略說飛機油路系統的研究方法
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1沖擊壓力產生的原因及危害
供油泵突然全部停泵，供油泵出口的燃油在慣性的作用下繼續向前流動，而后續的燃油被堵在供油泵的進口，這時供油泵出口的部分管道騰出極小空間而產生低壓波，低壓波則在管道造成負壓，負壓使這些地方的壓力降至大氣壓以下，管子收縮。當靠近動力裝置附近安裝的切斷閥按設計要求突然關閉時，緊貼閥門上的一層燃油受閥門所阻，首先停止了流動，流速突變為零，后面的燃油沿著管道涌來，燃油壓縮，管道變形，壓力升高之后，這種狀況依次向后傳遞，使后面的各油層相繼停止流動，遂造成整個管道燃油被壓縮，壓力升高，管壁脹大的沖擊壓力狀況，在切斷閥進口側產生高壓波，高壓波與管道中原有供油壓力疊加產生異常的高壓力，它引起管道壓強迅速升高，峰值可達管道正常工作壓力的幾倍至數十倍，遠遠超過管道系統的檢驗壓力和極限壓力。沖擊壓力是流體慣性造成的，它的實質是能量轉換，即流體在減速的情況下將其動能轉換為壓能，在加速的情況下，壓能轉換為動能。對于一般燃油管路，流速變化1m/s所引起的水擊壓力值約為1MPa，汽油管路則為0.8MPa～0.9MPa。液體流速突然下降(特別是高流速的管道)所產生的沖擊壓力是最危險的，如突然關閥、突然停泵，可能產生很高的沖擊壓力。
2.1沖擊壓力計算所需的基礎數據
沖擊壓力的幅值取決于管道的材料、壁厚、直徑、長度、燃油的流速、密度以及閥門的關啟時間等特性。進行管道沖擊壓力分析計算需要利用反映管道各種特征的一系列數據，所需要的數據如下所列，計算機仿真計算更是如此。管道流量、流速:設計最大流量;燃油流速。燃油的物理特性:燃油密度、運動粘度、燃油的彈性模量等。管道參數:管徑、壁厚、管壁粗糙度，管壁彈性模量等。燃油系統管道主要設備布置簡圖:油泵臺數及工作方式(并、串聯)，油泵與閥門之間的距離、泄放閥的位置以及相互連接關系圖等。成品附件特性:燃油泵的額定流量、工作壓力;油泵進出口壓力給定值及壓力范圍;切斷閥的切斷時間、調節特性;泄壓閥給定壓力值、不同超壓百分數時的流量系數。
2.2幾種新的沖擊壓力計算方法
計算有多種，方法也各式各樣，傳統的沖擊壓力計算模型，由于過于簡化，誤差較大。這里推薦幾種新的沖擊壓力仿真計算方法:基于Flowmaster燃油管道系統沖擊壓力仿真計算Flowmaster軟件是全球領先的流體管網系統解算工具，是面向工程的完備的流體系統仿真軟件，對于各種復雜的流體管網系統，利用Flow-master快速有效地建立精確的系統模型，并進行完備的分析。Flowmaster具備的分析模塊可以對流體系統進行穩態和瞬態分析，可以對不可壓縮流體和可壓縮流體系統進行分析。燃油管道系統由泵、管道、接頭、彎頭、閥、引射泵、油濾等元件組成，這些元件在Flowmaster的元件庫中均能找到各自的數學模型，數學模型用形象的示意圖來代表。每個物理元件的數學模型有一個數據輸入表格，它定義該元件的輸入、輸出及特征參數。這就為Flowmaster燃油管道系統沖擊壓力仿真計算提供了極大的方便。但Flowmaster作為一維流體仿真軟件，與三維設計軟件之間缺乏數據接口，只有通過對軟件的二次開發，才能使計算模型的更新與設計更改同步。例如結合Catia、Excel等軟件，對Flowmaster進行二次開發使模型從一維成為三維模型，更利于流體的三維仿真分析。基于MATLAB新的彈性水擊仿真計算方法華北水利水電學院學報發表的“一種新的彈性水擊計算方法”是孟安波等基于MATLAB軟件提出的一種新的彈性沖擊壓力“e指數”計算方法，該方法不但易于將方程展開，不帶來誤差，而且易于建模仿真。