一種遠程噴氣燃料補給系統設計

王宏泳 李華垚 季曉亮

摘要：遠程噴氣燃料補給系統（下稱補給系統）主要用于在機場、公路、飛機跑道等條件下為飛機提供噴氣燃料的接收、輸轉、儲存、加注等；補給系統采用模塊化設計，由整體自裝卸車、托盤、儲存輸轉模塊、噴氣燃料加注模塊、過濾計量模塊、管路附件模塊、偽裝防護模塊等組成，展開組裝后可以為飛機進行遠程油料補給。基于此，圍繞遠程油料補給系統的組成、模塊化結構設計進行深入的分析，并對系統組裝后的匹配性、水擊壓力等進行設計計算。

關鍵詞：噴氣燃料補給系統；模塊；水擊壓力

中圖分類號：U463? 收稿日期：2023-04-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.05.012

1 國內外情況

在機場設備無法正常進行油料補給任務時，為了給飛機提供應急噴氣燃料保障，需緊急啟用備用設備，機場遠程油料補給系統便是為飛機進行緊急油料補給而設計的［1-2］。

近年來，隨著空軍現代化的發展，航空油料保障的模式和裝備也有了很大的變化，多功能管道加油車、輸油管線、油庫車、機場油料補給系統等保障裝備走進了許多空軍場站。隨著我國空軍實力的不斷增強，現役的裝備已經不能滿足空軍的作戰需求，各種裝備保障能力的不足也不斷暴露。例如，油庫車為空軍針對通用油料的加注系統，沒用高精細的過濾設備，且加油流量小；飛機管道加油車不具備油料儲存的能力；現役機場油料補給系統保障能力弱等。

美國空軍在2006年裝備了新一代油料機動保障系統，又稱為油料全進程保障系統或簡稱為FORCE系統，該系統全稱為Fuels Operational Readiness Capability Equipment。通過資料分析，其設計在技術上改變了以往以飛機加油車為加油裝備的使用模式，改用以軟油囊為儲油單元，通過過濾單元、加油單元直接為飛機進行油料加注作業，避免了因飛機加油車儲油容量有限而難以實施持續油料保障的缺陷。在實際使用過程中，該裝備系統也可以通過給飛機加油車灌油后由飛機加油車為飛機進行油料加注作業［3-4］。

通過以上分析可知，空軍現役的油料補給裝備還以車族化發展為設計理念，底盤與上裝為一體式結構，底盤的利用率低，整車價格成本高。而美軍的該裝備為模塊化設計理念，底盤可以重復多次利用，提高了底盤的利用效率，各模塊的成本也相對較低。

為適應現代裝備的發展需求，新一代遠程噴氣燃料補給系統的研發勢在必行。

2 主要研究內容

本文結合油料裝備勤務理論與地面移動設備知識理論，主要研究補給系統的組成、組裝及運輸，并對補給系統展開組裝后的性能進行了匹配性、安全性設計計算。

3 主要方案

a.主要組成。

機場噴氣燃料補給系統（下簡稱補給系統）采用功能模塊加整體自裝卸車的結構形式，由整體自裝卸車、托盤、儲存輸轉模塊、噴氣燃料加注模塊、過濾計量模塊、管路附件模塊、偽裝防護模塊等組成，如圖1所示。

b.展開應用模式。

補給系統在展開后可根據地形特征不同，以靈活的布局方式展開，不同展開方式下均可同時為兩架飛機進行油料補給保障，具體見圖2所示的長方形布局，以及圖3所示的正方形布局。

c.運輸。

補給系統平時收納于過濾計量模塊 、管路附件模塊及偽裝防護模塊組成輔助模塊、儲存輸轉模塊及噴氣燃料加注模塊內，可被系統運載底盤分三次運輸到指定地點，也可同時被系統運載底盤和普通車輛運輸到指定地點。

4 主要系統設計

a.儲存輸轉模塊。

儲存輸轉模塊采用方艙的結構形式，由輸油系統、輸油電控系統、軟體油囊、手動吊車、余油回收油囊、輸油膠管、滅火器、導靜電卷盤和方艙等組成，主要用于為噴氣燃料加注模塊輸送燃油，也可用于軟體油囊計量接收運加油車、輸油管線輸送的油料。具體結構如圖4所示。

b.噴氣燃料加注模塊。

噴氣燃料加注模塊采用標準方艙的結構形式，由加油系統、氣控系統、液壓系統、加油電控系統、輸油軟管及通訊線卷盤、軟管排空設備（清管器及發送裝置）、地井接頭、滅火器、導靜電卷盤和軍用方艙等組成。該模塊主要用于接收儲存輸轉模塊泵送的噴氣燃料或機場地下管網輸送的噴氣燃料，經過濾、計量后為兩架飛機或飛機加油車提供噴氣燃料加注保障，還可進行加油膠管余油回抽、排空等專項作業功能。噴氣燃料加注模塊如圖5所示。

5 匹配性計算

由上述方案可知，機場遠程油料補給系統主要由儲存輸轉模塊和噴氣燃料加注模塊組成。兩個模塊均以柴油泵機組內的兩套離心泵為動力源共同實現遠程油料的補給。儲存輸轉模塊內的泵機組主要實現噴氣燃料的供給，加注模塊內的泵機組主要實現噴氣燃料的加注。為保證油料補給系統的正常油料保障工作，油料供給及加注系統內泵的性能與系統需相互匹配，而泵的主要性能指標總揚程取決于油料補給系統的管路阻力損失，根據管路系統的工作流程，油料補給系統有以下四種工況：

