CN112249344A - 一种无人机油箱高空引气增压系统及引气增压方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用航空涡轮增压活塞发动机为动力的无人机油箱高空引气增压系统和引气增压方法。采用某航空涡轮增压活塞发动机稳压箱内的压缩空气经安全处理后给无人机油箱高空增压。所述油箱高空引气增压系统包括：发动机稳压箱、单向阀、空气滤、减压器、限流片、引气电动开关、安全阀和无人机油箱。本系统和方法简化引气增压机械环节、自动控制油箱引气开启时机、压缩空气无需预冷、引气流量无需调节。在不增加无人机结构复杂性、不影响发动机输出有效功率的前提下，有效减少高空燃油蒸发损失、防止油泵气蚀，保证发动机稳定工作。
Description
技术领域
本发明属于一种无人机燃油系统油箱增压技术，特别是涉及一种以航空涡轮增压活塞发动机为动力的无人机油箱高空引气增压系统和引气增压方法。
背景技术
中小型无人机大多以航空活塞发动机为动力，目前活塞发动机多以汽油为主要燃料。汽油饱和蒸汽压较高、易挥发，当无人机高温环境起飞、高空飞行时，随着飞行高度的增加，油箱内气压逐渐降低，当油箱内压力接近并达到当前汽油温度饱和蒸汽压时，油箱内汽油将逐渐气化并最终沸腾，导致供油不连续，发动机无法稳定工作；另一方面，供油泵无油空转产生气蚀，影响油泵寿命。因此，以汽油为燃料的无人机其油箱需根据汽油特性适时增压，避免汽油气化。GJB2347《无人机通用规范》要求，飞行高度大于7620m的无人机必须设置油箱增压系统，以防油箱内燃油沸腾。
为解决燃油高空汽化问题，有人飞机有采用二级增压油泵、油箱充填惰性气体、涡轮发动机压气机引气增压等方式，取得一定效果，并在大型飞机上广泛使用，但以活塞发动机为动力的中小型无人机，因受能源、结构、空间、装载等限制，实现受限。目前以活塞发动机为动力的中小型无人机其发动机多以单纯油泵供油为主，高空油箱增压有无人机自带空气压缩机提供增压气源，其系统设计相对复杂、体积与重量负担增加、维护复杂、高空空气压缩机效率较低、增压系统工作可靠性不高。
发明专利申请(CN 107264818 A)“小型无人机用自适应供油系统”提出利用涡喷发动机压气机后高压气体给无人机油箱增压，其增压供油系统包括发动机、油箱、引气喷嘴、引气管、空气过滤器、冷却管、单向阀、稳压阀等，因涡喷发动机压气机后压缩空气压力高，该系统必须设置复杂压力调节装置以控制引气喷嘴出口面积，防止油箱超压破裂并降低发动机推力；涡喷发动机大油门引气温度高达200℃以上，该系统必须包含冷却气管，利用对流换热降低引气温度，保证油箱安全；为维持油箱内压力稳定，增加复杂稳压装置；未明确引气增压时机，未考虑引气控制机构，可以理解为只要发动机运转就实施压气机引气，浪费能源、增大引气调节机构工作时间、降低了调节机构的使用寿命和可靠性。基于以上考虑，该增压供油系统设计环节复杂、使用限制较多、引气时机不优化、占用无人机空间大、重量偏大、寿命受限。
发明内容
本发明解决的技术问题是：本发明的目的是针对以航空涡轮增压活塞发动机为动力的无人机，油箱高空供油提供一种动力自引气增压系统和引气增压方法，根据GJB2347《无人机通用规范》和无人机实际使用环境自动控制油箱引气增压时机、引气流量确定后无需调节、引气温度无需冷却，设计结构简单，工作可靠，满足无人机高空环境油箱引气增压要求，发动机可靠工作，并延长油泵使用寿命，保证无人机安全。
本发明的技术方案是：一种无人机油箱高空引气增压系统，涡轮增压发动机稳压箱、单向阀、空气滤、减压器、限流片、引气电动开关、安全阀和无人机油箱；
所述发动机上稳压箱进气口与发动机涡轮增压器压气机连接，其上引气口与引气增压系统单向阀连接；
所述单向阀出口通过管路与空气滤连接，防止油箱内油汽反向灌入发动机稳压箱，影响发动机工作；
所述空气滤出口通过管路与减压器连接，过滤压缩气体中的杂质，避免污染燃油；
所述减压器出口与限流片连接，将高压气体的压力降至油箱能耐受的压力；
