民用飞机辅助燃油箱系统燃油转输油出口位置研究

姚莉君

(上海飞机设计研究院，上海 201210)

0 引言

民用飞机的基本燃油箱通常指的是原机结构组成的整体燃油箱，用来给发动机或辅助动力装置(APU)工作直接提供燃油的燃油箱。

辅助燃油箱指的是原型飞机基本燃油箱之外附加的燃油箱(组)，用于存储额外燃油以增加航程。

民用飞机通常在货舱或者客舱内加装辅助燃油箱系统，辅助燃油箱系统的功能是存储燃油，并在巡航阶段将辅助燃油箱内燃油转输至基本燃油箱内，但不直接给发动机供油，同时保证对飞机和基本燃油系统的功能不会造成不利影响[9]。因此辅助燃油系统作为独立的系统，也需要通过适航审查。

根据在基本油箱隔舱上安装的转输出口位置不同，辅助燃油箱系统开始转输的条件及控制逻辑也会不同。本文主要分析了基本燃油箱内的三个燃油转输出口位置，包括机身中部油箱隔舱、机翼外侧油箱隔舱和机翼内侧油箱隔舱，通过分析不同的转输出口位置的影响，最终确定合适的转输出口布置方案[10]。

1 方案分析

辅助燃油箱系统的功能是存储燃油，并在巡航阶段将辅助燃油箱内的燃油转输至基本燃油箱内，优先使用辅助燃油箱内的燃油，同时要保证对飞机和基本燃油系统的功能不会造成不利影响。

辅助燃油箱系统的主要组成有：辅助燃油箱即排漏、转输子系统、加/放油子系统、引气增压子系统、通气子系统、燃油指示与控制子系统等。

辅助燃油箱系统向基本燃油箱转输燃油的方式通常包括：通过增压引气进行转输、在基本燃油箱内增加抽吸泵进行转输、辅助燃油箱内增加转输泵进行转输、或者通过引射泵进行辅助燃油转输。

辅助燃油箱系统无论通过哪种方式将燃油转输至基本燃油箱内，都需要考虑基本油箱上转输口位置，位置的不同可能会导致转输形式的不同或者转输开启的运行阶段不同。在此过程中，也同时需要考虑发动机在飞行包线内的燃油消耗情况。

本文基于某型号民用飞机的基本油箱结构以及发动机的燃油消耗情况，通过油箱内不同传感器的油面情况，分析三种不同转输口位置下辅助燃油转输的可行性。三种不同转输口包括：

1) 转输至机身内中部油箱隔舱内；

2) 转输至外翼油箱外侧隔舱内；

3) 转输至外翼油箱内侧隔舱内。

某型号民用飞机的单侧油箱隔舱划分示意图如图1所示。其中1#肋、9#肋以及17#肋为半密封肋，即燃油只能通过重力从外侧油箱往内侧油箱流，不能从内侧往外侧流。

图1 基本油箱隔舱划分示意图

基于某次长航程试飞三个隔舱内(中部油箱隔舱、外翼外侧隔舱和外翼内侧隔舱)油量传感器的电容值(电容值通常对应油箱内的油面高度)，计算飞机中部油箱隔舱、飞机外翼油箱外侧隔舱以及外翼油箱内侧隔舱内的燃油量消耗率，与辅助燃油箱系统燃油转输速率要求进行权衡计算，分析在巡航阶段不同的转输油出口位置对转输性能的影响，并结合对燃油可燃性的考虑，最终给出较为合理的转输口位置。

文中的公式定义为：

燃油变量注1/时间=燃油耗油率；

(1)

转输率-耗油率=进油率；

(2)

油量余度注2/进油率=转输时长；

(3)

油量余度/耗油率=等待时间。

(4)

注1：燃油变量为机翼油箱内的燃油变化量；

注2：油量余度为转输的量减去耗油的量。

1.1 转输至中部油箱隔舱内

从图1和图2可知，中部油箱隔舱内布置的油量传感器是TU 2和TU 3，现在需要将两个油量传感器的试飞数据进行计算分析，由于油量传感器TU 2和TU 3的油面相差不大，巡航阶段油面差在0.05 pF上下，具体分析如图3所示，该中部隔舱在整个飞行包线内的耗油率计算通过油量传感器TU 2和TU 3测得的燃油量之和比上巡航时间(假设开始巡航就进行燃油转输)，具体结果如图4所示。

图2 油量传感器布置示意图

图3 TU 2和TU 3的油位误差注:横坐标为时间,纵左侧坐标为油位误差/pF(红色),纵右侧坐标为高度/ft(蓝色)

注：横坐标为时间，纵左侧坐标为油量/kg(红色),纵右侧坐标为高度/ft(蓝色)图4 中部油箱隔舱耗油率图示

从图4数据可得，在飞行高度为35 000 ft时，飞机巡航时间为160 min，燃油变量为200 kg，因此可以得出中部燃油隔舱内燃油消耗率为1.25 kg/min(假设巡航阶段该耗油率恒定)。

假设辅助燃油转输率为30 kg/min，单侧转输率为15 kg/min，中部油箱隔舱满油为1 410 kg(切断条件)，进入巡航后该隔舱的油量为1 200 kg(转输条件)，则该隔舱的进油率为13.75 kg/min(15 kg/min-1.25 kg/min)，在油量余度为210 kg的情况下，转输时长为15 min，之后进行燃油转输阀切断，且中部油箱隔舱燃油耗油率极低，为1.25 kg/min，转输等待168 min之后才可以进行第二次转输。

从分析数据可以看出，在巡航阶段，由于中部油箱隔舱内的耗油率极低，需要等待很久之后才能进行第二次辅助燃油转输，最终导致辅助燃油箱内的燃油不是优先使用而变为备用油，违背了设计理念。因此将辅助燃油箱内的燃油转输至中部油箱隔舱是不可行的。

