油箱两侧布置式直升机压力加油系统工作特性及设计优化

油箱两侧布置式直升机压力加油系统工作特性及设计优化

戴辰阳

海丰通航科技有限公司 北京 100070

摘要：传统的直升机油箱主要布置在机身底部的舱体地板下方，在时代科技不断发展的今天开始逐渐选择起将油箱放置在直升机机身两侧的位置，以此能够满足直升机相关标准，减少研发过程中存在的风险。相关人员经由 Flowmaster 软件进行仿真研究，在解决原有问题的基础之上，通过改变油箱管路结构以及其同侧前后两油箱连通管方式的优化，提出了如下优化方案。证明该方案对油箱两侧布置式直升机的油箱加油流量不匹配的情况能够得到显著改善，且最大程度满足其系统冲压力的限制要求。

关键词：油箱两侧布置式直升机；压力加油系统；工作特性；设计优化

1. 引言

直升机的实际使用性能以及飞行安全一直受到燃油系统的重大影响，一般情况中相关人员往往会采取通过对压力加油系统的研究找出缩短实际加油时间的方法，以求缩短飞行准备时间。对于飞行器的实际使用而言，安全问题是重中之重，因此为了保证飞行安全，压力加油系统所受到的冲击压力必须要严格控制在标准范围之内；为了能够有效减少管内由于燃油流动而产生的静电，对燃油在管内的流速也有着严苛的限制。而飞行器在其减重的方面也有着较为独特的要求。

使用Flowmaster 软件建模能够最大程度上模拟出飞机在压力加油中的全过程，相关研究人员通过前期的仿真计算及数据分析，研究论证出了满足国家规定标准的设计优化方案，能够在有效提升研制的效率，降研究风险。

2. 油箱两侧布置形式的压力加油系统

最为典型的油箱两侧布置式直升机压力加油系统如图1所示，其最明显的特征就是结构十分复杂，燃油在输入中主要通过油箱最前端的接头流入至主管道内部，而主管道内又再次分为两个不不路径。其中一路仍是选择将燃油输送至机身的左侧，其中一部分燃油经左侧三通管最终流入号油箱，剩余的燃油经尾管流入2号油箱；其中输入的另一路燃油则是经机身右侧流入进3号油箱内部，剩余的燃油则经过右侧机身尾部的导管流入进4号油箱。在此结构设置中，机身的左右两侧及其过程中所需要的连接主管等在内径的设置上均选取48mm的尺寸，而对于左右两侧支路的导管内径则选取28mm，左右尾管内径设置为28mm，具体油箱的容积选取如下表1所示：

图1 典型两侧布置式直升机压力加油系统简图

表1 典型两侧布置式直升机各油箱容积表

3. BSPH压力加油系统工作特性

对于压力加油系统的支管上都明显装有相应的压力阀进行控制，以求相关人员能够准确把握油箱的开启和关闭，当飞机两侧邮箱的液面达到满位时就需要及时关闭控制阀，结束油箱内的压力加油工作。

由于在实际的压力加油系统中，各支管内出油高度相同，因此重力对实验产生的影响可忽略不计；此外，油箱液面与控制阀的设置位置相差不远，对其造成的压力差远小于冲击压力的规定标准值，故本次研究中可以完全不考虑重力因素的干扰^[1]。

通过Flowmaster 仿真软件建立起油箱两侧布置式直升机压力加油系统的仿真计算机模型，如图2所示：

图2 BSPH压力加油系统仿真计算模型

整个压力加油过程最初可视为恒流源，在经过控制阀关闭，阻力上升之后转化为恒压源。此过程中应当保持各油箱与外界保持良好的通气情况。

4. 设计优化

1. 管路结构的更改

为保证能够有效解决油箱两侧布置式直升机压力加油系统的工作过程中出现的左右两侧油箱流量不匹配的问题，需在其管路柱结构上进行优化修改，目的是为了能够在增大其左侧管路压力系统阻力的同时减小右侧的系统阻力。主要可采取如下措施：将左侧尾管的内径由原先的38mm减小至28mm，相应的，右侧尾管将内径增加10mm至48mm；左右两侧的三通管支路内径也做出同类处理，将左侧的支路内径减小至24mm，将对应右侧支路内径增大至30mm^[2]。将各管路内径更改完毕之后通过计算机仿真程序对油箱两侧布置式直升机的各油箱油量变化情况进行统计分析，具体曲线如图3所示：

