某型直升機燃油增壓轉自吸潤滑油試驗研究

某型直升機燃油增壓轉自吸潤滑油試驗研究

只有在飛機的協(xié)助下，才使用飛機所需的燃料，并根據(jù)機槍的要求連續(xù)供應燃料。通常直升機燃油系統(tǒng)有兩種供油方式:增壓供油和自吸供油。這兩種供油方式主要區(qū)別是供油箱內燃油是否通過增壓泵增壓輸?shù)桨l(fā)動機油泵。由于某些直升機燃油系統(tǒng)的特殊工作要求,在增壓泵出口和自吸油口各設有一個開啟壓力不同的單向閥,自吸油口單向閥開啟壓力較小,增壓泵出口單向閥開啟壓力較大。在如下狀況時,將從增壓供油轉為自吸供油。(1)增壓供油時,增壓泵失效,增壓泵出口壓力不能維持其出口單向閥開啟狀態(tài),轉為通過自吸油口由發(fā)動機自吸供油。(2)為滿足防彈抗墜毀要求,發(fā)動機起動時增壓供油,當發(fā)動機運行穩(wěn)定后,關閉增壓泵,轉為通過自吸油口由發(fā)動機自吸供油。直升機燃油系統(tǒng)從增壓轉為自吸供油瞬間,燃油系統(tǒng)管路內燃油壓力將從正壓驟降為負壓,增壓泵出口單向閥關閉和自吸油口單向閥開啟是否匹配將直接影響發(fā)動機入口燃油流量和壓力變化,這種變化是否滿足發(fā)動機要求將直接影響直升機的飛行安全。目前,飛機燃油系統(tǒng)動態(tài)特性研究主要集中在油泵故障或閥門關閉等方面,這些研究均未涉及輸油過程中增壓泵出口單向閥關閉及自吸油口單向閥開啟的動特性。本文對直升機燃油系統(tǒng)增壓轉自吸供油的動態(tài)過程進行探討,并在此基礎上,分析了增壓泵出口單向閥的彈簧預緊力、彈簧剛度對發(fā)動機入口燃油流量、壓力的影響。1燃油系統(tǒng)的數(shù)學模型1.1增壓泵控制部分燃油系統(tǒng)及發(fā)動機流量控制系統(tǒng)構成一個流體網(wǎng)絡,某典型燃油系統(tǒng)簡化成如圖1所示,由增壓泵、增壓泵出口單向閥、自吸油口單向閥、流量控制閥、發(fā)動機油泵和管路等組成。增壓供油時,增壓泵工作,燃油通過增壓泵出口單向閥、供油管路等進入發(fā)動機,供油管路內為正壓。當關閉增壓泵或增壓泵失效時,由于發(fā)動機油泵的抽吸作用,燃油管內變?yōu)樨搲?自吸油口單向閥開啟壓力、流阻均小于增壓泵出口單向閥,自吸油口單向閥將迅速打開,增壓泵出口單向閥將迅速關閉,燃油經(jīng)自吸油口單向閥、供油管路等進入發(fā)動機,轉為自吸供油。1.2有單元連接于節(jié)點的流量流體網(wǎng)絡上任意流體節(jié)點都要滿足連續(xù)方程,對任意節(jié)點m,有式中:qm為單元連接于節(jié)點的節(jié)點流量;Qm為輸入該節(jié)點的總流量;為對節(jié)點有貢獻的所有M個單元求和。建立所有節(jié)點的連續(xù)方程,得到整個流體網(wǎng)絡總體線性方程組。1.3h的描述與管道再描述對于有壓管內流體的流動,通常假定為一維流動,其瞬態(tài)過程可用一維管流的連續(xù)方程式(2)和運動方程式(3)來描述忽略νsinα,,并將水頭H轉換成壓力p,流速ν轉換成質量流量6)m,式(2,3)可化為式中:H表示水頭;ν表示流速;c表示波速;g表示重力加速度;α表示管軸與水平面的夾角;D表示管道直徑;λ表示Darcy-Weisbach摩阻因數(shù);ρ表示密度;t表示時間;x表示管道坐標;p表示壓力;A表示管道截面積。1.4閥芯運動方程單向閥結構如圖2所示。圖中:h為閥芯位移;p1為閥門入口壓力;p2為閥門出口壓力;FE為彈簧力;FH為閥芯上下表面所受的液壓力;FF為阻尼力;FW為閥芯重量。閥芯運動方程為流阻方程為式中:m為閥芯(含液體)質量;f為阻力系數(shù);k為彈簧剛度;Δp為壓差;k為損失系數(shù),k=f(h);FEpreload為彈簧預緊力。1.5泵特性分析方程增壓泵、發(fā)動機油泵均采用離心泵。離心泵停泵過程中,可能會經(jīng)歷泵制動耗能、水輪機等運行工況,數(shù)值模擬停泵動態(tài)過程必須已知離心泵的全特性曲線。泵全特性曲線若采用與泵正常工況性能曲線相近似的繪制方法,以流量Q為縱坐標,揚程H和轉矩M為橫坐標,繪制不同轉速下4個象限的泵特性曲線;或以無因次相對速度α為縱坐標,無因次相對流量q=ν為橫坐標,分別繪制等相對揚程曲線(H為常數(shù))和等相對轉矩曲線(M為常數(shù)),則所繪曲線可直接應用于水錘圖解法,比較直觀、簡便,但難于數(shù)學表達,不便于數(shù)學模型建立。