（人机与环境工程专业论文）飞机燃油系统计算研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t b a s i cp r o b l e m so fd e s i g na n dv a l i d a t i o no fa i r p l a n ef u e ls y s t e mh a v eb e e na n a l y z e d b a s e do nt h i s ，t h ek e yt e c h n o l o g i e sh a v eb e e ns t u d i e d o n ef l u i dn e t w o r ka l g o r i t h m f u rf u e ls y s t e ma n dc h a r a c t e r i s t i cc a l c u l a t i o nm o d e lo f e l e m e n t sh a sb e e nb u i l t a tl a s t ， v a l i d a t i o nh a sb e e nd o n ef o rac e r t a i na i r p l a n ef u e ls y s t e mu s i n gt h ed e v e l o p e d s i m u l a t i o np r o g r a m af l u i dn e t w o r k a l g o r i t h m i s p r e s e n t e d i t d i v i d e st h ef u e l s y s t e m i n t o c o r r e s p o n d i n ge t e m e n t sa n dn o d e s f u e ls y s t e mc o u l db ed e s c r i b e db yl i m i t e dk i n d s o f e l e m e n t sa n df l u i d s b a s e do nt h ed e s i g nc o n c e p t so ft h et y p i c a le l e m e n t ，a l lt h ea l g o r i t h mf u re l e m e n t s h a v eb e e ne s t a b l i s h e da n dt h ec o m m o na n dt y p i c a le l e m e n tl i b r a r yf u ra i r p l a n ef u e l s y s t e mh a v eb e e nb u i r t h ec a l c u l a t i n gm e t h o do fg r a d u a l l yr e d u c i n gt h er e m n a n t so ft h eb o d e si su s e dt o d e a lw i t ht h en e t w o r k t h i st e c h n i q u eh a ss i g n i f i c a n td i s t i n g u i s h i n gf e a t u r e si n u n i v e r s a l i t y a n ds i m p l i c i t yo fo p e r a t i o n t h ec a l c u l a t i n gp r o c e s si ss t e a d ya n d c o n v e r g e n tw e l l e s p e c i a l l y ，t h ef u e l t r a n s f e rb yg r a y i t y h a sb e e na n a l y z e da n dn e wc a l c u l a t i o n m e t h o df o rg r a v i t yf e e dh a sb e e np r e s e n t e d f o rac e r t a i na i r p l a n ef u e ls y s t e m ，t h eo i lt r a n s f e ra n dg r a v i t yf e e dp r o b l e m su n d e r d i f f e r e n tf l i g h tc o n d i t i o n sh a v eb e e np r e d i c t e d ，a n dt h er e s u l t sm e e tt h ee n g i n e e r i n g r e q u i r e m e n t sw e l l k e y w o r d s ：f u e ls y s t e m ，f l u i dn e t w o r ka l g o r i t h m ，g r a v i t yf e e d i i 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 飞机燃油系统的发展 第一章绪论 飞机燃油系统是用来存储飞机可用燃油，并保证飞机在一切可能的飞机状态 和工作条件下连续地、可靠地向发动机供油“1 。