢(shì)，但變化不顯著。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在抬頭角2.5°附近，油箱內(nèi)燃油液面有利于增壓泵吸油，不可用燃油量較小。

在俯仰角一定的條件下，隨著橫滾角不斷增加，不可用燃油量同樣呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，由于增壓泵在左右方向呈對(duì)稱分布，因此橫滾角對(duì)不可用燃油量的影響較小。

計(jì)算懸停加速情況下的不可用燃油量（單位：kg），結(jié)果如表3所示。

表3 懸停加速情況下的不可用燃油量

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，隨著加速度不斷增加，不可用燃油量不斷減小，在低頭情況下，隨著直升機(jī)加速度增加，油箱內(nèi)燃油形成的液面傾角增加，油面向油箱后部延伸，有利于增壓泵吸油，因此不可用燃油量隨著加速度增加不斷減少。

2.3 飛行狀態(tài)不可用燃油量

根據(jù)飛行包線，直升機(jī)前飛姿態(tài)為俯仰角-10.4°，滾轉(zhuǎn)角為0，后飛姿態(tài)下，直升機(jī)俯仰角6°，滾轉(zhuǎn)角為0，前飛與后飛過載系數(shù)均在0～2.5之間，以此為條件，計(jì)算直升機(jī)在飛行狀態(tài)下的不可用燃油量（單位：kg），計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 飛行狀態(tài)下不可用燃油量

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在低頭前飛姿態(tài)下，隨著過載系數(shù)不斷增加，不可用燃油量不斷減少，說明在燃油積聚在油箱前部時(shí)，增加過載使得燃油油面傾角減小，油面向后部延伸，有利于增壓泵吸油。在抬頭情況下，過載對(duì)不可用燃油量幾乎沒有影響，此時(shí)燃油積聚于油箱后部，有利于增壓泵吸油，因此過載對(duì)此時(shí)油面傾角影響不明顯。

3 結(jié)語

在燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，不可用燃油量的計(jì)算會(huì)影響整個(gè)油箱內(nèi)部部件的布置，如果不可用燃油量較多，可能需要重新設(shè)計(jì)燃油箱結(jié)構(gòu)，此外不可用燃油量也會(huì)影響飛行安全，當(dāng)油量較低時(shí)，選擇合適的飛行姿態(tài)有利于增加飛行時(shí)間，因此不可用燃油量的計(jì)算在燃油系統(tǒng)整個(gè)設(shè)計(jì)過程中十分重要。

本文以某直升機(jī)燃油系統(tǒng)為研究對(duì)象，使用AMESim軟件建立了簡(jiǎn)化的燃油系統(tǒng)模型，分別對(duì)直升機(jī)地面狀態(tài)、懸停狀態(tài)和飛行狀態(tài)的不可用燃油量進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，隨著俯仰角與滾轉(zhuǎn)角增加，不可用燃油量呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)，在增壓泵空間布置偏后的情況下，小角度抬頭與加速有利于減少不可用燃油量，而過載因素有利于減少低頭姿態(tài)下的不可用燃油量，對(duì)抬頭姿態(tài)影響不明顯。