A320燃油系统结构与设计

燃油系统在整个飞机系统中需要完成的任务相对单一，最主要的任务就是要给发动机、APU等部件提供连续稳定的燃油供给。从这个基本目的出发，假设你是设计师，那燃油如何存储，怎么保证燃油能够顺利加油和抽油，怎么保证燃油在各个油箱之间有序传输，最后燃油还肩负着为发动机滑油调节温度的作用，加热后的燃油如何被控制。这一连串的问题组成了燃油系统的基本子章节，并为各部件的基本功能提出了要求。下面以较复杂的A319/A320燃油系统为例逐一讨论，得到简化的A321燃油系统和空客其他机型的燃油系统都能在这个基础上找到系统设计之初的影子。

首先，像所有第二次工业革命的产物一样，燃油的使用都扮演着重要的角色，起着决定性的作用。伴随着燃油的使用，这些机器设备都无一例外的有着一个决定续航能力的油箱，而飞机上油箱位置的设计不仅考虑了空间的有效利用，更从机体结构方面减轻了大翼翼面承受的剪切力，担负着稳定重心的作用（在330机型中后部配平油箱的加入更成为决定飞机重心的重要部件）。在A319/A320机型中，燃油主要存储在大翼内油箱中，同时，燃油系统还设计了中央油箱、大翼外油箱、通气油箱（还有部分机型选装了货仓备用油箱）这些辅助配套油箱来增加油箱容量、完成回油辅助、完成油箱通气等作用。

其次，为了让燃油能够正常的存储在油箱里，油箱就需要一个重要的设计——通气。基本上所有消耗类液体系统都需要通气，通气是燃油正常注入、消耗、抽取的基础。

再次，为了有足够的燃油能够顺利的完成供给发动机、APU燃烧的功能，最基本的，燃油需要能够顺利加油，能够加入满足需要、足够量的燃油，另外，如果需要飞机封存、其他特殊需求等还需要能够完成抽油。

然后，就进入了重点，燃油必须有稳妥的设计，使发动机能够供给合适的部件，如果发现问题了，也要能够稳妥供给。另外，还要有一套逻辑设计来规范回油功能，实现回油功能。

最后，对于燃油系统来说，燃油泵的正常使用，燃油泵的供油逻辑是这个系统的重中之重，所以最后再总结一些燃油泵的特殊要求和供油逻辑。

燃油的通气

存储燃油的油箱如果是一个封闭的空间，那它内部的压力会由于燃油蒸汽的聚集和虹吸作用的影响，不仅导致燃油流体的进出不顺畅，更有成为压力容器爆炸的危险。所以，油箱必须是能够与外界环境大气连通的。

通气油箱的设计就是为了这个目的而存在的，在通气油箱上，从外部看，最显眼的部分是NACA进气口。在NACA进气口中有2个重要部件：通气保护器和阻焰器。它们的主要作用是在保证通气的同时，防止进入的空气结冰堵塞通气管路以及防止外部空气与燃油蒸汽接触发生燃烧。而通气油箱内又设计了两条基本管路，保证通气油箱能为其他油箱提供充足的环境空气。一条通向内油箱和外油箱，一条通向中央油箱。这两条通气管路中，在中央油箱中就是一个两端开口的通气管路，即开放式通气；在油箱上部还设计了单向滴油活门，将管路中可能存留的余油重新滴回油箱。而另一条比较复杂的管路，在内油箱的集油室附近是开放式通气，而且在内油箱上部和外油箱隔断处（rib 15）则是通过两个纯机械式的浮子通气活门来完成通气的，这种活门结构相对简单，就是一个带浮漂的开口管路，即油位下降，通气管路随即敞开。在这条管路上的单向滴油活门则都安排在了内油箱，主要是在内油箱的高点和集油室附近。

既然有了油箱通气，那就必须要考虑通气失效的情况。如果通气管路堵塞或者加油管路故障，那么油箱内部气体集聚，油量变化后剩余气体压力变化等情况就会进一步恶化，最终导致过压。过压产生后压力向哪里释放？怎么释放？这些应急处理方式怎么工作？

从机体外部观察，在一侧大翼上均有两个有白色十字圆片的孔洞需要每次航后、短停完成检查，这两个白色十字圆片就是内油箱和通气油箱向外部环境释压的通路，十字圆片在位也就证明油箱未释压。那么另外两个油箱呢？中央油箱仅向左大翼内油箱释压，而外油箱也是向内油箱释压。

比较特别的，这里需要着重说明：溢流不同于过压，溢流通道也和释压通道完全不同，中央油箱如发生溢流，会通过relief valve向右大翼内油箱输油；外油箱如发生溢流，则是通过外油箱顶部spill pipe向内油箱输油，而当内油箱过满溢流，则是通过通气管路通向通气油箱，通气油箱从外部看就会有潮湿、甚至漏油迹象（通常该情形出现在自动加油但高油面传感器故障或者人工加油时）。