另外，作为一个有效的冷资源， 燃油可以对空调系统、液压系统、雷达散热系统、发电机散热系统的工作介质进 行冷却。 人类最早的飞机燃油系统只有一个油箱，由一台供油泵将燃油供给发动机即 可，这是最简单的燃油系统。随着飞机的不断发展，飞机燃油系统也在不断发展。 为了增加飞机的载油量，提高飞机的载油系数，就必须利用一切可以载油的空间， 油箱由一个变成多个，这样就增加了输油系统，即把除耗油油箱以外的燃油都输 送到消耗油箱，再由消耗油箱供给发动机。为了使在整个飞行过程中，飞机的重 心始终保持在一定的范围内，使飞机获得较好的操纵安定性，各油箱的燃油要按 一定的顺序和比例输送到消耗油箱，这就有了输油控制系统。随着飞机飞行高度 的不断增加，为了提高泵的高空性，使之在高空不产生气蚀，以及减少燃油的过 量蒸发和为输油提供能源，就产生了通气增压系统。随着飞机吨位的不断增大， 飞机的储油量也不断增加，为了缩短飞机的再次出动准备时间，飞机上增加了压 力加油系统，由地面压力加油车给飞机加注燃油。为了增加飞机的留空时间，加 大飞机的作战半径，又出现了空中加油系统。 燃油是飞机上一个较大的冷资源，它可以为其它系统如液压、空调、雷达、 发电机等系统散热，因而，又增加了散热系统。此外，飞机燃油系统还包括吸油 系统、空中应急放油系统、油量测量系统等。 随着现代航空技术的不断发展，飞机设计水平的不断提高，作为飞机重要的 功能系统，燃油系统的组成也是由简单到复杂，系统的功能也趋于完善，n 自g - - 代飞机为止，燃油系统已经成为一个比较复杂的网络系统。 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 = = = t e # j e e ! e = e e 自自j j e t ! e ! e j | j e 自| t z j t e 目e = = = = 自自= = j 目t ，自 t 自j 目e ! = = = z = = = ! = ! ! ! = t ! ! = = = ! ，! ! ! 第三代飞机的燃油系统与第二代相比，又有了进一步的发展，系统更加复杂 化。飞机根据其作战使命要求和战术要求的不断提高，越来越强调飞机的留空时 间，以尽可能地增加其作战半径。因此在飞机总体设计上，要求提高飞机的载油 系数( 飞机载油量与飞机空机重量之比) ，必须充分利用飞机翼身融合体的油箱 空间，最大可能提高其载油量。另外，为了适应现代战争的需要，飞机作为高性 能的武器发射平台，其吨位不断加大，大吨位的飞机需要大推力的发动机，发动 机的耗油量与第二代飞机相比也明显增加，这也要求b 机应具有较大的储油量。 因此，飞机燃油系统必然油箱数量多，分布面大，它们分布在机身内，机翼内， 机身尾部，发动机舱内等。为了适应先进的翼身融合式气动布局，现在战4 一机油 箱多为扁平状，其面积高度比大。由于油箱数量的增多和分布面的增大，导致输 油网络复杂化。 今天飞机技术已经发展到第四代，其主设计思想发生了很大的变化，燃油系 统为其最主要的机载系统之一，也经历着一次深刻的技术飞跃。传统的飞机燃油 系统与其他飞机系统一样，仍然相对独立、自成一体，主要功能是向发动机供油， 调节燃油重心等，然而阻f 一2 2 、j s f 为代表的第四代战斗机的燃油系统正在向 功能、能量、控制和物理方面的综合化、一体化方向迈进。1 。这对飞机燃油系统 的要求就越来越高。 目前，飞机燃油系统已经发展成为一个复杂的流体网络系统，且与其它机载 系统之间相互影响、相互联系，这给系统的理论计算带来了很大的难度。 1 2 网络计算在飞机燃油系统计算中的发展 燃油系统对飞机的使用性能和安全有着直接的影响，设计良好的燃油系统必 须以最少的约束来支持飞机安全，简便地执行任务。在整个飞行包线内燃油系统 必须能够正常、可靠、安全地工作。根据国内外各种型号飞机的研制经验可知， 燃油体统的研制过程，都要经过工程计算、地面试验和空中试飞三大步骤，三者 缺一不可。 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 燃油系统管路流动参数的计算，是燃油系统工程计算中的一个重要部分，是 燃油系统设计、验证的重要依据。在燃油系统原理方案初步确定后，需要通过系 统流体参数的计算，来进行系统内的能量分配，确定系统内的参数匹配等。系统 流体参数的计算，一是为飞机燃油系统本身的设计、改型提供数据，二是可以为 地面试验和空中飞行试验提供参考数据。在第二代飞机之前，由于燃油系统的组 成相对较简单，因此，系统内流动参数的计算过去一直采用图解法。图解法只能 解决简单管路的流体计算问题，对于复杂的燃油系统，由于图解法的计算精度较 低，其计算结果与实际相比，总是有很大的差别，这一难题一直困扰着燃油系统 的设计者。网络算法的思想是将系统分解为由各类元件和节点连接组成的网络， 在此基础上，国外相继出现了一些流体网络计算的仿真软件，如p i p e f 1 0 w 、 f l o w m a s t e r 等。