一種新型燃油供輸油系統及其管網分析解決方案

周昌申

（中國航空工業洪都，江西 南昌 330024）

一種新型燃油供輸油系統及其管網分析解決方案

周昌申

（中國航空工業洪都，江西 南昌 330024）

先進的第四、第五代飛機供輸油系統將不再使用“燃油電動泵”，而使用由液壓為動力源的“渦輪泵”供輸油，但因其管網復雜，燃油在管網內流動速度及壓力隨工況變化頻繁，同時，在管網交匯處，流體相互影響及交聯，流動狀況也特別復雜，由此給設計人員對管網系統的分析提出了挑戰。采用非線性方程組求解，可以較易得到管網的特性參數，準確預判存在的缺陷，為驗證設計的合理性提供依據。曾用該方法對某機型供輸油系統（108階非線性方程組）進行分析計算，其結果與實際情況非常吻合。

燃油供輸油系統；渦輪泵；復雜管網

0 引言

目前，先進的第四、五代飛機燃油系統早已不是僅有一些管路及油箱構成，而是具有大量交互聯系的子系統組成，這些子系統相互聯系，又與外部系統有著功能及結構關聯，如發動機燃油供給系統、燃油輸送系統、通氣及增壓系統、加油系統、油量測量及管理系統、輔助功能系統等。但最主要也是最值得深入研究的則是供輸油子系統。成功的設計可以使燃油系統供油壓力及流量滿足發動機需求，同時使飛機重心變化最小、系統效能高，以及形成的系統最小、重量輕等。而燃油系統工作的安全性及可靠性是決定系統設計成敗的決定因素，為滿足不斷發展的飛行器性能要求，本文對新型燃油系統進行了研究。

1 新型燃油供輸油系統

通常，燃油從油箱引出，增壓后供往發動機的途徑：

1）利用油箱與發動機燃油入口的高度差，借助勢能使燃油流入發動機，稱為重力供油；

2）使用安裝在油箱中或管路上的燃油電動泵，將燃油吸入并增壓后供往發動機，稱為電動泵供油。

油箱間的燃油輸送途徑：

1）引用發動機或氣瓶高壓空氣進入油箱，將燃油增壓后輸出，稱為氣體增壓輸油（在油箱強度足夠時使用，如旋轉體形的副油箱）；

2）燃油電動泵輸油；

3）引射泵輸油。

從本世紀初開始，先進飛機供輸油方式起了根本性的變化。新的供輸油系統將不再使用燃油電動泵，而是使用由液壓為動力源的渦輪泵供輸油。因渦輪泵不需要用電，飛機供電系統發生故障時，不影響供輸油系統正常工作，而油箱內不需要鋪設電纜，可減少火災危險。渦輪泵與同樣功率燃油電動泵相比，體積小、重量輕，在結構狹小的部位便于安裝，并且耐高溫，這一點在高超音速飛機燃油系統上特別適用。渦輪泵供輸油原理是供油系統渦輪泵輸出燃油的一部分供發動機消耗，另一部分進入高壓泵（由發動機轉子驅動），進入高壓泵的燃油被進一步增壓，然后引入供油系統渦輪泵以及輸油系統的一系列渦輪泵、引射泵，用作動力源驅動油泵工作，形成閉環液壓回路，吸入油箱中燃油實施增壓供給。由此可見，這種方式工作安全可靠、系統簡單效率高。但燃油在管網內流動相互交聯，狀況特別復雜，需解決流體交聯解偶問題。

2 管網分析解決方案

2.1 數學模型的建立

2.1.1 引射泵的數學模型

對于已設計好的引射泵（引射泵造型是另一個研究領域），有如下關系式：

式中：QB—引射泵入口流量；

QC—引射泵出口流量；

u—引射系數；

PB—引射泵入口壓力；

PC—引射泵出口壓力；

Q—引射流量；

f1—工作噴嘴的出口截面積；

f2—混合室截面積。

2.1.2 高壓泵的數學模型

高壓泵出口的壓力與流量的關系如圖1所示，其出口壓力隨發動機的轉速n升高而升高。通過數學處理，可將曲線擬合成函數關系，一般可通過增加擬合點提高計算精度。假設取6個點，則在不同的發動機轉速ni下，可得出描繪曲線的一系列關系式：