所述限流片位于引气增压系统管路中，对经过减压调节后的压缩气体流量进行限制；
所述引气电动开关位于限流片下游，出口通过管路与无人机油箱连接；引气电动开关开启，引入压缩气体注入油箱；
所述安全阀连于无人机油箱，用于自动调节油箱内气压。
本发明进一步的技术方案是：所述减压器出口与限流片连接，压缩气体引入，气体压力超出油箱耐压值，所述减压器将气体压力降低至增压压力后通过管路送入限流片。
本发明进一步的技术方案是：所述限流片位于引气增压系统管路中，经发动机汽油消耗量-引气流量匹配设定其固定的限流孔面积，对经过压力调节后的压缩气体进行限流，既保证油箱安全，又避免引气过量降低发动机性能。
本发明进一步的技术方案是：所述引气电动开关位于限流片下游，出口通过管路与无人机油箱连接；当油箱内燃油状态满足增压条件时引气电动开关开启，达到增压压力与引气流量的气体进入油箱；当油箱内燃油状态不满足增压条件时引气电动开关关闭，环境大气注入油箱。
本发明进一步的技术方案是：所述安全阀连于无人机油箱，当引入的高压气体充满油箱后，油箱内气压达到结构安全余量上限时，安全阀自动开启通大气，泄放过量气体；当油箱内气压泄放到低于设定的压力时，安全阀自动关闭，油箱继续引气增压。
本发明进一步的技术方案是：一种无人机油箱高空引气增压系统的引气增压方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：设定油箱引气高度
根据无人机飞行高度H、实际油箱内汽油温度核算的汽油饱和蒸汽压P饱和，控制引气增压高度时机，定义P环境为环境压力，P增压为油箱增压门限压力；
当P环境-P饱和≤P增压时，油箱引气增压；
当P环境-P饱和≥P增压时，油箱通大气；
步骤2：设定引气流量与限流片截面积
根据发动机空中运转稳压箱内气体压力范围和油箱内发动机汽油最大消耗量Qmax油耗补充等体积压缩空气，匹配限流片截面积，使引气流量Q引＝n×Qmax油耗，系数n≥1由无人机油箱气体容积、无人机飞行最小需用功率和引气到位时间优化评估确定；
步骤3：设置油箱高空引气增压系统工作，包括以下子步骤：
子步骤3.1：当无人机飞行达到引气增压高度H1，控制开启引气电动开关，从稳压箱引出的压缩空气，经单向阀后空气滤过滤，并在减压器内稳定到设计增压压力后，输出至限流片达到设定引气流量，进入油箱增压，气体清洁、压力合适；
子步骤3.2：引气后，当引入的高压气体充满油箱，油箱内气压达到油箱结构安全余量上限，安全阀自动开启油箱通大气，泄放过量气体，保证油箱安全；当油箱内气压泄放到低于设定的压力时，安全阀自动关闭，油箱继续引气增压；
子步骤3.3：若减压器失效，油箱内压力达到增压目标后升至结构安全余量上限，安全阀自动开启，使油箱通大气，泄放过量气体，保证油箱安全；
子步骤3.4：当无人机飞行降至油箱通大气高度H2，控制关闭引气电动开关，环境大气注入油箱。
本发明进一步的技术方案是：所述步骤1中，根据GJB2374《无人机通用规范》设定油箱最大引气高度H≯7620m。
发明效果
本发明的技术效果在于：本发明为以航空涡轮增压活塞发动机为动力的无人机，提供了一种油箱高空引气增压系统和引气增压方法。
本系统和方法在无人机高空飞行条件下，在不增加无人机结构复杂性、不影响发动机输出有效功率的前提下，采用引自涡轮增压活塞发动机稳压箱内的压缩空气实现无人机油箱增压，可以有效减少高空燃油蒸发损失、防止油泵气蚀，保证发动机稳定工作；同时，简化引气增压机械环节、自动控制油箱引气增压开启时机、无需对压缩空气进行预先冷却、无需实时调节引气流量、压力监控简单、结构紧凑、重量轻、引气效率高、可靠性高。
该发明已应用在某型无人机油箱增压系统，高空增压，发动机工作稳定、可靠。
附图说明
图1无人机油箱引气示意图
附图标记说明：1.发动机稳压箱 2.发动机 3.油箱引气增压系统
301.单向阀 302.空气滤 303.减压器 304.限流片 305.引气电动开关