图3 BSPO1压力加油时各油箱油量变化曲线

为了能够比较油箱两侧布置式直升机在实际加油过程中的两侧油箱油量的匹配程度，可通过将左侧1、2号油箱的油量相加之后减去右侧3、4号两油箱的总油量，算出其油量差，得出左右两侧油箱油量的不匹配程度。经优化设计之后的左右侧油箱油量变化曲线如图4所示：

图4 压力加油时左右侧油量差变化曲线对比

由上图4能够得出，经过优化设计之后，直升机左右油箱的油量差明显降低，管路结构更改起到了明显的积极效果。此外，由于机身前后侧的油箱容积不相同，为了能够对油箱两侧布置式直升机的压力加油系统在测试时进行油量的定量比较，可将前后侧油箱的容积换算成相应比值进行处理。对于两侧布置式直升机压力加油系统中，设置前后油箱油量的最大差值可以达到300L左右，因此在优化设计前后其油量不匹配程度依然有相当大的差别，具体曲线对比如图5所示：

图5 BSPHO1压力加油时前后侧油量差变化曲线对比

2. 增加油箱前后连通管

对有关管路结构的改变最直接的原因是需要解决油箱两侧布置式直升机的压力加油系统在实际工作的过程中，产生的油箱中油量不匹配等相关问题，可先分别在左侧两油箱之间以及右侧两油箱之间垂直高度的二分之一处增加油箱连接管，从而达到进一步优化性能的目的。经优化设计之后的各油箱油量变化情况通过对应的仿真计算可得到曲线如图6所示：

图6 BSPHO2压力加油时各油箱油量变化曲线

通过计算机仿真分析得出，经1.89分钟后左侧的2号油箱中油量已经达到了300升，液面已达到连通管位置，后续将不断流入进1号邮箱内；经2.28分钟之后，左侧两油箱中的总油量也已经达到了450升，页面同样达到了连通管的位置，之后两侧油箱内的液面开始由登高进行同步提升，分别在2.31分钟和2.77分钟的时候达到联通位置^[3]。

按照上述的方法可进一步得到油箱两侧布置式直升机优化设计之后油量差的具体变化曲线如图7所示：

图7 BSPHO2压力加油时前后侧油量差变化曲线对比

如图7可明显看出，直升机同侧的前后两油箱之间新增设的连通管使得两侧油箱的液面在到达连接口处开始出现显著下降，当3号油箱液面达到连通位置时油量降为0升，对比优化前后的两侧油箱油量差约减小至原先的二分之一，且在压力加油过程进行过半后油量差消失。故可说明同侧之间的前后两油箱通过增设连通管的形式能够起到减小加油压力以及解决油量不匹配的问题。

3. 冲击压力

在有关直升机压力加油系统设计的过程中，很容易由于设计不合理而导致冲击压力过大直至整个压力加油系统的变形甚至最终被完全破坏。因此设计实验中采取增加压力加油控制阀上的控制器的方式进行。具体的仿真计算模型如图8所示：

图8 BSPHO2压力加油系统最大冲击压力仿真计算模型

在两侧油箱布置式直升机在压力加油系统的优化设计发现，加油系统受到最大的冲击力出现在位于机身右侧的两个控制阀的控制中，当两控制阀同时关闭时，其仿真的计算机结果如图9所示，经过对数据的分详细计算不难算出，其所受最大冲击压力为631千帕，远小于标准中规定的1421千帕。符合相关规定标准。

图9 BSPHO2压力加油系统最大冲击压力仿真计算结果

结论：综上所述，最终决定的优化方案中可以看出，相关人员为了能够解决油箱两侧布置式直升机的压力加油系统在工作中出现的问题，通过分别改变其左右两侧管路阻力的方式，对其管路结构进行了合理更改。并在直升机左侧两邮箱之间以及右侧两邮箱之间垂直高度二分之一处设立连通管。经过一系列的仿真计算结果得出，经油箱改良之后的直升机油箱油量差明显减少，并且油量差额能够在压力加油进程进行约一个半小时之后完全消失。基于此，本文中提到的有关油箱两侧布置式直升机压力加油系统的设计优化方案能够满足如今管路内部对于系统压力的限制要求，此方案已明确投入进直升机型号的相关研制中。

参考文献：
[1]邹高鹏,杨勇志,闵兴明,周佐俊,刘芳.油箱两侧布置式直升机压力加油系统工作特性及设计优化[J].《航空科学技术》,2018(7):1-7.
[2]高翔.飞机压力加油系统设计研究[J].科技创新与应用,2015,No.146(34):23.
[3]袁斐,鞠月婵.直升机油箱内燃油蒸气点燃防护研究[J].中国新技术新产品,2019,389(07):44-45.