2.1.3 渦輪泵的數學模型

在流量較小時，一般采用引射泵輸油，但如果要求泵出口的流量較大時，則采用渦輪泵供或輸油，因為渦輪泵能提供更大的流量。渦輪泵的效率比引射泵更高。渦輪泵的壓力與流量關系曲線如圖2所示。來自增壓泵的壓力越高，則曲線越往外拓展（遠離原點）。與高壓泵類似，可根據不同增壓壓力得出描繪曲線的一系列關系式：

式（3）也是假設取6個擬合點得到。

2.1.4 管路網

管路以節點為分界，兩節點之間為一段管路。一般管路內的流體流動用伯努利方程描述，即為：

式中：P1—節點1處壓力；

P2—節點2處壓力；

K12—節點1至節點2之間的流量模數；

Q12—管內流量。

綜合上述各數學模型，把變量Pj，Qk用Xi（i=j+ k）取代，則得到各數學模型的一般方程式為：

式中，Xi為所求的未知數，如壓力、流量，如果給定流量，則未知數就是壓力、管徑。

3 數學模型的求解

對于非線性方程組（5）的求解，先考察其可微性，再研究其收斂性等。在實際問題中，向量函數一般是可微的。

對于方程組（5），應用牛頓法可得到下面迭代程序：

式中：n=0,1,2,……，表示矩陣

4 結語

在對某機型供輸油系統（108階非線性方程組）進行分析計算后發現，結果與實際情況非常吻合。實際操作遵循了下述三點：初值給出合理，使其盡可能與根接近；引入松弛因子，擴大收斂域，使初值在該域內；迭代過程中逐漸變大松弛因子，加快收斂速度或引入阻尼因子，克服雅可比矩陣的奇異性或病態性。數學模型建好后，對方程式的先后次序進行周密考慮，使雅克比矩陣主對角線元素占優。

另外，根據精度要求，設定誤差控制常數Ep（兩次迭代數值之差），實例設定Ep=10-6，如精度要求更高，可減小Ep。

[1]丁學仁，蔡高廳.工程中的矩陣理論.天津：天津大學出版社，1985.

[2]華紹曾，楊學寧.實用流體阻力手冊.北京：國防工業出版社，1985.

[3]李詩久.工程流體力學.北京：機械工業出版社，1980.

[4]王德人.非線性方程組解法與最優化方法.北京：人民教育出版社，1979.

[5]索科洛夫，等.噴射器.北京：科學出版社，1997.

[6]列希涅夫，等.中航工業第609研究所譯.飛機燃油系統設計.

>>>作者簡介

周昌申，男，1964年出生，高級工程師，現從事燃油系統專業設計工作。

A sort of new fuel supply/transfer system and the solution for the problem of pipe web

Zhou Changshen
（AVIC-HONGDU，Nanchang,Jiangxi，330024）

The electric fuel pump is not applied for the fuel supply/transfer system of the advanced fourth and fifth generation of aircraft,and the“turbine pump”,driven by the hydraulic pressure,will be used for this purpose.Since there is the complex pipe web,the speed and pressure of fuel will frequently change in the pipe web following with the variation of operating status.Meanwhile,at the cross-link of pipe web,due to the inter-effect and intercross of liquid,the flow of fuel is also significantly complicate,which bring a challenge for the designer on the analysis of pipe web.By using the non-linear equation to solve the problem,the feature parameters of pipe web can be gained easily and the existing defects can be predetermined correctly,so as to provide a reasonable proof for the design. During the practice of this method,the fuel supply/transfer system of one type of aircraft(108 degree non-linear equation)is calculated and analyzed,and the result mostly tallies with the fact.

Fuel supply/transfer system;Turbine pump;Complex pipe web

2017-02-15）