f l o w r a a s t e r 软件己成功应用于飞机燃油系统的设计研究。八十 年代，国内的一些设计部门在努力探索燃油系统流体网络的建模问题，最初开始 研究的是压力加油系统的流体网络计算。流体网络算法的出现，很好的解决了燃 油系统管路多支路交叉计算的问题。 1 3 流体网络计算发展简介 流体网络的研究始于管内流体传输的研究，早在十九世纪初，许多学者就对 这个问题有广泛的兴趣。到了1 9 世纪末期，当时的水利工程涉及水网分配，由 于对于这种流体网络的认识不够，水利工程师们在系统设计中只能根据经验或者 管路的水力图表，用这样的方法所设计出来的结果很粗糙，误差很大。1 9 0 3 年 a l l i e v i 开始应用图解网路分析方法去研究该现象，从而引起了水利工程师们对 水利工程管网系统中流体传输过程的广泛兴趣。到了三十年代后期，图解网路分 析方法已经开应用于研究其他领域内的一些流体传输中的问题，立透平机管路或 带有腔室及分叉管路的流量分配问题等等。 管内流体传输从经验分析到理论分析的一个重要内容就是建立管路的数学 模型。但是直到二十世纪初期，流体管路模型理论还只是停留在理想流体无损管 路一维方程的初级模型的基础上。在这个模型中，忽略了流体的粘性和管壁的热 传导作用，并将流体考虑为理想流体。直到1 9 5 0 年，才e h i b e r a l l 提出了管路中包 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 包含粘性摩擦和热传导两个因素下流体管路的一个完整的模型。1 。1 9 7 2 年 g o o d s o n 和l e o n a r d 总结了圆形管路流体模型的研究工作，并将它归纳为无损 管路模型、平均摩擦管路模型、分布摩擦管路模型三种形式“1 。由于这些流体管 路模型的形式和电流传输方程的形式是一致的，从而为利用电气网络理论去研究 流体管路传输问题提供了重要的理论根据。 。 四十年代开始，由于液压、气动和射流技术的兴起和发展，大大地推动了流 体传输研究工作。随着这些流体系统中元件的增加，研究各个元件参数之间的相 互联系，已成为正确设计一个流体系统和使它能稳定工作所迫切需要解决的问 题。1 9 5 7 年r o h m a n 和g r o g a n 对i b e r a l l 所提出的模型的解直接和电流传输的 结果相比拟，压力被模拟为电压，体积流量被模拟为电流“1 。同年e z e k i e l 等 人引入系统的概念去分析流体系统，将包含各种分离元件如传感器、调制器( 阀) 、 执行器和无源元件等的整个流体系统以由流阻、流感和流容组成的网络表示“1 。 此后，用电气网络等值回路方法去分析流体系统的传输过程已经相当普遍。1 9 6 5 年k e r s h n e r 发表了流体线路理论的简明摘要，在详细地探索了流体和电气之间 的模拟关系后，得出了电流应该是模拟质量流量、电压应该是模拟机械能的重要 结论”1 。1 9 6 6 年b e l s t e r i n g 应用电气等值回路的方法求出了一个完整系统的流动 特性。叫。在上述工作的基础上1 9 7 4 年h m s c h a e d e l 在线性化和电学比拟的条 件下，完全从电气网络的观点和方法去研究流体传输的问题“。他的工作，。为管 系流体分析采用网络方法奠定了基础。 从流体力学的角度看，流体管内流动具有如下特点：流体管路的轴向长度远 大于其横向长度，其轴向流动的速度远大于其横向流动速度。因而可以略去横向 流动速度分量，认为所有流动参数( 速度、压力) 是沿着管路横截面求平均的。 流体传输不仅在简单的单管路中进行，在许爹清况下往往是在以网络形式出现的 管系中进行的。这个管系既包括含有许多分布参数的主管路和分叉管路，又包含 i 有许多集中参数的流体元件。同时内流还受许多因素如流体惯性、粘性、压缩性、 热导性、管路几何形状以及管路局部阻抗等的影响，而变得十分复杂。即使对于 最简单的单管路传输问题，其流体力学运动方程也是非线性的，求解比较困难。 对于常见的带有若干分叉管路和不同流体元件的流体管系，求解更是不易。而从 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 工程应用实际出发，我们比较关心的只是管系中各管路连接点处的压力和流量的 稳态、瞬态特性，而对于管路内部流动机理的详细过程一般并不要求，这使得我 们可以把一个流体管系考虑为一个流体网络，把流体管系的传输和瞬变问题化成 一个只是求流体网络各个节点的压力和流量的问题，既可以从网络分析的观点去 研究流体管系的传输和瞬变过程，从而避开了单纯从流体力学方法去解决时所遇 到的一些困难。同时由于在电气网络中已经有了比较成熟的理论和一套系统的分 析计算方法，因而学者们很自然地开始在定的假设条件下用电气网络的方法去 解决流体网络的问题。在用电气网络的方法解决流体网络问题的过程中，逐渐发 展出来了两种不同的求解方式，一种就是继续如前面r o h m a n 、g r o g a n 、e z e k i e l ， b e l s t e r i n g ，采用将流体参数通过各种方式比拟为电流、电压、电阻等电气参数， 完全按照电气网络的方式求解，1 9 8 8 年，北京工业大学罗志昌曾在其专著流 体网络理论中系统总结了这种方法1 。