基于AMESim 的直升机交叉供油仿真分析

2022-04-21 09:24:46赵立飞叶宁武杨小龙
江苏科技信息 2022年7期
关键词:增压泵燃油箱供油

赵立飞,周 文,叶宁武,杨小龙

(中国直升机设计研究所,江西 景德镇 333001)

0 引言

交叉供油是指在某一燃油系统的供油泵失效或燃油量不足时,用另一燃油系统向每台发动机供油。交叉供油为直升机的安全飞行提供了保障[1]。 目前,业界对交叉供油的研究比较少,对其数值研究更少。杨波等[2]基于Simulink 对模型飞机燃油系统中的交叉供油进行了模拟。 王京等[1]使用Flowmaster 对模型飞机燃油系统的交叉供油进行了模拟。 近几年来,对直升机的交叉供油仿真研究鲜有报道。 但是,具有交叉供油设计的直升机燃油系统是否真正具有交叉供油能力,决定直升机的飞行是否安全。 因此,本文将针对直升机交叉供油的数值仿真进行研究。

AMESim 软件以其完备的模型库、形象简单的建模优点,在流体力学、热力学、机械、控制等复杂系统中的建模和仿真中的应用较为广泛,在航空领域中的应用也越来越流行。 事实上,AMESim 最初是由法国IMAGINE 公司专门针对液压系统开发的一款软件[3],之后,在国内的液压系统领域,学者也开始应用该软件进行研究。 徐步算等[4]建立了牵引车液压系统的AMESim 仿真模型,对具有压力调节功能的阀进行了研究,结果表明该阀具有良好的调节功能。 杨传家等[5]利用AMESim 软件,通过引入PID 控制,对燃油总管试验器液压压力系统进行研究,结果表明,该数值仿真模型压力控制稳定,稳态误差变小。 罗江等[6]建立了直升机鱼叉液压系统的AMESim 模型,通过仿真计算,结果表明,该数值结果与试验结果基本吻合,表明了该模型的有效性。

近年来,在燃油系统中,无论是对于燃油系统中部件的研究,还是动态特性的研究,AMESim 仿真软件也都得到了极为广泛地应用。 孙世磊等[7]对燃油系统中电控喷油器建立了AMESim 模型,对其结构参数进行了仿真分析,为结构设计和优化提供了参考。侯艳艳等[8]搭建了飞机燃油附件通用试验台系统的AMESim 仿真模型,并模拟了加油控制阀的特性,结果表明,AMESim 软件可以仿真该系统的工作过程。韩杨[9]建立了直升机燃油箱惰化系统的AMESim 仿真模型,得到了直升机全包线惰化氧浓度的变化情况。 还有研究针对空中加油的受油过程,建立了燃油系统的AMESim 仿真模型,分析了加油阀不同关闭时间燃油系统主要节点处的压力脉动。 以上研究验证了AMESim 在建模仿真中非常适合燃油系统的研究。因此,本文将通过AMESim 实现对交叉供油的建模与仿真。

1 直升机供油系统构型

图1 为直升机的供油系统构型,包括增压泵1、单向阀2、左燃油管路3、左燃油箱4、左供油选择阀5、断开自封阀6、压力传感器7、左发动机8、交叉供油管路9、右发动机10、右供油选择阀11、右燃油管路12、右燃油箱13。

图1 直升机供油系统构型

当左供油选择阀调至左发动机由左燃油箱供油,右供油选择阀调至右发动机由右燃油箱供油时,该供油方式称为直接供油。 当左、右供油选择阀调至两台发动机只由左、右燃油箱中的一个燃油箱同时供油时,供油方式为交叉供油。

2 直升机供油系统的AMESim 仿真模型

本文根据图1 所示的直升机供油系统构型,搭建了图2 所示的相应的AMESim 仿真模型。

图2 直升机交叉供油AMESim 仿真模型

仿真模型中所使用元件来自Aerospace and Marine 元件库、Aircraft Fuel System 元件库、Thermal Hydraulic 元件库、Thermal Hydraulic Resistance 元件库、Signal, Control 元件库、1D Mechanical 元件库和状态机。 其中,燃油增压泵选用TFPUC0 离心泵元件,通过输入增压泵增压值-流量性能曲线确定;两个供油选择阀由4 个开关E,F,J,K 代替,开关选用TFORF0 元件。 对于左供油选择阀,当左发动机由左燃油箱供油时,打开开关E,关闭开关K;当左发动机由右燃油箱供油时,关闭开关E,打开开关K。 对于右供油选择阀,当右发动机由右燃油箱供油时,打开开关F,关闭开关J;当右发动机由左燃油箱供油时,关闭开关F,打开开关J。