工況一：單槍加油。其流程為：油源→?150軟質管路→輸油泵→?150硬質管路→補償器→過濾分離器→流量計→球閥→500米?150軟質管路→球閥→加油泵→補償器→過濾分離器→流量計→球閥→長20 m的軟管→飛機壓力加油接頭，以1 500 L/min的流量對單架飛機進行加油。

工況二：雙槍加油。其流程為：油源→?150軟質管路→輸油泵→?150硬質管路→補償器→過濾分離器→流量計→球閥→500 m ?150軟質管路→球閥→加油泵→補償器→過濾分離器→流量計→球閥→長20 m的軟管→飛機壓力加油接頭，以3 000 L/min的流量對兩架飛機進行雙槍加油。

工況三：油庫吸油到單槍加油。吸油流程為：?150吸油膠管→CRJ接頭→?150球閥→?150硬質管路→輸油泵，系統吸油流量1 500 L/min，單槍加油流程見工況一。

工況四：油庫吸油到雙槍加油。吸油流程為：?150吸油膠管→CRJ接頭→?150球閥→?150硬質管路→輸油泵，系統吸油流量3 000 L/min，雙槍加油流程見工況二。

綜合分析以上四種工況，相較于其他工況，工況四的管路損失最嚴重，因此，只要供給系統與加注系統內泵的揚程滿足工況四的管路損失需求，即可滿足整個油料補給系統組裝后的油料補給要求。

由工況四知，由于整個補給系統管路復雜，為便于計算，將管路系統分為雙槍加油系統管路阻力損失和吸油系統管路阻力損失。

在雙槍加油過程中，根據管道設計相關理論知識，管路阻力損失主要包括沿程阻力損失、局部阻力損失和靜壓阻力損失。由流體力學中的伯努力方程可知，管道系統的總壓力損失應為所有沿程壓力損失和所有局部壓力損失之和，即：

吸油過程中的管路系統阻力損失的計算見表1，加油管路系統阻力損失的計算見表2。由表1和表2數據可知，吸油至雙槍加油管路總阻力損失h=135.24 m+5.17 m=140.41 m。

根據表1～表2內容，結合雙泵協同加油作業的特點，選定流量為200 m?，揚程為140 m的輸油泵及加油泵。

6 水擊壓力計算

遠程油料補給系統由油料輸送系統和油料加注系統共同組成，由于加注距離長、輸送壓力大，若設計不當會造成水擊現象的發生，水擊是壓力管道中一種重要的非恒定流。當壓力管道中的流速因外界原因而發生急劇變化時，會引起液體內部壓強迅速交替升降的現象。這種交替升降的壓強作用在管壁、閥門或其他管路元件上好像錘擊一樣，稱為水擊。水擊引發的壓強升高或降低，有時會達到很大的數值，處理不當將導致管道系統發生強烈的振動，甚至引起管道嚴重變形或爆裂。因此，在本系統的設計中，必須進行水擊壓力計算。

當發生水擊現象時，根據流體力學原理，壓力管道中任一點的流速和壓力不僅與該點的位置有關，而且與時間有關，這一不穩定狀態將持續過渡到下一穩定狀態。

設在水平管內取出一段流體，在時間段內，水擊波從流體的一邊傳遞到另一邊，水擊波傳播速度為a，所以流體長度為[?L=a?t]。設原有的流速為[V0]，水擊波通過后的流速為[V0??V]，流速為[?V]。壓強也從原有的[Γh]增大到[γ（H+?H）]，同時流體密度和管道斷面都有相應的變化。根據沖量變化應等于動量變化的原理，即：

可以將兩個壓力流量控制器看作兩個閥門，其中需進行水擊壓力防護的管路，包括噴汽燃料加注模塊內的壓力流量控制器到過濾分離器出口的管路，以及500 m軟管到過濾計量模塊內過濾分離器出口的部分。

a.當兩個閥門同時關閉時，假設閥門驟關，則最大壓力升高：

P1max=750×916×2.83=1.94 MPa>1.0 MPa

P2max=750×1 132×2.83=2.4 MPa>1.0 MPa

b.當兩個閥門不同時關閉時，假設閥門驟關，則最大壓力升高：

P1max=750×916×1.415=0.97 MPa>0.827 MPa

P2max=750×1 132×1.415=1.2 MPa>0.827 MPa

由上述計算可知，系統在兩個閥門同時關閉時的水擊壓力遠高于單閥門關閉時產生的水擊壓力，因此，本系統管路內的兩套閥門需間隔開啟及關閉，間隔時間按軟管的相長時間乘以安全系數訂制，可取為2 s。這樣就大幅提高了工作的安全性。從上述數據中仍可看出，即使兩個閥門不同時關閉，系統的水擊壓力還是大于0.827 MPa，故在長輸管路中需必須采取防水擊壓力的措施，以免發生事故。

7 結語

補給系統采用模塊化設計，易于平時儲存，運輸方便，展開后可以為兩架飛機進行噴氣燃料的補給。通過匹配性計算，得出其展開后性能與實際工況相匹配；通過水擊壓力的計算，得出了控制飛機加油的兩套閥門開關間隔需大于2 s。

參考文獻：

［1］蘇樂壽離心泵手冊［M］上海：上海科技文獻出版社，1995.

［2］左健民液壓與氣壓傳動［M］北京：機械工業出版社，2000.

［3］徐文燦氣動元件與系統設計［M］北京：北京機械工業出版社，1995.

［4］盛敬超工程流體力學［M］北京：北京機械工業出版社，1988.

作者簡介：

王宏泳，男，1983年生，工程師，研究方向為油料保障裝備。