一种远程喷气燃料补给系统设计

王宏泳 李华垚 季晓亮

摘要：远程喷气燃料补给系统（下称补给系统）主要用于在机场、公路、飞机跑道等条件下为飞机提供喷气燃料的接收、输转、储存、加注等；补给系统采用模块化设计，由整体自装卸车、托盘、储存输转模块、喷气燃料加注模块、过滤计量模块、管路附件模块、伪装防护模块等组成，展开组装后可以为飞机进行远程油料补给。基于此，围绕远程油料补给系统的组成、模块化结构设计进行深入的分析，并对系统组装后的匹配性、水击压力等进行设计计算。

关键词：喷气燃料补给系统；模块；水击压力

中图分类号：U463  收稿日期：2023-04-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.05.012

1 国内外情况

在机场设备无法正常进行油料补给任务时，为了给飞机提供应急喷气燃料保障，需紧急启用备用设备，机场远程油料补给系统便是为飞机进行紧急油料补给而设计的［1-2］。

近年来，随着空军现代化的发展，航空油料保障的模式和装备也有了很大的变化，多功能管道加油车、输油管线、油库车、机场油料补给系统等保障装备走进了许多空军场站。随着我国空军实力的不断增强，现役的装备已经不能满足空军的作战需求，各种装备保障能力的不足也不断暴露。例如，油库车为空军针对通用油料的加注系统，没用高精细的过滤设备，且加油流量小；飞机管道加油车不具备油料储存的能力；现役机场油料补给系统保障能力弱等。

美国空军在2006年装备了新一代油料机动保障系统，又称为油料全进程保障系统或简称为FORCE系统，该系统全称为Fuels Operational Readiness Capability Equipment。通过资料分析，其设计在技术上改变了以往以飞机加油车为加油装备的使用模式，改用以软油囊为储油单元，通过过滤单元、加油单元直接为飞机进行油料加注作业，避免了因飞机加油车储油容量有限而难以实施持续油料保障的缺陷。在实际使用过程中，该装备系统也可以通过给飞机加油车灌油后由飞机加油车为飞机进行油料加注作业［3-4］。

通过以上分析可知，空军现役的油料补给装备还以车族化发展为设计理念，底盘与上装为一体式结构，底盘的利用率低，整车价格成本高。而美军的该装备为模块化设计理念，底盘可以重复多次利用，提高了底盘的利用效率，各模块的成本也相对较低。

为适应现代装备的发展需求，新一代远程喷气燃料补给系统的研发势在必行。

2 主要研究内容

本文结合油料装备勤务理论与地面移动设备知识理论，主要研究补给系统的组成、组装及运输，并对补给系统展开组装后的性能进行了匹配性、安全性设计计算。

3 主要方案

a.主要组成。

机场喷气燃料补给系统（下简称补给系统）采用功能模块加整体自装卸车的结构形式，由整体自装卸车、托盘、储存输转模块、喷气燃料加注模块、过滤计量模块、管路附件模块、伪装防护模块等组成，如图1所示。

b.展开应用模式。

补给系统在展开后可根据地形特征不同，以灵活的布局方式展开，不同展开方式下均可同时为两架飞机进行油料补给保障，具体见图2所示的长方形布局，以及图3所示的正方形布局。

c.运输。

补给系统平时收纳于过滤计量模块 、管路附件模块及伪装防护模块组成辅助模块、储存输转模块及喷气燃料加注模块内，可被系统运载底盘分三次运输到指定地点，也可同时被系统运载底盘和普通车辆运输到指定地点。

4 主要系统设计

a.储存输转模块。

储存输转模块采用方舱的结构形式，由输油系统、输油电控系统、软体油囊、手动吊车、余油回收油囊、输油胶管、灭火器、导静电卷盘和方舱等组成，主要用于为喷气燃料加注模块输送燃油，也可用于软体油囊计量接收运加油车、输油管线输送的油料。具体结构如图4所示。

b.喷气燃料加注模块。

喷气燃料加注模块采用标准方舱的结构形式，由加油系统、气控系统、液压系统、加油电控系统、输油软管及通讯线卷盘、软管排空设备（清管器及发送装置）、地井接头、灭火器、导静电卷盘和军用方舱等组成。该模块主要用于接收储存输转模块泵送的喷气燃料或机场地下管网输送的喷气燃料，经过滤、计量后为两架飞机或飞机加油车提供喷气燃料加注保障，还可进行加油胶管余油回抽、排空等专项作业功能。喷气燃料加注模块如图5所示。

5 匹配性计算

由上述方案可知，机场远程油料补给系统主要由储存输转模块和喷气燃料加注模块组成。两个模块均以柴油泵机组内的两套离心泵为动力源共同实现远程油料的补给。储存输转模块内的泵机组主要实现喷气燃料的供给，加注模块内的泵机组主要实现喷气燃料的加注。为保证油料补给系统的正常油料保障工作，油料供给及加注系统内泵的性能与系统需相互匹配，而泵的主要性能指标总扬程取决于油料补给系统的管路阻力损失，根据管路系统的工作流程，油料补给系统有以下四种工况：