1.2 转输至外翼油箱外侧隔舱内

由图1和图2可知，外侧隔舱内需要利用油量传感器TU 10～TU 15的数据进行分析，具体油面变化情况如图5所示。外侧隔舱内的各个油量传感器油面变化情况不一致，且TU 14和TU 15油量传感器电容指示油位为零，因此可通过取TU 10～TU 13四根油量传感器电容平均值得到外侧隔舱的油面变化情况，进而得到外侧油箱的燃油消耗情况，如图6所示。

图5 外侧隔舱内油量传感器油面变化情况对比分析 注：横坐标为时间，纵左侧坐标为油面/%(彩色),纵右侧坐标为高度/ft(蓝色)

图6 外翼油箱外侧隔舱内的燃油消耗情况注：横坐标为时间，纵左侧坐标为油量/kg(红色),纵右侧坐标为高度/ft(蓝色)

从图6数据可得，在飞行高度为35 000 ft时，飞机巡航时间80 min左右后，该隔舱内的燃油耗完(满油为840 kg)，通过分析该阶段的燃油消耗率情况，得到该隔舱在巡航阶段的最大耗油率约为10 kg/min(840 kg/80min)(假设巡航阶段该耗油率恒定)。

假设转输率为30 kg/min，单侧转输率即为15 kg/min，且TU 10油量传感器测得油位高度为50%时开始转输，TU 10油量传感器测得油位高度为90%时转输切断，则从图7分析可知，飞机进入巡航30 min后进行燃油转输，通过计算该隔舱的进油率为5 kg/min，则该隔舱的燃油变量通过图6可知为490 kg(当TU 10达到50%高度时，外侧隔舱对应的油量减去满油量的90%)，则转输完成时长为98 min。

图7 外翼油箱TU 10油量传感器对应的燃油消耗情况注：横坐标为时间，纵左侧坐标为油量/kg(蓝色),纵右侧坐标为高度/ft(红色)

1.3 转输至外翼油箱内侧隔舱内

由图2所知，TU 4和TU6传感器布置在外翼油箱内侧隔舱，其中4号传感器布置在1号肋外侧。图8为典型飞行剖面内4号油量传感器对应的油面变化。由图8可知，飞机达到巡航高度之前4号油量传感器所在位置的油箱油面已经下降，整个飞行过程持续下降，飞机外翼油箱内侧油量约为3 200 kg，即巡航阶段飞机外翼油箱内侧的耗油率约为18.5 kg/min。假设转输率为30 kg/min，单侧转输率即为15 kg/min，进油率为-3.5 kg/min，因此飞机进入巡航阶段后，机翼油箱内侧油箱只要有燃油消耗留有燃油空间后，即可以进行燃油转输，直到燃油转输完成。

图8 外翼油箱内侧的燃油消耗情况注：横坐标为时间，纵左侧坐标为油量/kg(蓝色),纵右侧坐标为高度/ft(红色)

2 其他考虑

由于辅助燃油箱系统通常是安装在货舱内，因此存储在辅助燃油箱内的燃油温度通常会高于基本油箱外翼的燃油温度，需考虑燃油转输对机翼油箱可燃性的影响。因此需对转输至外翼油箱外侧和内侧的可燃性进行评估。

由于辅助油箱内的燃油温度比外翼外侧的燃油温度高20 ℃，因此通过分析发现热天爬升阶段可燃性暴露率达到31.3%，远超过3%的要求，无法满足CCAR25部第25.981条适航要求。

对转输至外翼油箱内侧的可燃性进行评估，由于燃油只向1号肋内侧流动，使热影响区域最小，降低对原机取证假设的影响，不用单独考虑热天地面与爬升原机的可燃性暴露率，原机的可燃性暴露率从1.22%增加到1.42%，满足CCAR25部第25.981条设计要求。且部分油箱采用惰化，此处局部温度升高对可燃性影响可接受。

其中CCAR25部内关于燃油可然性的要求为：

第25.981条 燃油箱点燃防护(b)除本条(b)(2)和(c)规定的以外，一架飞机上每一个燃油箱的机对平均可燃性暴露时间均不得超过本部附录N中定义的可燃性暴露评估时间(FEET)的3%，或所评估机型机翼燃油箱的可燃性暴露时间，取较大者。如果机翼不是传统的非加热铝制机翼，则必须在假定的、与传统的非加热铝制机翼油箱等效的基础上分析。

3 结论

通过对以上三种转输出口位置的转输性能分析并结合可燃性，可以获得以下结论：

1) 在巡航阶段，转输至中部隔舱过程中，由于中部油箱隔舱内的燃油消耗率极低，向其直接转输会使中部隔舱快速充满，因此将辅助燃油箱内的燃油转输至中部油箱隔舱是不可行的；

2) 转输至外翼油箱外侧隔舱由于燃油温度不满足可燃性要求，会使外部隔舱燃油箱可燃性不满足要求，也是不可行的；

3) 转输至外翼油箱内测隔舱通过分析可满足设计要求。

因此转输油出口位置需重点考虑：基本油箱内的燃油量消耗情况、燃油温度即可燃性和辅助燃油系统控制系统特性等。当发动机燃油消耗率、基本油箱局部隔舱燃油消耗率与辅助油箱燃油转输速率达到相对平衡，且辅助燃油的温度不会导致基本油箱内可燃性超出要求时，即可获得相对可行的转输油出口位置，在此基础上再进一步考虑安装、维护、成本等其它因素。

本文为后续民用飞机加装辅助燃油箱系统如何定义转输油出口位置提供了分析方法和依据。