另外一种则是保持流体三大方程的形式 不变，但是按照基尔霍夫定律，增加网络回路里参数关系的方程与原方程联立求 解。这种方法因其物理意义明确，同时不需要对原方程做多的改动而受到了学 者们的青睐，h i n s l e y ，m c p h e r s o n ，m a j u m d a r 等的工作中都是采用的这种方法。 1 4 选题的背景和意义 飞机燃油系统流体网络计算模型的建立，对军机研制具有较重要的现实意 义。首先，通过流体网络计算，可以确定飞机主燃油系统网络中各节点的压力和 各分支管路的流量，以及在各输入参数变化后系统内各参数的变化情况，保汪飞 机在各种复杂条件下燃油系统能满足其使用要求。其次，在对其进行改进时，确 定系统内各参数。第三，可对系统的试验进行有针对性的指导，纠正试验中的某 些环节的错误，同时也可以避免单纯地依靠系统地面试验对系统进行考核、验证， 可以减少试验规模和次数，节约人力和财力。第四，进行燃油系统流体网络汁算， 能优化系统设计，避免系统资源的浪费等。 目前，随着数字技术与计算机技术的不断发展与完善，飞机燃油系统的计算 机仿真计算在系统设计与研究中的应用日臻成熟，通过燃油系统的仿真可以降低 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 系统研制的成本，提高与完善系统的性能，从而推动飞机机载系统向一体化方向 发展。一些西方发达国家已在该领域取得了领先地位，赫克勒士宇航公司就研制 开发了一套先进系统开发模拟器，包括一个燃油公用系统仿真平台和一个数字技 术模拟器，可用于燃油和其他公用系统的设计和试验“。英国的f l o w m a s t e r i n t e r n a t i o nl t d 公司开发的f l o w m a s t e r 软件也已成功的应用于飞机燃 油系统的设计与研究。但资料显示，国内尚未出现有关飞机燃油系统的计算软件。 目前，我国飞机燃油系统的地面模拟试验能力和技术还只限于5 0 t 以下的飞机“。 随着现代飞机技术的不断发展，其对燃油系统要求也不断提高，飞机燃油系统越 来越复杂，尤其是一些大型飞机。今后随着军机的发展需要，国内在新机设计试 验上将承担5 0 1 5 0 t 级以上或者更大的机种。面临这样的现状，我国一方面 要继续加强大型飞机燃油系统试验平台的建设，另一方应自主开发飞机燃油系统 仿真汁算软件。 本论文基于某型飞机燃油系统设计计算课题，按照该机发动机的性能要 求，对飞机燃油系统的主要性能参数进行计算，为该机的设计和改进提供必要的 数据。 由于国内航空院校从建国以来没有设置飞机燃油系统设计专业，航空学会没 有飞机燃油系统学组，国内外对飞机燃油系统的设计应用理论研究和资料文献很 少。另外，到目前为止，还没有专用试验设备提供研究和试验手段，因而，给本 文的研究带来了许多困难。本文的工作将对进一步的发展飞机燃油系统的仿真计 算具有重要意义。 1 5 本文的主要工作 本文的主要工作是针对某型飞机燃油系统的设计和改型，对飞机燃油系统燃 油流动参数进行了分析计算。具体的工作如下： ( 1 ) 建立了飞机燃油系统流体网络计算模型； ( 2 ) 对飞机燃油系统进行了分析，将飞机燃油系统的燃油流动管网，分解 6 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 成相互连接的各种元件，并建立了各利一元件的计算模型 ( 3 ) 根据本文所建立的模型，开发了出有较高计算精度、收敛性较好的流 体网络计算程序； ( 4 ) 对飞机燃油系统供油进行了计算。 ( 5 ) 特别对飞机燃油系统重力供油进行了计算。 西北工业大学硕士学位论文第二章飞机燃油系统简介 第二章飞机燃油系统简介 本章对某型飞机燃油系统作了详细的介绍，对燃油系统各子系统的主要部 件、结构和工作原理进行了说明，并对与燃油系统各子系统相关计算问题进行了 介绍。 2 1 飞机燃油系统概述 飞机燃油系统的功用是储存燃油，并保证在规定的任何状态( 如各种飞行高 度、飞行姿态) 下，均能按发动机所要求压力和流量向发动机持续不间断地供油。 此外，燃油系统还可以完成冷却机上其它系统、平衡飞机、保持飞机重心于规定 的范围内等附加功能。1 。 对燃油系统所提出的一筘要求是：工作可靠、寿命长、防火安全、重量轻、 外廓尺寸小、结构简单、维护修理方便、控制精确和生产工艺- 陛好等。”。 2 2 飞机燃油系统组成 某型飞机燃油系统由燃油箱系统、主燃油系统、启动燃油系统、应急放油系 统、地面压力加油系统、通气系统组成。 2 2 1 燃油箱系统 飞机上的全部燃油均贮存在2 7 个橡胶软油箱内，各油箱在飞机上的分布见 图2 - 1 。这些油箱分成l o 组，每个动力装置有5 组。各组内的油箱均彼此相连， 并构成1 个总的连通油箱组。每组油箱内均有1 个消耗油箱。油箱的分组及消耗 油箱号见表2 - 1 ，各油箱组的加油量见表2 - 2 。 