皮囊式蓄能器在管道加油系统水击控制中的应用研究

　　液压系统中蓄能器用于吸收液流振动、增加系统工作的稳定性,通常有弹簧式、活塞式、皮囊式等几种类型[1,2]。由于飞机对加注油料的质量要求较高,另外考虑到易于维护、工作寿命、动作的灵活性等因素通常选用皮囊式蓄能器作为水击压力缓冲器,其结构主要由金属壳体、皮囊、充气阀、限位阀等部件构成。在管路内油压作用下皮囊内保持必需的剩余压力,皮囊内气体与所输送油料之间彼此隔开。

　　1　管网内瞬变流数值模拟数学模型

　　描述加油系统管道内流体瞬变过程的基本方程是连续性方程及运动方程组成的非线性偏微分方程组,在两条特征线dx/dt=V±a上,这组偏微分方程转化为常微分方程组,即如下两组特征方程[3]:

　　再采用一阶近似有限差分可得到水击特征方程的有限差分格式,整理后可得近似特性方程的如下形式瞬变数值解:

　　式中: R+j-1=Hj-1+CWQj-1; R-j+1=Hj+1-CWQj+1; S+j-1=CW+f Qj-11-maΔt; S-j+1=CW+fQj+11-maΔt; CW=agω。

　　某机场管道加油系统简化后的管路模型及管路参数如图1所示。输送介质为喷气燃料;输油泵额定转速2950 r/min,拟合后的流量扬程曲线方程H=72-4400Q2;使用罐液位高度为15 m液柱。采用统一时步的特征线法对阀门关闭的水力瞬变工况进行水击数值模拟实验,加油支线末端为加油胶管,根据动态模拟实验测量结果[4],其水击波速为350 m/s;其余管段为钢管,水击波速用儒可夫斯基公式进行计算:

　　式中K为液体的体积模量;E为管材的弹性模量;δ为管壁厚度;Ψ无量纲参数,取决于管道的外部约束。各管段统一时步采用英国J.A.福克斯推荐的计算公式[5]:

　　式中Δx为管段矩步,c⌒为管网中最大的水击波传播速度。

　　各管段矩形网格分段数取整数:

　　式中Li及ai分别为管段i的长度及水击波速。

　　采用统一时步时管网系统中某些管段仍可能留下一短管,它不满足数值计算的柯朗稳定条件,通常处理此剩余短管有多种方法。对于钢管段剩余短管采用刚化处理方法,即将此段短管内的流体及管壁当作刚体对待,根据输运定理导出相应公式以替代特性方程;对于胶管段剩余短管采用调整波速法处理,胶管段剩余短管波速调整后应保证整个系统按管长的加权平均波速[6]的差值不超过5%~10%。

　　输油钢管剩余短管在分支节点处的边界条件[7],它可根据剩余短管刚化方程、毗邻管段的特征线方程及节点瞬变流动的连续性条件建立。

　　2　皮囊式蓄能器数学模型

　　对应蓄能器3种临界工作状态[8]即充气状态、最低工作压力状态及最高工作压力状态,其重要参数主要有:充气压力p0,气体有效容积V0;最低工作压力p1,最大工作容积V1;最高工作压力p2,最小工作容积V2;蓄能器允许使用有效容量△V=V1-V2。