肖海強(qiáng) 飛機(jī)系統(tǒng)原理

1、南昌航空大學(xué)科技學(xué)院飛機(jī)系統(tǒng)原理小型無(wú)人機(jī)燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)班級(jí)： 1381012 姓名： 肖海強(qiáng) 學(xué)號(hào)： 138101230 設(shè)計(jì)要求.1摘要.3引言.3一、燃油箱總體設(shè)計(jì).4 1、燃油載油量和加油方式的確定.4 2、燃油箱通氣系統(tǒng)設(shè)計(jì).4二、燃油的高空性能計(jì)算.7 1、油箱是否需要增壓.7 2、燃油泵入口壓力的校核.7三、發(fā)動(dòng)機(jī)入口壓力校核.9 1、發(fā)動(dòng)機(jī)入口壓力校核.9 2、一級(jí)增壓泵損壞后的安全飛行高度.11四、燃油測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì).12五、燃油放油系統(tǒng)設(shè)計(jì).15參考資料.15設(shè)計(jì)要求一、設(shè)計(jì)內(nèi)容 1.按圖一要求進(jìn)行飛機(jī)燃油系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)，含供油、加油、通氣、放油和油箱以及油量指示系統(tǒng)，畫(huà)出原理圖

2、（含估算供油和通氣管路直徑），論述燃油系統(tǒng)各成分系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)； 2.燃油系統(tǒng)供油性能（高空性）計(jì)算； 2.1 增壓泵入口壓力計(jì)算，以校核升限高度是否需要增壓； 2.2 供油壓力入口壓力計(jì)算（溫度按43）和一級(jí)增壓泵損壞后的安全飛行高度計(jì)算，校核增壓泵的性能是否滿足要求，忽略過(guò)載損失； 3.油量測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)（僅布局1根電容式油量傳感器），并計(jì)算油量高度曲線和校核其在巡航姿態(tài)下的指示誤差；二、已知條件 1.飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表1和表2； 2.已知供油系統(tǒng)管路長(zhǎng)度5m，局部阻力系數(shù)之和為10，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油路口高度比油箱底部出口高0.5m; 3.油箱載油量90L，油箱尺寸長(zhǎng)寬高500*400*50

3、0； 4.增壓泵油量參數(shù)見(jiàn)圖二，增壓泵的氣蝕臨界條件為入口壓力比燃油飽和蒸汽壓力小5kPa。增壓泵不工作時(shí)，流量為60L/h，流阻為5kPa。 5.燃油流速0.5m/s2m/s表1 飛機(jī)主要性能參數(shù)項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)巡航姿態(tài)-13法向過(guò)載0+0.1g使用升限（m）4500軸向過(guò)載-0.3+0.7g表2 發(fā)動(dòng)機(jī)入口參數(shù)項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)燃油類型RH-75航空汽油發(fā)動(dòng)機(jī)入口要求溫度45壓力0.62.0bar(絕對(duì)壓力)，應(yīng)急供油壓力不小于0.3bar發(fā)動(dòng)機(jī)耗量3000米以下最大60L/h；30005000米以下最大40L/h過(guò)濾精度50UM 當(dāng)油量為60L/h,流阻為7kPa2摘要無(wú)人駕駛飛機(jī)簡(jiǎn)稱

4、“無(wú)人機(jī)”，英文縮寫(xiě)為“UAV”，是利用無(wú)線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的飛機(jī)。燃油系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)上眾多系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)，它的可靠性和安全性是飛行安全的重要考慮因素，本文燃油系統(tǒng)是根據(jù)升限高度，發(fā)動(dòng)機(jī)入口燃油壓力，RH-75航空汽油，燃油流速，通氣性能，燃油泵防氣穴等條件設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)供輸油系統(tǒng)。參考飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第十三冊(cè)的設(shè)計(jì)思路和步驟，得出油箱通氣管直徑為21mm，油箱增壓為6.32kPa，輸油管半徑為2.5mm，一級(jí)增壓泵增壓值為10.36kPa，在一級(jí)增壓泵失效的情況下飛行高度為3100m等數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：供輸油系統(tǒng) 雷諾數(shù) 湍流 二分法 雷德蒸氣 飽和蒸汽壓引言 飛機(jī)燃油系統(tǒng)用來(lái)儲(chǔ)存

5、發(fā)動(dòng)機(jī)（含輔助動(dòng)力裝置）需要的燃油，并在飛機(jī)允許的一切飛行姿態(tài)和工作條件下，不間斷地有效地向發(fā)動(dòng)機(jī)供油，即滿足發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵入口流量、壓力、溫度、汽/液比要求。另外，燃油系統(tǒng)還具有冷卻飛機(jī)上其他設(shè)備（或系統(tǒng)）和保持飛機(jī)重心在規(guī)定范圍內(nèi)等附加功能。飛機(jī)燃油系統(tǒng)由供輸油系統(tǒng)、燃油箱、通氣增壓系統(tǒng)、加放油系統(tǒng)、油量測(cè)量和信號(hào)指示系統(tǒng)、抑爆系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等組成。本文將根據(jù)所給的某型小型無(wú)人機(jī)的相關(guān)參數(shù)和要求進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。 一、燃油箱的總體設(shè)計(jì)1、燃油載油量和加油方式的確定 （1）根據(jù)幾何尺寸核算油箱的容積，考慮膨脹容積和殘余燃油體積后，確定載油量是否有90L 根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第十三冊(cè)17.3.2燃油箱布

