并联构型辅助燃油系统性能分析

【摘 要】本文基于FloMASTER对一种以客舱增压空气作为压力源进行燃油转输的并联构型辅助燃油系统进行了建模。在此基础上，对不同飞行高度下的增压转输性能，以及不同加油压力下的加油性能进行了计算分析。结果表明：随着飞行高度的增大，燃油转输压差增大，辅助油箱完成燃油转输的时间缩短。随着加油压力的提高，辅助油箱完成加油的时间不断缩短，但随着加油压力的升高，完全加油时间缩短的趋势逐渐减小。

【关键词】辅助燃油系统;燃油转输;仿真;民用飞机

中图法分类号： V228.1 文献标识码： A 文章编号： 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

為了增大航程或延长留空时间，除了改进飞机气动性能、发动机性能和原机油箱空间利用率以外，还可以在飞机基本燃油系统以外，增加辅助燃油系统来实现。以B737、A319、ERJ190、世袭1000等民用飞机为例，加装辅助燃油系统的方式是在飞机机身货舱内安装辅助油箱，以存储更多的燃油;通过辅助燃油系统，利用增压空气将辅助油箱中的燃油转输至原机油箱中，供发动机消耗，而非从辅助油箱直接向发动机供油[1]。国内在民机加装辅助油箱方面的研究很少，目前尚无加装辅助油箱的国产民机交付使用。本文拟对并联构型辅助燃油系统进行建模仿真，对其增压转输性能和压力加油性能进行计算分析，为辅助燃油系统的方案设计提供参考。

1 并联构型辅助燃油系统

所谓并联构型辅助燃油系统，是由辅助油箱组中各个辅助油箱以并联的方式连接决定的。辅助油箱组中，相邻的辅助油箱通过油箱上部的气路和油箱下部的油路通道连通。图1为并联构型辅助燃油系统的架构示意图。

（1）增压转输过程描述如下：并联构型辅助燃油系统利用客舱增压空气作为压力源进行燃油转输。辅助油箱组中各油箱的燃油同时向原机油箱进行转输。为了维持燃油从辅助油箱向原机的原机油箱转输所需的压力差，辅助油箱采用闭式通气系统，飞行过程中辅助油箱不与外界大气连通。开启燃油转输时，辅助油箱内的气压为进行压力加油时的环境大气压。燃油增压转输过程的本质是用同体积的增压空气替代从辅助油箱转输出的燃油。燃油转输速率由转输管路限流装置的尺寸、转输管路的流阻与当时客舱空气与外界环境的压差共同决定。

（2）压力加油过程描述如下：辅助油箱加油管路与原机加油管路连接。当进行压力加油时，根据加油量需求，首先对辅助油箱进行加油，然后对原机油箱进行加油。由于辅助油箱组中各油箱并联，当进行压力加油时，各辅助油箱的液面同时上升。进行压力加油时，闭式通气系统正常与外界大气连通。

2 仿真模型

FloMASTER软件是流体一维建模仿真通用工具，以其丰富的模型库和高精度的求解器被广泛应用于飞机燃油系统仿真分析[2]。针对图1所示的并联构型辅助燃油系统，本文基于FloMASTER V9搭建了如图2和图3所示的一维流体仿真模型。

对于增压转输过程，由于巡航阶段持续时间最长，是燃油转输最主要的阶段，本文将标准天双发运行巡航状态（飞行高度为10668m，客舱压力高度为8000ft）作为增压转输的设计点。仿真建模时，客舱增压空气和原机油箱都用压力源模拟，按压力边界处理;油箱用多支路水箱元件模拟，辅助油箱组中各辅助油箱的载油量相同;管路采用可压缩模型;限流孔按流量要求设计;燃油类型为Jet-A。

对于压力加油过程，按照加油时间要求进行管路和限流孔设计。设计工况选为海平面标准天。设计加油压力为50psig。

3 计算结果与分析

3.1 增压转输性能

首先，对设计点10668m进行性能计算，结果如图4和图5所示。图4为6个油箱出口流速随时间的变化曲线，图中，油箱出口流速数值从小到大分别对应油箱1至油箱6，显然这些数值呈现叠加的关系。图5为6个油箱液位高度随时间的变化曲线，可以看出各油箱的燃油是均匀转输的。

为研究不同飞行高度对燃油转输性能的影响，除了10668m，本文选取了4000m、6000m、8000m进行仿真计算，除了压力边界不同，其他计算输入都相同，计算结果如图6和图7所示。图中，纵坐标数值从大到小依次为10668m、8000m、6000m和4000m。由图可见，随着飞行高度的增大，大气压逐渐减小，燃油转输压差增大，各个油箱出油时刻提前，辅助油箱完成燃油转输的时间缩短。但完成燃油转输所需时间的缩短幅度并非与边界出口压力降低幅度成正比，且随着出口边界压力的降低，对应的完成转输所需时间的缩短幅度逐渐减小。

3.2 压力加油性能

在30psig加油压力下，6个油箱油面高度随时间的变化曲线如图8所示。可以看出，各油箱之间差异较小，基本是均匀上升的。

为分析不同加油压力对系统流动特性的影响，分别对加油压力30psig、35psig、40psig、45psig、50psig、55psig进行计算，除了压力进口边界不同以外，其他计算输入都相同，计算结果如图9所示。纵坐标数值由低到高分别对应逐渐增大的加油压力。由图可见，随着加油压力的提高，辅助油箱完成加油的时间不断缩短，但随着加油压力的升高，完全加油时间缩短的趋势逐渐减小。

4 结束语

本文基于FloMASTER对并联构型辅助燃油系统进行了建模仿真，计算分析了辅助燃油系统增压转输性能和压力加油性能，为辅助燃油系统的方案设计提供了参考。

【参考文献】

[1]刘德刚，周宇穗，游胜龙.民用飞机辅助燃油系统研究[J].装备制造技术，2014（9）：156-158.

[2]高广拓.基于Flowmaster软件的飞机燃油系统流体仿真平台构建研究[J].装备制造技术，2014（9）：42-44.作者简介：龚昊（1988—），男，汉族，山东枣庄人，博士，工程师，主要从事飞机燃油系统设计研究。