由直升机燃油系统的供油控制逻辑,不考虑燃油泵失效的情况,仅考虑燃油量是否充足。 将AMESim中泵、阀按如下方式进行控制。

(1)若供油的初始状态为两个燃油箱的燃油高度满足h左>0、h右>0,此时的供油方式为直接供油。 AMESim 中控制方式为:交叉供油管路上的开关K、J 关闭,打开左供油管路上的开关E 和左燃油增压泵C、右供油管路上的开关F 和右燃油增压泵D。

(2)若在供油的过程中,或供油的初始状态为:两个油箱的燃油高度满足h左>0.1、h右≤0,此时的供油方式为交叉供油,即左燃油箱同时向两个发动机供油。 控制方式为:交叉供油管路上的开关K、右供油管路上的开关F 和右供油管路上的燃油增压泵D关闭,打开左供油管路上的开关E、交叉供油管路上的开关J 和左供油管路上的燃油增压泵C。

(3)若在供油的过程中,或供油的初始状态为:两个油箱的燃油高度满足h左≤0、h右>0.1,此时的供油方式也为交叉供油,即右燃油箱同时向两个发动机供油。 控制方式为:交叉供油管路上的开关J、左供油管路上的开关E 和左供油管路上的燃油增压泵C关闭,打开右供油管路上的开关F、交叉供油管路上的开关K 和右供油管路上的燃油增压泵D。

(4)若供油的初始状态为h左≤0、h右≤0.1,或h左≤0.1、h右≤0;或供油过程中燃油高度为h左≤0、h右≤0,则两个燃油箱均无法给发动机供油。 此时,所有供油管路上的所有开关、燃油增压泵关闭,发动机关闭。

AMESim 仿真模型通过引入状态机,实现以上控制逻辑。

3 供油系统特性分析

某型直升机发动机燃油流量为3 000 L/h 时,发动机入口处燃油的绝对压力P需要在[100 kPa,200 kPa]范围内。 为验证本文所建AMESim 模型的有效性,笔者分别计算了左、右燃油箱初始燃油量相等和不等时的供油情况。

图3 和图4 分别给出了左、右燃油箱初始燃油量分别为m左=640 kg、m右=640 kg,燃油流量为3 000 L/h 时,燃油箱向发动机供油过程中,两燃油箱剩余燃油量和发动机燃油入口处的压力随时间的变化曲线。 其中,实线为左燃油箱(或左发动机燃油入口)的数据,虚线为右燃油箱(或右发动机燃油入口)的数据(下同)。 从图3 可以看到,两个燃油箱的燃油以同样的流速消耗,直至消耗完毕。 从图4 可以看到,计算稳定后,发动机燃油入口处的绝对压力在[100 kPa,200 kPa]范围内,满足要求。 该研究结果表明,本文所建AMESim 模型模拟直接供油有效。

图3 直接供油过程中两燃油箱剩余燃油量变化

图4 直接供油过程中发动机入口燃油压力变化

图5 和图6 分别给出了左、右燃油箱初始燃油量分别为m左=640 kg、m右=320 kg,燃油流量为3 000 L/h 时,燃油箱向发动机供油过程中,两燃油箱剩余燃油量和发动机燃油入口处的压力随时间的变化。从图5 可以看到,最初两个燃油箱的燃油以同样的流速消耗,直至右燃油箱先消耗完毕;之后左燃油箱以二倍的流速开始消耗燃油,直至消耗完毕。 这是因为,一开始两个燃油箱都有燃油,供油方式为直接供油,由于右燃油箱初始燃油量比左燃油箱少,右燃油箱燃油先消耗完。 这时,左燃油箱需要同时向两台发动机供油,所以左燃油箱的耗油流量为之前的二倍。

图5 交叉供油过程中两燃油箱剩余燃油量变化

从图6 可以看到,发动机燃油入口处的绝对压力在直接供油向交叉供油时发生了突变,这是因为发动机入口处的流量始终不变。 直接供油时,双泵流量与发动机入口流量一样;交叉供油时,只有左燃油增压泵以二倍发动机入口流量使用。 由增压泵的流量-压力曲线可知,随着流量的增大,增压压力变小,因此,发动机入口处的压力也随之变小。 从计算结果可以看到,计算稳定后,发动机燃油入口处的绝对压力在[100 kPa,200 kPa]范围内,满足要求。 研究结果表明,本文所建AMESim 模型模拟交叉供油有效。

图6 交叉供油过程中发动机入口燃油压力变化

4 结语

本文根据某型直升机的供油需求,建立了AMESim 仿真模型,根据交叉供油的逻辑关系,引入了状态机实现了对泵、阀的控制。 通过仿真结果,验证了不同供油方式的情况下,本文所建模型的有效性。 该研究对直升机交叉供油数值仿真模型的搭建具有一定的借鉴意义。

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