6、置和可用油量在確定燃油箱容積時(shí)，要計(jì)及以下因素：a. 預(yù)留占油箱容積3%4%的膨脹空間。b. 預(yù)留占油箱容積1%2%的不可用燃油。計(jì)算：油箱總體積： 545=100L膨脹空間占油箱體積： 3%4%100=(34)L不可用燃油占油箱體積： 1%2%100=(12)L100-46=9496L90L 所以油箱載油量最大為96L，滿足90L要求，可用。 （2）加油方式及加油口的確定根據(jù)設(shè)計(jì)原則確定加油方式：重力加油重力加油口的設(shè)置位置在油箱上表面右側(cè)。2、燃油箱通氣系統(tǒng)設(shè)計(jì) （1）根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)手氣冊(cè)第十三冊(cè)18.11.2通系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第十三冊(cè)18.11.2公式18-24計(jì)算通氣 根據(jù)

7、要求，考慮升限高度和地面時(shí)油箱內(nèi)的壓力。油箱內(nèi)外壓差要小于2kPa，而4500m高空的壓力為57.8kPa，假設(shè)為一種極限狀態(tài)，此時(shí)內(nèi)外壓差就是2kPa（即油箱內(nèi)壓為55.8kPa）。該情況下用二分法計(jì)算出通氣管的最小直徑d。查空氣動(dòng)力學(xué)附錄3得到需要的相關(guān)數(shù)據(jù)如下表：高度（m）溫度（）壓力（kPa）密度（）4500258.957.80.07780288.15101.31.225資料得該氣體為湍流，查飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第十三冊(cè)表18-1得雷諾數(shù)和摩擦阻力系數(shù)如下：假設(shè)通氣管路長(zhǎng)約1m，局部阻力系數(shù)和為5，計(jì)算：管道水力模數(shù) ：管道當(dāng)量長(zhǎng)度： 運(yùn)用二分法求得d=2.1mm。 根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，通氣管徑

8、必須大于2.1mm才能滿足要求，所以綜合考慮通氣管徑取d=21mm。 （2）根據(jù)上一步算的結(jié)果，校和是否滿足升限高度和地面時(shí)油箱內(nèi)的壓力差小于2kPa，計(jì)算： a.4500m情況下：P外=57.8kPa求得：P內(nèi)=57.79kPa內(nèi)外壓差： b.地面情況下：T空氣溫度=288KP外=101.3kPa求得：P內(nèi)=101.29kPa內(nèi)外壓差：根據(jù)校和結(jié)果，升限高度和地面時(shí)油箱內(nèi)的壓力差都為0.01kPa，小于2kPa，所以滿足要求。二、燃油的高空性能計(jì)算 1、油箱是否需要增壓（1）比較外界大氣壓力與飽和蒸氣壓力是否大于910kPa，判斷是否需要（見(jiàn)飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)13冊(cè)18.12.4.1要求）。根據(jù)飛

9、機(jī)技術(shù)要求，采用RH-75號(hào)航空汽油，查飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)13冊(cè)表18-44查雷德蒸氣壓力：得出雷德蒸氣壓為。根據(jù)公式18-56計(jì)算燃油溫度為43時(shí)飽和蒸氣壓力；比較升限高度時(shí)外界大氣壓與燃油溫度為43時(shí)飽和蒸氣壓力是否大于9-10kPa，如果是，則采用開(kāi)敞式通氣系統(tǒng)，燃油箱不需要增壓。 通過(guò)公式，計(jì)算得出在升限高度時(shí)RH-75飽和蒸汽壓=45.27KPa；=57.8KPa-45.27KPa=12.53KPa10KPa。所以不需要增壓。 2、燃油泵入口壓力的校核燃油箱內(nèi)的壓力不僅要保證大于燃油的飽和蒸氣壓力，而且還要滿足燃油泵的入口壓力要求，若不能滿足則系統(tǒng)仍需要進(jìn)行增壓。經(jīng)過(guò)通氣系統(tǒng)的計(jì)算，在升限