西= i i ：c i ：i 业大学硕士学位论文第二章飞机燃油系统简介 2 2 2 主燃油系统 ( 1 ) 基本工作原理 主燃油系统由左、右两个独立的燃油系统组成，分别向左、右发动机供油。 同时，右燃油系统还负责向辅助动力装置系统供油。在左、右燃油系统的连接管 路上还装有连通开关，可将两个独立的燃油系统连通，以便能够用任一主燃油系 统向每台发动机供应燃油，从而实现交叉供油的目的。正常的耗油顺序为为i 组 一i i 组一i i i 组一组一v 组。图2 2 为主燃油系统供油原理图。 ( 2 ) 燃油 飞机发动机使用两种燃油 主燃油：r p 1 、r p 2 、r p 3 发动机及涡轮启动机用的启劫燃油：7 0 号航空汽油r h 一7 0 。 图2 1 油箱在飞机上的分布图 西北工业大学硕士学位论文第二章飞机燃油系统简介 图2 - 2 主燃油系统供油原理图 1 0 ；丁上；一 目 一 ： 一 ：rfl 西北工业大学硕士学位论文 第二章飞机燃油系统简介 ( 3 ) 系统组成 主燃油系统主要由下述物理元件组成 a 油箱( 组) b 泵 增压泵的功用是将油箱中的燃油抽出并提高压力，直接供给发动机上的低压 油泵以提高燃油系统的高空性。 某型飞机主燃油系统采用两种增压泵：l b 一2 5 电动离心增压泵和r l b - 4 5 交 流电动泵。其中，l b 2 5 离心泵安装在、v 组油箱，r l b 一4 5 安装在i 、i i 、 i i i 组油箱。因为2 号和5 号油箱离发动机较远，且容积最大，为了保证更大的可 靠性，避免因一个油泵损坏使得其中一个油箱燃油未消耗，从而影响飞机重心的 问题，在这两个油箱上各装有两个r l b 一4 5 泵，这两个r l b 4 5 油泵是并行工作 的，而且工作状态相同。 c 导管 主燃油系统的导管由下列管子组成：从油箱到发动机增压泵( l b 一2 5 ， r l b 4 5 ) 的一段管子采用l f 2 m 材料的g 5 0 1 5 r a m 的导管；从增压泵到安装 在发动机附件盒上的z b 2 8 高压柱塞泵这一段，采用l f 2 m 材料的g 4 5 1 5 m m 的管子。 d 管路接头 导管之间的连接一般采用柔性连接，如图2 - 3 e 交叉供油连通开关 交叉供油的连通开关用来连通两个主燃油系统，以便任一个主燃油系统向每 台发动机供油。交叉供油的连通是活门式的，在正常情况下必须始终处于关闭状 1 1 西北工业大学硕士学位论文第二章飞机燃油系统简介 j ： f 单向活门 单向活门的功用是防止各油箱组内的燃油互相流通，并能保证定的耗油顺 序。单向活门安装在油箱组间的导管内，见图2 4 。 图2 - 3 导管各节的典型连接法图2 4 单向活门 g 防火开关 防火开关关闭时供油管路被切断，燃油不能输送给发动机，从而避免事故的 发生。防火开关位于每台发动机的供油管路的供油总管上，具体结构见图2 - 5 。 图2 ，5 防火开关 西北工业大学硕士学位论文 第二章飞机燃油系统简介 h 放油开关 主放油开关装在发动机供油总管上，位于发电机安装区域内机身外侧的机身 加强梁上，此开关可以通过增压油泵放掉同一侧全部五组油箱内的燃油。 压力信号器 在每一个油泵与其最近的单向活门之间的主油管上用g 6 x1 m m 的铝管接有 压力信号器，其功能是检测油泵后的压力，以判断各油泵的工作情况。 表2 - l 某型飞机燃油系统油箱分组及消耗油箱号 组 左发动机右发动机 号 组内油箱号消耗油箱组内油箱号消耗油箱 i 7 、8 、9 、1 0 、1l ( 左)1 0 ( 左)7 、8 、9 、1 0 、1 1 ( 右)1 0 ( 右) i i 1 、22s5 i 4433 1 2 、1 3 、1 4 、1 5 、1 6 ( 左)1 6 ( 左)1 2 、1 3 、1 4 、1 5 、1 6 ( 右)1 6 ( 右) v6 ( 左)6 ( 左)6 ( 右)6 ( 右) 表2 - 2 某型飞机燃油系统各油箱组加油量 左发动机右发动机 组号 1 4 t2 5 t满油1 4 t2 5 t满油 1 io05 6 0 0oo5 6 0 0 i io6 9 0 06 9 0 0o7 j 3 l7 2 0 0 i 3 2 7 93 3 5 0 3 3 5 02 9 5 0 2 9 5 0 2 9 5 0 3 1 0 03 1 0 03 t o o3 l o o3 1 0 03 1 0 0 v2 7 6 02 7 6 02 7 6 02 7 6 02 7 6 02 7 6 0 西北工业大学硕士学位论文第二章飞机燃油系统简介 2 2 3 启动燃油系统 启动燃油系统用以在发动机启动时向发动机及涡轮启动机内供给燃油。当发 动机转动速度达到要求时，启动燃油系统便会自动停止工作。 2 2 4 应急放油系统 应急放油系统是指飞机未能按预定计划执行完任务，而全机油箱中剩余油罨 较多，在需要提前着陆的情况下，为保证飞机着陆重量不超过着陆重量限制，应 进行空中应急放油。应急放油系统分为机身应急放油系统和机翼应急放油系统。 机翼应急放油是通过燃油自流进行的，如果由于飞机某一侧油箱组的燃油未 消耗而使飞机倾斜，应急放油时应使飞机的倾斜拉平。机身应急放油既可通过燃 油的自流进行，也可通过安装在2 号和5 号油箱上的燃油增压泵：肾燃油抽出，通 过管路将燃油排出。 