306.安全阀 307.无人机油箱
具体实施方式
参见图1，本发明的核心思想在于使用一种简单、有效、可靠的油箱引气增压系统和引气增压方法对无人机高空飞行进行油箱增压，避免汽油高空沸腾。
为解决以航空涡轮增压活塞发动机为动力的无人机油箱高空增压问题本发明采用的油箱高空引气增压系统方案，其特征在于：某航空涡轮增压活塞发动机自带稳压箱，稳压箱将吸入发动机的空气经压气机压缩后送入气缸参与燃烧，发动机稳定工作后稳压箱内压缩空气最低压力高于环境压力15kPa～30kPa，且气源稳定，适当引气不会降低发动机输出功率，压缩空气工作温度≤88℃，无需冷却，可用于油箱持续引气增压。因此，从发动机稳压箱引出压缩空气经过安全处理，用于无人机油箱高空增压，同时保证发动机功率输出满足无人机使用。
为实现上述方案，一种采用航空涡轮增压活塞发动机为动力的无人机油箱高空引气增压系统，其特征包括：
涡轮增压发动机稳压箱、单向阀、空气滤、减压器、限流片、引气电动开关、安全阀和无人机油箱。
所述发动机上稳压箱进气口与发动机涡轮增压器压气机连接，其上引气口与引气增压系统单向阀连接；
所述单向阀出口通过管路与空气滤连接，防止油箱内油汽反向灌入发动机稳压箱，影响发动机工作；
所述空气滤出口通过管路与减压器连接，过滤压缩气体中的杂质，避免污染燃油；
所述减压器出口与限流片连接，将高压气体的压力降至油箱(307)能耐受的压力。压缩气体引入，气体压力超出油箱耐压值，所述减压器将气体压力降低至增压压力后通过管路送入限流片；
所述限流片位于引气增压系统管路中，经发动机汽油消耗量-引气流量匹配设定其固定的限流孔面积，对经过压力调节后的压缩气体流量进行限制，既保证油箱安全，又避免引气过量降低发动机性能；
所述引气电动开关位于限流片下游，出口通过管路与无人机油箱连接。当油箱内燃油状态满足增压条件时引气电动开关开启，达到增压压力与引气流量的气体进入油箱；当油箱内燃油状态不满足增压条件时引气电动开关关闭，环境大气注入油箱；
所述安全阀连于无人机油箱，用于自动调节油箱内气压。当引入的高压气体充满油箱，油箱内气压达到结构安全余量上限时，安全阀自动开启通大气，泄放过量气体，保证油箱安全；当油箱内气压泄放到低于设定的压力时，安全阀自动关闭，油箱继续引气增压。
若减压器303失效，油箱307压力达到增压目标后升至结构安全余量上限，安全阀306自动开启，使油箱307通大气，泄放过量气体，保证油箱307安全。
一种采用航空涡轮增压活塞发动机为动力的无人机油箱高空引气增压方法，其特征在于以下步骤：
步骤1：设定油箱引气高度
根据无人机飞行高度H、实际油箱内汽油温度核算的汽油饱和蒸汽压P饱和，控制引气增压高度时机，定义P环境为环境压力，P增压为油箱增压门限压力；
当P环境-P饱和≤P增压时，油箱引气增压；
当P环境-P饱和≥P增压时，油箱通大气；
根据GJB2347《无人机通用规范》设定油箱最大引气高度H≯7620m。
步骤2：设定引气流量与限流片截面积
根据发动机空中运转稳压箱内气体压力范围和油箱内发动机汽油最大消耗量Qmax油耗补充等体积压缩空气，匹配限流片截面积，使引气流量Q引＝n×Qmax油耗，系数n≥1由无人机油箱气体容积、无人机飞行最小需用功率和引气到位时间优化评估确定。
步骤3：设置油箱高空引气增压系统工作，包括以下子步骤：
子步骤3.1：当无人机飞行达到引气增压高度H1，控制开启引气电动开关，从稳压箱引出的压缩空气，经单向阀后空气滤过滤，并在减压器内稳定到设计增压压力后，输出至限流片达到设定引气流量，进入油箱增压，气体清洁、压力合适；
子步骤3.2：引气后，当引入的高压气体充满油箱，油箱内气压达到油箱结构安全余量上限，安全阀自动开启油箱通大气，泄放过量气体，保证油箱安全；当油箱内气压泄放到低于设定的压力时，安全阀自动关闭，油箱继续引气增压。
子步骤3.3：若减压器失效，油箱压力达到增压目标后升至结构安全余量上限，安全阀自动开启，使油箱通大气，泄放过量气体，保证油箱安全。