10、時(shí)，燃油箱內(nèi)的壓力仍與外界大氣壓相近，為57.79KPa，根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)離心泵入口壓力計(jì)算關(guān)系式：燃油泵最小入口壓力；：燃油泵防氣蝕余壓；：葉輪工作最低壓力；：燃油泵轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)每分鐘；：流量，立方米每秒；：燃油泵氣蝕系數(shù)；：燃油密度，；：燃油飽和蒸氣壓。 取燃油泵的轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)每分鐘，油泵氣蝕系數(shù)為1000，按照發(fā)動(dòng)機(jī)最大耗油量60升每小時(shí)計(jì)算防氣蝕壓力=33.325Pa；工作葉輪進(jìn)口最低壓力為=54.324KPa，則燃油泵的入口最小壓力約為。在升限高度時(shí)，與外界大氣壓=57.79KPa相比，燃油泵的入口最小壓力小于外界大氣壓，因此油箱內(nèi)不需要增壓就能滿足工作條件。三、發(fā)動(dòng)機(jī)入口壓力校和 1

11、、發(fā)動(dòng)機(jī)入口壓力校核（即供油系統(tǒng)計(jì)算，在增壓泵工作時(shí)）：供油系統(tǒng)圖根據(jù)公式：相關(guān)需要數(shù)據(jù) 項(xiàng)目高度PH(KPa)()g（N/kg）H（m）V（m/s）4500m57.854.32457019.80.523000m70.154.32457019.80.52計(jì)算： a.4500m情況下： b.3000m情況下：根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在3000米高空時(shí)燃油箱在不需要增壓的情況想滿足增壓泵最小入口壓力;而在4500米高空時(shí)需要增壓6.32kPa才能滿足增壓泵最小入口壓力，所以燃油箱在此情況下仍需要增壓6.32kPa。即=6.32KPa。已知： 發(fā)動(dòng)機(jī)油泵入口壓力正常工作是； 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)最大流量，按燃油流速0.

12、5-2m/s，假設(shè)供油管路直徑為； 局部阻力計(jì)算和沿程阻力計(jì)算參數(shù)； 已知增壓泵增壓值（根據(jù)流量查圖中對(duì)應(yīng)的壓力）； 忽略慣性損失。計(jì)算條件：在升限高度，用40L/h；油濾流阻最大7kPa。根據(jù)伯努利方程，在升限高度4500m時(shí)，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)入口壓力：得出發(fā)動(dòng)機(jī)入口壓力公式為：根據(jù)已知條件： H=0.5m，y=0，g=1.7g計(jì)算得出：增壓泵最小增壓值計(jì)算：一級(jí)增壓泵的增壓值為： 2、一級(jí)增壓泵損壞后的安全飛行高度(即供油系統(tǒng)計(jì)算，在增壓泵不工作時(shí))流量為60L/h，增壓泵流阻為5kPa，發(fā)動(dòng)機(jī)入口壓力為30kPa，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的外界大氣壓力，及對(duì)應(yīng)的飛行高度H。已知的條件：根據(jù)公式計(jì)算出當(dāng)一級(jí)增

13、壓泵失效時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，所對(duì)應(yīng)的大氣壓力：根據(jù)外界壓強(qiáng)與高度的關(guān)系式計(jì)算出對(duì)應(yīng)的高度：計(jì)算出對(duì)應(yīng)的飛行高度H=3131.66m,取整H=3100m。四、燃油測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)我們依據(jù)燃油箱的長(zhǎng)方體的結(jié)構(gòu)，將燃油油量傳感器布置在油門(mén)重心位置。根據(jù)資料，我們采用電容式傳感器。根據(jù)電容式傳感器測(cè)量原理：當(dāng)傳感器尺寸確定了，燃油介質(zhì)也不發(fā)生改變時(shí)，其電容增值僅與h有關(guān)。電容式油量測(cè)量系統(tǒng)采用特型油量傳感器，它的內(nèi)管按油箱的油量高度曲線變面積管，使其電容量的變化與油箱內(nèi)燃油體積變化呈線性關(guān)系。通過(guò)測(cè)量油箱內(nèi)的油面高度，便可確定油箱內(nèi)燃油體積，最后得到油箱剩余油量的重量。根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第十三冊(cè)32.4.1系統(tǒng)工作原理：油量傳感器浸油后的電容值，F(xiàn)；：油量傳感器未浸油后的電容值,F；：空氣的介電常數(shù)，；K：相對(duì)介電常數(shù)，；：燃油的介電常數(shù)，；：油量傳感器的浸油高度，mm；：油量傳感器內(nèi)管半徑，mm；：油量傳感器外管半徑，mm。當(dāng)內(nèi)外徑不變時(shí)，油量和高度呈線性關(guān)系。當(dāng)飛機(jī)俯仰角為0度時(shí)，油量高度曲線如下圖：由于油箱形狀為規(guī)則的長(zhǎng)方體，根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第十三冊(cè)32.4.2油量-高度曲線的計(jì)算與修正 ，容積修正系數(shù)A取0.96。（h為未修正曲線，h1為修正后曲線）當(dāng)飛機(jī)俯仰角為-1度時(shí)俯仰角為-1度計(jì)算圖當(dāng)飛機(jī)俯