2 2 5 地面压力加油系统 某型飞机地面压力加油系统属于两点式加油。通过两个地面压力力u 油接头 经加油管路分别给机身、组油箱和机翼i 、组油箱进行加油。 地面压力加油系统组成有 a 压力加油接头 g j b 6 0 - 8 5 压力加油接头安装在机身两侧，它是加油车与飞机加油系统的连 接点。加油接头公称直径6 3 5 m m 。 b 稳压槽 c 加油管路 d 减压孔板 西北工业大学硕士学位论文 第二章飞机燃油系统简介 减压孔板安装在各组油箱前的加油支路上，与油箱还有一定的距离。减压孔 板有两个作用：一是限制各油箱组的加油流量，从而保证各油箱组同时满油的设 计要求；二是增加管路阻力，降低燃油进入油箱时的压力，从而避免燃油进入油 箱时发生冲击。 2 2 6 通气系统 某型飞机燃油系统的油箱采用开放式通气系统，即飞机的燃油箱与大气相 通，这种通气系统能保证飞机在各种飞行状态下，包括在紧急下滑的情况下，利 用空气充填因燃油消耗而空出的空间，以提高油箱内燃油的压力，保证油箱正常 供油，不使油箱内气体稀薄，并可防止燃油产生气塞和油箱变形。 通气系统的组成有 a 通气进气口 通气进气口安装在发动机短舱前部外侧，位于机翼前缘的下方。 b 导管 c 连接导管和油箱的通气弯管 d 单向活门 e 放油开关 2 3 燃油系统计算问题介绍 飞机燃油系统是一个庞大复杂的系统。在燃油系统的设计、改型过程中存在 很多需要通过计算或实验才能解决的问题。而这些问题有很大一部分是可以通过 管路流体流动参数计算解决。 ( 1 ) 主燃油系统中的计算问题 硬北工业大学硕士学位论文第二章飞机燃油系统简介 1 ) 油箱单独向发动机或辅助动力装置供油时，各供油管路阻力特性的计算； 2 ) 燃油增压泵增压要求的计算； 3 ) 系统设计完成后，飞机各种状态下主燃油系统供油能力的验证计算 4 ) 飞机重力供油能力的验证。 ( 2 ) 应急放油系统中的计算问题 最大速率应急放油能力的计算，放油时间的确定。 ( 3 ) 地面压力加油系统的计算问题 1 ) 地面压力加油系统设计时，管道直径的优化、减压孔板几何特性的计算 2 ) 压力加油系统设计完成后，各油箱组加油流量验证计算，满油时间的验 证计算，系统各节点压力的计算。 ( 4 ) 通气系统中的计算问题 1 ) 地面压力加油过程中，油箱内气体反压的计算； 2 ) 地面压力加油过程中，燃油从通气管路中溢出时，油箱内压力的计算。 总之，在飞机燃油系统的设计、改型过程中，有很多需要通过流体流动参 数计算解决的问题。由于飞机燃油系统包含多个子系统，各子系统中的流体流 动管路非常复杂，而且各子系统间又相互联系、相互影响，所以飞机燃油系统 中流体流动参数的计算是一个非常困难的过程。 豳北工业大学硕士学位论文 第三章网络算法计算原理 第三章网络算法计算原理 本章从基本理论出发，介绍了流体网络算法的计算原理。 3 1 算法特点 本文应用内流系统流动换热计算的网络算法“”。算法特点是将系统的结构和 腔室分解成由相应元件和节点组成的网络，用有限的元件和流动介质类型描述各 种结构的内流系统。网络采用节点压力残量修正算法计算，具有良好的通用性和 可操作性，且计算稳定性和收敛性也较好。 3 2 系统标识 不论是内流系统还是燃油系统，在不同飞机或发动机上结构差别很大。同一 主机在设计或改型中，系统由于受力结构或冷却流量的调整也会使流路多次改 变。为适应这种差别和变化很大的特点，计算程序必须具有良好的系统标识方法， 它应能准确唯一地标识出任意一个系统的几何结构和相应的流动换热条件，并能 很方便地修改。 内流系统或燃油系统结构虽然很复杂，但都可以分解成元件和结点并组成计 算网络。网络中元件满足以下假设：( 1 ) 每个元件只能有一个进口和一个出口， 元件内部均为一维流动；( 2 ) 在元件内其流体总温不变，热交换元件热作用发生 在元件出口处，即只影响下游元件的进口流体温度。 燃油系统中的真实零件在多数情况下町直接转为网络元件，如各种进1 3 、管、 孔、缝、突扩、突缩、渐扩、渐缩、弯头和阀门等等。但有些零件需分解才能满 足上述假设，如“三通”在计算时需分解成3 个元件( 如图3 - 1 ) 。 有时也可把一个复杂的部件作为一个元件处理。例如，在滑油系统中可把换 热器作为一个元件，只计算它的进出1 3 流体的压降和温差；不考虑其内部复杂的 流动。有时几个不同元件的进口和出口在一个腔室，处于并联形式。若并联元件 的参数相同则可作为一个元件，因流体通过每个元件的压力损失和流量相同。 西北工业大学硕士学位论文 第三章网络算法计算原理 ! ! ! ! ! 搴= 暑置詈昌暑置暑詈暑置墨置墨盘詈暑= 墨暑墨阜墨暑搴罩暑詈罩墨= = = 墨黑巴寡= = = | 暑詈詈皇阜审目曩薯曩目皇宣皇皇= = 置! = 墨! j = 网络节点通常是系统的边界和系统中的腔室；也可是因计算分解要求而发立 的连接点，如图3 1 中节点4 。 图3 1 三通转化为元件与节点示意图 网络中还需有计算识别代码。它们包括元件代码、坐标代码和特征代码。元 件代码是基本代码，元件的流动和换热类型、几何结构、坐标位置和对应的流动 换热条件等参数均需根据它去查询。坐标代码即元件的进出口节点代码，确定元 件在网络中的位置。