工况一：单枪加油。其流程为：油源→?150软质管路→输油泵→?150硬质管路→补偿器→过滤分离器→流量计→球阀→500米?150软质管路→球阀→加油泵→补偿器→过滤分离器→流量计→球阀→长20 m的软管→飞机压力加油接头，以1 500 L/min的流量对单架飞机进行加油。

工况二：双枪加油。其流程为：油源→?150软质管路→输油泵→?150硬质管路→补偿器→过滤分离器→流量计→球阀→500 m ?150软质管路→球阀→加油泵→补偿器→过滤分离器→流量计→球閥→长20 m的软管→飞机压力加油接头，以3 000 L/min的流量对两架飞机进行双枪加油。

工况三：油库吸油到单枪加油。吸油流程为：?150吸油胶管→CRJ接头→?150球阀→?150硬质管路→输油泵，系统吸油流量1 500 L/min，单枪加油流程见工况一。

工况四：油库吸油到双枪加油。吸油流程为：?150吸油胶管→CRJ接头→?150球阀→?150硬质管路→输油泵，系统吸油流量3 000 L/min，双枪加油流程见工况二。

综合分析以上四种工况，相较于其他工况，工况四的管路损失最严重，因此，只要供给系统与加注系统内泵的扬程满足工况四的管路损失需求，即可满足整个油料补给系统组装后的油料补给要求。

由工况四知，由于整个补给系统管路复杂，为便于计算，将管路系统分为双枪加油系统管路阻力损失和吸油系统管路阻力损失。

在双枪加油过程中，根据管道设计相关理论知识，管路阻力损失主要包括沿程阻力损失、局部阻力损失和静压阻力损失。由流体力学中的伯努力方程可知，管道系统的总压力损失应为所有沿程压力损失和所有局部压力损失之和，即：

吸油过程中的管路系统阻力损失的计算见表1，加油管路系统阻力损失的计算见表2。由表1和表2数据可知，吸油至双枪加油管路总阻力损失h=135.24 m+5.17 m=140.41 m。

根据表1～表2内容，结合双泵协同加油作业的特点，选定流量为200 m?，扬程为140 m的输油泵及加油泵。

6 水击压力计算

远程油料补给系统由油料输送系统和油料加注系统共同组成，由于加注距离长、输送压力大，若设计不当会造成水击现象的发生，水击是压力管道中一种重要的非恒定流。当压力管道中的流速因外界原因而发生急剧变化时，会引起液体内部压强迅速交替升降的现象。这种交替升降的压强作用在管壁、阀门或其他管路元件上好像锤击一样，称为水击。水击引发的压强升高或降低，有时会达到很大的数值，处理不当将导致管道系统发生强烈的振动，甚至引起管道严重变形或爆裂。因此，在本系统的设计中，必须进行水击压力计算。

当发生水击现象时，根据流体力学原理，压力管道中任一点的流速和压力不仅与该点的位置有关，而且与时间有关，这一不稳定状态将持续过渡到下一稳定状态。

设在水平管内取出一段流体，在时间段内，水击波从流体的一边传递到另一边，水击波传播速度为a，所以流体长度为[?L=a?t]。设原有的流速为[V0]，水击波通过后的流速为[V0??V]，流速为[?V]。压强也从原有的[Γh]增大到[γ（H+?H）]，同时流体密度和管道断面都有相应的变化。根据冲量变化应等于动量变化的原理，即：

可以将两个压力流量控制器看作两个阀门，其中需进行水击压力防护的管路，包括喷汽燃料加注模块内的压力流量控制器到过滤分离器出口的管路，以及500 m软管到过滤计量模块内过滤分离器出口的部分。

a.当兩个阀门同时关闭时，假设阀门骤关，则最大压力升高：

P1max=750×916×2.83=1.94 MPa>1.0 MPa

P2max=750×1 132×2.83=2.4 MPa>1.0 MPa

b.当两个阀门不同时关闭时，假设阀门骤关，则最大压力升高：

P1max=750×916×1.415=0.97 MPa>0.827 MPa

P2max=750×1 132×1.415=1.2 MPa>0.827 MPa

由上述计算可知，系统在两个阀门同时关闭时的水击压力远高于单阀门关闭时产生的水击压力，因此，本系统管路内的两套阀门需间隔开启及关闭，间隔时间按软管的相长时间乘以安全系数订制，可取为2 s。这样就大幅提高了工作的安全性。从上述数据中仍可看出，即使两个阀门不同时关闭，系统的水击压力还是大于0.827 MPa，故在长输管路中需必须采取防水击压力的措施，以免发生事故。

7 结语

补给系统采用模块化设计，易于平时储存，运输方便，展开后可以为两架飞机进行喷气燃料的补给。通过匹配性计算，得出其展开后性能与实际工况相匹配；通过水击压力的计算，得出了控制飞机加油的两套阀门开关间隔需大于2 s。

参考文献：

［1］苏乐寿离心泵手册［M］上海：上海科技文献出版社，1995.

［2］左健民液压与气压传动［M］北京：机械工业出版社，2000.

［3］徐文灿气动元件与系统设计［M］北京：北京机械工业出版社，1995.

［4］盛敬超工程流体力学［M］北京：北京机械工业出版社，1988.

作者简介：

王宏泳，男，1983年生，工程师，研究方向为油料保障装备。