子步骤3.4：当无人机飞行降至油箱通大气高度H2，控制关闭引气电动开关，环境大气注入油箱。
本方法应用于某型无人机燃油系统设计的全过程。
如图1所示，油箱307从涡轮增压活塞发动机稳压箱1引气。
具体的，根据GJB2374《无人机通用规范》、无人机飞行高度H、汽油温度-饱和蒸汽压P饱和汽化特性，设定油箱307最大引气高度H≯7620m，并依据无人机实际飞行汽油温度核算的汽油饱和蒸汽压P饱和自动控制引气增压高度：P环境-P饱和≤P增压时，引气电动开关305开启，油箱307引气增压，P环境-P饱和≥P增压时，引气电动开关305关闭，油箱通307大气。
具体的，在不影响无人机正常飞行的前提下，在发动机2空中运转稳压箱1内气体压力范围内，按油箱307内发动机汽油最大消耗量Qmax油耗补充等体积压缩空气的原则，匹配限流片304上限流孔面积，使引气流量Q引＝n×Qmax油耗。考虑油箱307内气体容积、无人机可靠飞行最小需用功率和最快的引气到位时间，确定须n≥1。
具体的，设计的油箱引气增压系统包括：发动机稳压箱1、单向阀301、空气滤302、减压器303、限流片304、引气电动开关305、安全阀306和油箱307。
具体的，当无人机飞行达到油箱307自动引气增压高度H1，控制开启引气电动开关305，从稳压箱1引出的压缩空气，经单向阀301后空气滤302过滤，并在减压器303内稳定到设计增压压力后，输出至限流片304达到设定引气流量，进入油箱307增压。当无人机飞行降至油箱307通大气高度H2，控制关闭引气电动开关305，油箱307通大气。
具体的，为防止油箱307内油汽倒流入稳压箱1，在稳压箱1引气出口设置单向阀301，保证发动机工作安全；
具体的，为有效过滤稳压箱1内压缩气体杂质，空气滤302过滤网孔径小于40μ，保证进入油箱307的压缩气体清洁；
具体的，引气后，因稳压箱内压缩空气最低表压15kPa～30kPa，减压器303将压缩气体减压到油箱307增压压力值，输送给限流片304；
减压器303出口管路内设置固定孔径限流片304，按设计引气流量Q引引气，即可使压缩空气迅速充满油箱307空间，又可防止大量气流涌入油箱，稳压箱1过量泄压，发动机功率下降；
具体的，为保证油箱安全，当引入的高压气体充满油箱307后，若油箱307内气压达到其结构安全余量上限，安全阀306自动开启油箱通大气，泄放过量气体；当油箱307内气压泄放到低于设定的压力时，安全阀306自动关闭，油箱307继续引气增压。如减压器303失效，油箱307内压力升至其结构安全余量上限，安全阀306开启，排出多余压缩空气。
以上实施实例在保证燃油系统可靠供油、油箱安全、无人机安全的前提下，确保油箱不因引气超压破裂，同时发动机不因过大泄压而功率降低。按引气步骤，发动机稳压箱给油箱引气增压，以汽油为燃料的某型无人机高空发动机工作可靠、稳定，供油未出现汽化波动，发动机功率未出现衰减。
以上所述的具体实施实例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施实例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种无人机油箱高空引气增压系统，其特征包括：涡轮增压发动机稳压箱(1)、单向阀(301)、空气滤(302)、减压器(303)、限流片(304)、引气电动开关(305)、安全阀(306)和无人机油箱(307)；
所述发动机上稳压箱(1)进气口与发动机涡轮增压器压气机连接，其上引气口与引气增压系统单向阀(301)连接；
所述单向阀(301)出口通过管路与空气滤(302)连接，防止油箱内油汽反向灌入发动机稳压箱，影响发动机工作；
所述空气滤(302)出口通过管路与减压器(303)连接，过滤压缩气体中的杂质，避免污染燃油；
所述减压器(303)出口与限流片(304)连接，将高压气体的压力降至油箱(307)能耐受的压力；
所述限流片(304)位于引气增压系统管路中，对经过减压调节后的压缩气体流量进行限制；