該計算方法準確地反映了水擊壓力極值點及整個動態過程，同時該方法將介質摩擦阻力對沖擊壓力的影響考慮在內，提高了計算精度，使用方便，實用性得到了提高。因為該計算方法需要準確的估算相應的摩擦系數值，才能建立含有摩擦因子的、精確的彈性水擊計算模型，提高水擊計算的精度。LB方法模擬水電站水擊LatticeBoltzmann(LB)方法是一種可求解偏微分方程、模擬流動現象的計算方法。自80年代末90年代初誕生以來，它以算法簡單、并行度高、幾何邊界易處理等優點引起了人們的注意，并得到迅速發展。目前，它在非線性偏微分方程求解、多相流、多孔介質流，特別是大規模三維流場的模擬等方面顯示出較大的潛力，展示了廣闊的前景。這種方法主要在民用水利系統模擬水電站水擊，航空燃油管道系統的仿真計算中使用。
2.3某型飛機管道系統需要計算的沖擊壓力
在閥門關斷或開啟的過程中會產生非恒定流的沖擊壓力，因此有必要對其產生的沖擊壓力進行計算和故障分析。飛機燃油管道系統的沖擊壓力現象是一種典型的有壓管道非恒定流問題，屬于彈性沖擊壓力計算范疇。飛機壓力加油系統工作時是一個密閉的有壓管道系統，若油箱內的控制活門突然全部切斷時，由于加油管道進口的安裝位置不同，按照產生最大沖擊壓力的條件，飛機順航向左翼Ⅰ號油箱管道會出現加油系統的最大沖擊壓力。如果沖擊壓力超過了管道的承受壓力，就會對系統及其管道造成損壞，因此需要對加油控制活門關斷時系統產生的沖擊壓力值進行計算。根據壓力加油系統布局，建立沖擊壓力計算模型如圖2所示。以工作壓力為0.34MPa為計算加油壓力，加油控制活門成品正常關斷時間為3s，計算模型采用的閥控制器作為控制元件來實現對加油控制活門的控制，閥控制器的輸入參數如圖3所示。計算中設置管路沖擊壓力波速為1038m/s，沖擊壓力相長為0.027s。0.34MPa加油壓力下，4組油箱內的加油控制活門理論同時關閉時，Ⅰ號油箱加油控制活門處最大沖擊壓力值為0.603MPa，其余3組油箱加油控制活門處最大沖擊壓力值都沒超過這個壓力值，Ⅰ號油箱活門處的沖擊壓力。通過對系統沖擊壓力分析、仿真、計算表明，壓力加油系統最大沖擊壓力出現在4組活門同時關閉狀態，當加油壓力為0.34MPa時，Ⅰ號油箱加油控制活門處最大沖擊壓力值為0.603MPa。滿足最大沖擊壓力不超過系統檢驗壓力要求。壓力加油管道系統的沖擊壓力，在相同條件下，從傳統計算的方法得出的結論和Flowmaster軟件仿真計算得出的結論，其管道所承受的壓力誤差是顯而易見的。基于Flowmaster軟件仿真計算結果的精度高，更具有合理性。
3管道系統設計計算
由于沖擊壓力與管道長度成正比，在管道其它參數度相同的情況下，管道越長，越可能發生最大的沖擊壓力。且管道內沖擊壓力的大小與管道的長度成正比，減小管道的長度，可以緩和沖擊壓力，因此在設計中應盡量縮短管道長度以削減沖擊壓力。從間接沖擊壓力公式可看出，沖擊壓力相第4期施傳家:飛機燃油系統管路沖擊壓力問題的研究35長T越長，在相同的切斷閥關閉時間下，管道內沖擊壓力就越大，沖擊壓力Δp與相長T成正比，減小相長T，可以緩和沖擊壓力。在設計中選擇切斷閥時應盡量選擇既符合設計要求又使啟閉時間較長的成品，從而避免產生直接沖擊壓力并可降低間接沖擊壓力。在切斷閥入口處增設泄壓閥，采用被動的泄壓方法使產生的壓力增值釋放掉，從而達到保護管道及切斷閥零件的目的，例如波音737等系列飛機就采用這種方式。
4結論
如何把沖擊壓力最大值控制在檢驗壓力范圍之內，將沖擊壓力發生的頻率和造成的危害降至最低，這是從事燃油系統設計者必須考慮的問題。
作者：施傳家單位：中航通飛研究院有限公司