特征代码表示元件的类型和结构。 图3 - 2 是简化的某供油计算网络图，椭圆代表边界节点；圆圈代表内部节点； 矩形代表元件。节点代码标在网络图上，用文字标出元件特征。 图3 - 2 简化的油箱供油网络图 标识代码体系可以多种多样，图3 2 中体现的是一种数字代码。元件编码从 1 开始；边界进口节点编码从l 到1 0 0 ；内部节点从1 0 1 开始。代码体系应用方 便，利于修改。 3 3 流体热力参数的计算 系统计算的主要内容为流量分配、压力分布和流体温度。由于假设元件内流 1r g r 尚t 鸯 西北工业大学硕士学位论文 第三章网络算法计算原理 体总温不变，且各腔室即网络节点，所以需要计算的是：通过各元件的质量流量 q 。、节点上流体总温和，压力j p 。网络中有两类节点，即与内部腔室对应的 内部节点和系统边界与外部联接的边界节点。边界节点上的流体压力是已知的， 边界进口节点上的流体总温也是已知的，其它流体参数是待求的。 为睁沦方便，现对各利脚标的元件或节点代码含义进行说明。参考图3 - 3 ， 为需要计算的内部节点或边界出口节点；，为元件代码，为与，节点相联的元 件代码；k 为与节点相联的元件另一端( 进口或出口) 节点代码；i 表示流 进节点的上游元件或元件进口节点；o 表示流出j 节点的下游元件或元件出口 节点：l ，2 ，表示流进或流出元件数超过1 时的序号。 3 3 1 流量和总压 图3 - 3计算代码示意图 流阻元件可通过理沧分析和实验修正得到通过该元件的质量流量与进出口 压力、流体温度、物性、几何尺寸和流量系数等参数的表达式。令b 为包含非压 力参数的其它量时，系统中与第j 个内节点相连的第f 个元件的质量流量为： q 2f ( b t ，巴，只) ( 1 ) 根据质量守恒原理，对于稳态系统流进流出每个内部节点的流量的代数和为 零。设与节点，相连的元件有 个，系统中内部节点数为，则有 西北工业大学硕士学位论文 第三章网络算法计算原理 ，= z ，( 黾，弓，最) = o ；，= 1 ，2 ，n ( 2 ) i = i。l = l 在开始计算一个网络系统时，其内部节点压力未知，其值可根据边界压力假 发，内部节点上将会出现流量残量，即 q n ，= a q _ o ； ，= l ，2 ， ( 3 ) ，= l 。 通过计算逐步消除节点流量残量，即可求得真实元件流量和节点压力。 由于某些元件的流量公式具有很强的非线性，直接求解方程组( 2 ) 非常困 难。需采用节点压力残量修正算法进行迭代计算，为此需对式( 2 ) 求全微分， 运算时假设占为定值，则有 咎= l 纠妒+ 啦犯 ，= l ，2 ， 利用式( 3 ) 和式( 4 ) 可得内部节点压力残量计算方程 矧岭兰, - , 阻l a p , 蛆1 i 一川，z ， 当k 为边界节点时，只= 0 。方程组( 5 ) 也可写成矩阵形式 o f o e 。a p n = 一匀。 ( 6 ) 由于每个内部节点相联的元件一般只有2 个，少数为3 4 个，所以影1 a el - ；| _ i 的非零元素在3 n 个左右，是一个稀疏矩阵。求解方程( 6 ) 可得节点压力修正量 p ，于是得新的节点压力为 0 = 弓+ 嵋 = l ，2 ，n ( 7 ) 2 0 西北工业大学硕士学位论文第三章网络算法计算原理 根据新压力p 再计算元件流量。重复上述过程直到每个内部节点的流量残量均 小于要求误差。 3 3 2 热量和总温 内流系统的换热主要是流体与相邻的内部结构之间的对流换热。流体与元件 的对流换热量可通过理论或实验找到它与流体温度、元件壁温等参数之间的关 系。当z ，瓦分别为元件进出口温度；结构壁面温度毛根据分析、经验或实验给 定；c 是包括换热系数、物性和几何尺寸等参数时，有 q = 巧( q ，瓦，死，瓦) ( 8 ) 在空气系统中还存在由于盘、轴高速旋转对气流摩擦加热。当d 是包括经验 系数、转速、物性和几何尺寸等参数时，有 9 = 正( d ，瓦，死) ( 9 ) 不论哪种换热量都可以表示成与流量、比热c 。和元件进出口温差的关系 9 = q 。，c 。a t , ( 1 0 ) 这对于那些尚未进行深入研究只能根据经验给出流体温升的元件最适用。 根据能量守恒原理，在稳定系统中流进节点的热量应等于流出节点的热量 ( 图3 - 3 ) 。因假定每个元件内流体总温不变，所以系统内部节点和出口节点的流 体总温只受该节点上游相连元件中的换热量9 。的影响。设与内部或边界出口节 点相连的上游元件有个，系统边界出口节点总数为m ，则 n 1l ”1 hcpl 。巧+ q f ，j l ，l c 弓= ) = li1 = 1 7 = l ，2 ，+ l ，+ m 西北工业大学硕士学位论文第三章网络算法计算原理 令+ m = s ，并将方程组( 1 1 ) 写成矩阵，有 g c 。t = 一q ( 1 2 ) 同样g ，c 。也是个稀疏矩阵。由于内流系统中有多种元件，如进口、孔、缝等， 不必考虑换热，所以在q 中也有许多元素为零。直接求解方程组( 1 2 ) 可得到 流体在系统各节点的总温。 在内流系统计算中，流量和压力对计算收敛的影响很大，而换热的影响很小。 根据经验可先按等温流计算，待流量平衡后再进行换热修正，如此反复迭代总计 算量较少。 