文獻根據(jù)泵相似原理,提出新坐標體系,將水泵全特性曲線在[0,2π]區(qū)間變換為兩條無因次曲線,則物理意義明確且有利于數(shù)學描述。離心泵水頭微分方程為對該方程線性化其中式中:H為油泵水頭;ω為油泵轉速;τ為軸力矩;τi為驅動力矩;τf為摩擦力矩;H*為油泵水頭量綱一參數(shù);ω*為油泵轉速量綱一參數(shù);Q*為油泵流量量綱一參數(shù)。1.6流量控制器數(shù)學模型的流量控制器流阻方程為仿真時,首先求解整個流體網(wǎng)絡的總體方程組,得到穩(wěn)態(tài)時候元件的流量、水頭參數(shù),再應用特征線法進行瞬態(tài)過程計算。2原油壓縮油法的模擬模型2.1基于pid的發(fā)動機流量控制本文建立了某典型燃油系統(tǒng)模型,用于增壓供油轉自吸供油的仿真研究。Flowmaster2軟件航空版中沒有提供發(fā)動機元件,本文主要研究增壓轉自吸供油過渡過程中增壓泵出口單向閥與自吸油口單向閥的匹配性以及發(fā)動機入口燃油流量、壓力的特性變化,因此,將發(fā)動機簡化成一臺離心泵和流量控制閥,采用PID進行流量控制,PID控制采用流量反饋。建立仿真模型如圖3所示。圖中:元件2、16為燃油泵(2為增壓泵,16為發(fā)動機油泵),元件13為增壓泵出口單向閥,元件18為自吸油口單向閥,元件9為流量控制閥,元件3、10、15為油箱,元件14為PID控制器,元件5、7、8為流量測量元件,元件1、12為彈性管,其余管路元件為剛性管。2.2地面模擬試驗結果如圖4所示模型,取消PID流量控制,將流量控制閥開度設為恒定值,將增壓轉自吸供油的流量仿真結果與試驗數(shù)據(jù)比較,以驗證模型的有效性。模擬發(fā)動機入口處流量5.4L/min;將增壓泵關泵時間均設在1.5s處。仿真結果與地面模擬試驗結果見圖4,仿真結果流量從5.4L/min下降到3.2L/min,隨后穩(wěn)定在3.5L/min;試驗結果從5.45L/min下降到3.22L/min,隨后流量穩(wěn)定在3.625L/min。誤差為3.4%,表明仿真模型是有效的。試驗曲線在最小處有一段平緩區(qū)而仿真曲線到達最小值后直接回轉上升,其主要原因是試驗過程中渦輪流量計本身存在著轉動慣性,而且系統(tǒng)采樣頻率較低。軟件仿真則忽略了這些因素的影響。3油擠出系統(tǒng)性能分析3.1發(fā)動機入口壓力下降按圖3所示模型,采用PID控制將流量控制為4.5L/min,仿真結果如圖5所示。由圖5可知,隨著電機轉速下降,自吸油口單向閥壓差快速減小至某一值,自吸油口單向閥開始打開、自吸油口流量開始上升;增壓泵出口單向閥開始關閉、增壓泵出口流量開始下降,使得發(fā)動機入口流量下降及超調均小于2%;發(fā)動機油泵入口壓力快速下降,隨后上升;增壓轉自吸供油能滿足發(fā)動機入口處的流量、壓力要求。3.2參數(shù)效應分析3.2.1圖1:美國監(jiān)獄警察-區(qū)將流量分別控制為1.5,4.5,9L/min,仿真結果如圖6所示。由圖6可知,增壓泵出口單向閥流量快速下降,自吸油口單向閥流量快速上升,發(fā)動機入口流量略有下降及超調,不超過2%,增壓轉自吸供油均能滿足發(fā)動機入口處的流量要求。3.2.2彈簧剛度仿真將流量控制為1.5L/min,增壓泵出口單向閥彈簧剛度分別設為225,500和750N/m,彈簧剛度越大,則在同樣的壓差下,閥的開度越小。仿真結果如圖7所示。由圖7可知,彈簧剛度越大,增壓泵出口單向閥關閉速度快,流量下降快,自吸油口單向閥打開也快,流量上升也快,發(fā)動機入口流量略有下降及超調,不超過2%。3.2.3增壓泵出口單向閥出油彈簧剛度為225N/m,流量為1.5L/min,將彈簧預緊力分別設為0.26,1.10和2.26N,預緊力越大,單向閥開啟壓力越大。仿真結果如圖8所示。由圖8可知,在彈簧預緊力為0.26N時,自吸油口單向閥打開,增壓泵出口單向閥開度減小,但不全部關閉,兩個單向閥同時進油;當彈簧預緊力增大,增壓泵出口單向閥完全關閉,且隨著彈簧預緊力增大,增壓泵出口單向閥關閉越快,自吸油口單向閥打開也快,發(fā)動機入口流量略有下降及超調,不超過2%。4發(fā)動機入口流量控制本文構建了某典型燃油系統(tǒng)模型,驗證了該模型的正確性,并利用所建模型進行了一系列仿