所述引气电动开关(305)位于限流片(304)下游，出口通过管路与无人机油箱(307)连接；引气电动开关(305)开启，引入压缩气体注入油箱(305)；
所述安全阀(306)连于无人机油箱(307)，用于自动调节油箱(307)内气压。
2.如权利要求1所述的一种无人机油箱高空引气增压系统，其特征在于，所述减压器(303)出口与限流片(304)连接，压缩气体引入，气体压力超出油箱耐压值，所述减压器(303)将气体压力降低至增压压力后通过管路送入限流片(304)。
3.如权利要求1所述的一种无人机油箱高空引气增压系统，其特征在于，所述限流片(304)位于引气增压系统管路中，经发动机汽油消耗量-引气流量匹配设定其固定的限流孔面积，对经过压力调节后的压缩气体进行限流，既保证油箱安全，又避免引气过量降低发动机性能。
4.如权利要求1所述的一种无人机油箱高空引气增压系统，其特征在于，所述引气电动开关(305)位于限流片(304)下游，出口通过管路与无人机油箱(307)连接；当油箱内燃油状态满足增压条件时引气电动开关(305)开启，达到增压压力与引气流量的气体进入油箱(307)；当油箱(307)内燃油状态不满足增压条件时引气电动开关(305)关闭，环境大气注入油箱(307)。
5.如权利要求1所述的一种无人机油箱高空引气增压系统，其特征在于，所述安全阀(306)连于无人机油箱(307)，当引入的高压气体充满油箱(307)后，油箱(307)内气压达到结构安全余量上限时，安全阀(306)自动开启通大气，泄放过量气体；当油箱(307)内气压泄放到低于设定的压力时，安全阀(306)自动关闭，油箱(307)继续引气增压。
6.基于权利要求1所述一种无人机油箱高空引气增压系统的引气增压方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：设定油箱引气高度
根据无人机飞行高度H、实际油箱(307)内汽油温度核算的汽油饱和蒸汽压P饱和，控制引气增压高度时机，定义P环境为环境压力，P增压为油箱增压门限压力；
当P环境-P饱和≤P增压时，油箱引气增压；
当P环境-P饱和≥P增压时，油箱通大气；
步骤2：设定引气流量与限流片截面积
根据发动机(2)空中运转稳压箱(1)内气体压力范围和油箱(307)内发动机汽油最大消耗量Qmax油耗补充等体积压缩空气，匹配限流片(304)截面积，使引气流量Q引＝n×Qmax油耗，系数n≥1由无人机油箱(307)气体容积、无人机飞行最小需用功率和引气到位时间优化评估确定；
步骤3：设置油箱高空引气增压系统工作，包括以下子步骤：
子步骤3.1：当无人机飞行达到引气增压高度H1，控制开启引气电动开关(305)，从稳压箱(1)引出的压缩空气，经单向阀(301)后空气滤(302)过滤，并在减压器(303)内稳定到设计增压压力后，输出至限流片(304)达到设定引气流量，进入油箱(307)增压，气体清洁、压力合适；
子步骤3.2：引气后，当引入的高压气体充满油箱(307)，油箱(307)内气压达到油箱结构安全余量上限，安全阀(306)自动开启油箱通大气，泄放过量气体，保证油箱安全；当油箱(307)内气压泄放到低于设定的压力时，安全阀(306)自动关闭，油箱(307)继续引气增压；
子步骤3.3：若减压器(303)失效，油箱(307)内压力达到增压目标后升至结构安全余量上限，安全阀(306)自动开启，使油箱(307)通大气，泄放过量气体，保证油箱(307)安全；
子步骤3.4：当无人机飞行降至油箱(307)通大气高度H2，控制关闭引气电动开关(305)，环境大气注入油箱(307)。
7.基于权利要求6所述一种无人机油箱高空引气增压系统引气增压方法，其特征在于，所述步骤1中，根据GJB2374《无人机通用规范》设定油箱最大引气高度H≯7620m。
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