对飞机燃油系统来说，在定的飞行条件下环境温度恒定，燃油的温度也基 本恒定，只有流经燃油泵时有很小的变化，所以在燃油系统的计算中，本文以等 温流动进行计算，燃油温度与飞机当前状态下外界环境温度保持相同。 由上述方法可知，只要知道了流体网络的布置、网络的几何参数以及边界条 伺：则该网络是可解的。 西北工业大学硕士学位论文第叫章元件模型及计算方法 第四章元件模型及计算方法 飞机燃油系统燃油流动管网是由各种不同种类的功能部件和结构按一定顺 序组成的，本章从流体力学计算的角度出发，将燃油系统中的各种功能部件和结 构简化为流体网络计算的相关元件。 4 1 飞机燃油系统分析 论文第二章2 2 节对某型飞机的燃油系统进行了详细的介绍，对燃油系统各 子系统的结构和组成电作了详细的浼明。飞机燃油系统的流体管网主要由一些常 见的流动损失元件和功能附件组成。 件。 本文将飞机燃油系统中各种元件分为：流动损失元件、增压元件和第三类元 42 流动损失模型 实际流体具有粘性，因而在实际流动过程中会产生阻力，为了正确计算流体 在管道中的实际压力就必须计算流体阻力。下面分别介绍了管道中的沿程阻力和 局部阻力计算。 4 2 1 管道中沿程阻力计算 流体在管道中的流动，在“光滑壁面”情况下，流动的定性准则是雷诺准则 r e 和几何准则三非定性准则是欧拉准则勘；在“粗糙壁面，情况下，定性准 以 则还有一个表示相对粗糙度的准则全。 d 根据相似原理，管内流动准则方程为 硅北工业本学硕士学位玲文，簿霉章元件模婆【及计算方法 ! ! ! _ = ! ! = = t = 自自g 目自目= 目 自| 自t 目目自自目d 自目目g t 自自e 自自e ! ! 自! ! e ! 自! ! ! ! ! e j ! e ! t 自 女t # 女b 酬 对于“光驽营”： 或： 对于粗糙管 或： 实验证窝，凌羲熬冀毽祭转不变，瘩乎管孛簿压差( 浍疆疆力) 劫与警长f 成正比。因此上式变成： 对于“光滑管” 对于粗糙管： 把沿程阻力用动压表示，缮 令 对予“光潜管” 对于粗糙管 得沿程阻力计算公式： 龆叫r e 垮詈孬2 ： 面 ，涉匀爿 赫 胁 胁 胁 彳o，h1飞 戥 印 脚 肇 ： 缈 痧v 归耐卜 = f | 和 舾 一坩 p 一2，一d 、， 一d 卜 妒 f i 印 五 西北工业大学硕士学位论文 第四章元件模型及计算方法 式中：卸一管内沿程阻力，p a 一摩阻系数 卜一管长，m d 一管内径，m p 一流体密度，k g m 3 血：, t l p - w 2 1 d2 万一管截面平均流速，m s 可以看出计算沿程阻力的主要任务是计算摩阻系数五，下面介绍不同情况下 的计算。 ( 1 ) 层流流动 得 层流流动，摩擦阻力完全有粘性摩擦产生。 所以： 将上式与比较得 万：三一 8 v ” ；望：8 v ： 毋r i 却翊i v i l _ 2 = 羔吉詈面 6 4 = 一 r e 2 5 西北工业大学硕士学位论文第四章死件模型及计算方法 上式表明，管内层流的摩阻系数五与r e 成反比。从物理意义上考虑，r e 越 小，意味着粘性越大，故 越大。 ( 2 ) 光滑圆管紊流 光滑圆管中紊流的速度分布规律为 兰= 5 7 5 l g 堕+ 5 5 w v 通过上式可阱得出摩阻系数的函数关系式。 即 直径为d ，长度为，的水平直管上的流动阻力损失与管壁切应力的关系为 由于0 = 州，故 卸车_ 0 蒯 印：孥 d 幻：4 l p w _ _ , 2 ：坚三旦万z d面2d2 上式与沿程阻力计算公式比较得 8 w ： = 7 w 根据尼古拉试验结果，当r e 1 05 时 上两式整理得 整理得 w 一= 订+ 4 0 7 w w 。5 7 5 l g r 。w * + s s = 面+ 。，m ：2 删g ( r e 打) _ 1 0 2 、， 根据试验结果，上式修正为： 击划g ( r e 打) 一o s ( 3 ) 粗糙管壁摩阻 在实际工程中，管壁总有粗糙度。管壁粗糙的程度定义为：为管壁粗糙高 出的高度，d 为管道内径，定义相对粗糙度为 五：垒 d 根据试验结果和理论计算，修正摩阻计算公式为： 当r e 2 0 0 0 时，流动为层流区 6 4 r e 西北工业大学硕士学位论文第四章元件模型及计算方法 当2 0 0 0 。( 甜5 时，流动属于阻力平方区 五：l ( 2 l g d + 1 7 4 2 4 2 2 管道中局部阻力的计算 产生局部阻力的原因概括起来有四种：涡流损失、加速损失、转向损失及撞 击损失。 在飞机燃油系统的设计计算中，产生局部阻力的元件包括几种基本元件和特 殊元件。基本的元件结构有：突扩、突缩、弯头、管路连接处等。特殊元件包括： 单向活门、连通开关、防火开关、非工作的油泵等。 ( 1 ) 基本元件局部阻力计算 于属动流时 上弘 ，l j ，er | | 蚰或 ) 上丛 ，l *er ) 上弘 r 倒l 引 区 当 管糙粗 西北工业大学硕士学位论文 第四章元件模型及汁算方法 局部阻力损失的计算可以采用下式 印：昱一只= f 华 式中：f 为阻力系数，p 为流体密度，w 为流体流速。 阻力系数f 取决于流动肥，亦即取决于产生阻力处的几何形状，其大多由