加、抽油

油箱作为一个容器，那么它基本的存储功能有了以后呢，就得考虑怎么给这个容器里面加油和抽油了。

首先，加油。给飞机这种大容积容器加油，一般采用的是压力加油，压力加油不仅节省加油时间，更能减少油料暴露在外遭遇微生物、潮气等的侵蚀变质时间。压力加油通过加油口，进入加油管路，加油管路是一个横跨大翼的简单管路，首先要明确的是，在燃油进入加油管路后是通过加油活门进入各个油箱的，整个飞机上有3个加油活门，分别对应左外油箱、中央油箱和右外油箱。外油箱满了以后能回通过溢流管路spill pipe进入对应侧的内油箱。在自动加油的整个过程中，FQIC会通过油箱内的油量传感器监控油量并自动予以分配。

在这里要明确的是，加油活门都是由单电磁阀控制的，且都能从外部接近，用于人工加油时控制进油进度。相应的，由于外部油箱较小，且加油进度居前，所以外部油箱先满。

FQIC对油箱油量的计算是通过油箱内的各种类型的传感器来完成的。随着时代的发展和进步，计算油量的传感器也有变化，计算原理也较复杂。但基本的原理还是利用质量=容积*密度的方式来计算。计算容积的油面传感器较普通，外表看上去像是一根塑料棒，也称为探棒。它分布在油箱各处，总共有33个，5个在中央油箱，一侧大翼则有14个。这些探棒探知油面，最终可获取燃油的容积信息，任一传感器故障都不影响最终的指示。另外，在这些油面传感器中，2号和13号还会发送油温信息，用于油量指示的温度校正。密度传感器变化较大，比较老的形式是CIC传感器，及capacitance index compensator，通过对燃油中电解质含量的测量最终决定整个燃油的密度，也就是dual compartament（主要用于左大翼）。另外，还有比较先进的ultra compartment，可以通过测量燃油流过传感器的速度来计算密度（主要用于右大翼和中央油箱）。这里测量密度的原理较复杂，但基本原理还是测量燃油中的某些标志性物质的密度来等比例推断燃油密度。另外，在中央油箱和左、右大翼内油箱还各有一个高油面传感器（外油箱没必要有该传感器，它会溢流，而且基本每次加油都会满），在此油箱加满达到高油面时，高油面传感器会发送信号给FLSCU，会使相应的加油活门关闭，停止燃油进入。这3个高油面传感器的指示会在加油面板上指示，且每次自动加油前，一定需要完成一次灯测试，保证指示有效，防止油箱过满。

另外，加油还有其他方式方法，其中人工加油即加油活门无法自动打开时需要人工介入，人工可控制加油进度，但这种情况就需要特别注意是否会发生溢流；还有就是重力加油，这种加油模式比较原始，即压力加油模式无法使用，外界没有压力供油设备时，也可以纯用人工模式，在外油箱最外侧，也就是最高点，在右大翼上侧可以直接连接加油管到飞机油箱，通过溢流形式加油到内油箱，后续可通过交输等方式配平燃油。

至于抽油，则比较简单。首先，抽油需要动力，在油箱里唯一能提供动力的是供油管路，那么抽油原理就是要将供油管路连接进加油管路，来实现油路的反向抽油，而抽油传输活门就是完成这个功能的控制活门。抽油传输活门在中央油箱加油活门旁边，是一个单电磁阀控制活门，它仅受加油面板上的模式选择开关控制，当该开关放到DEFUEL/XFR位置时，这个活门就会打开。旁边的OPEN灯就是指示活门的开启状况。

燃油分配

接下来燃油已经可以正常存储，也可以正常加油了，那么燃油就需要完成它的最重要任务：燃油分配。其实，燃油分配主要是两个作用：首先，燃油会供给发动机、APU用作燃料燃烧；其次，燃油还在发动机热管理中担负着低温液体的作用，它在完成热交换后还要以较高温度再回到油箱。虽然较高温度的燃油也有助于后期燃烧的雾化，但这部分回油就需要一套独立的管理机制，要有停止逻辑，要有执行回油的条件。

燃油供给发动机是燃油系统设计的最重要目标。不仅在设计上需要任一燃油泵都能为任一发动机供油，更是有所有燃油泵都失效情况下的重力吸油设计。

以正常情况下的供油顺序来描述燃油供油系统。首先，中央油箱是最先的供油油箱，主要原因是中央油箱燃油泵的压力比大翼燃油泵压力高，中央燃油泵一共2个，分别针对左右大翼，中间以交输活门分隔。在中央油箱燃油不足，燃油泵进口压力过低时，燃油泵停止。大翼燃油泵接力供油，大翼内油箱开始供油。大翼燃油泵在一侧大翼有2个，是明显的备份控制。而且在这个泵侧有明显的旁通管道，管道下游有旁通吸油活门，这个活门能在大翼燃油泵、交输活门故障情况下仅靠重力就能满足发动机对燃油供给的需求。另外，大翼燃油泵和中央油箱燃油泵的基本泵体是一样的，都是装在油槽里的，也都是由3相115VAC供电的叶轮式离心泵。只是在大翼燃油泵上有顺序活门，来保证泵体出口压力略低于中央油箱燃油泵。最后，在内油箱一直供油期间，一旦触发低油面（1500KG），两侧外油箱各打开1个油箱间交输活门，外油箱向内油箱传输燃油；之后如果再次触发低油面（750KG），两侧外油箱则各打开2个油箱间交输活，大量快速传输燃油。以一侧大翼看，油箱间交输活门共2个，由不同的汇流条供电给电动马达，马达会带动连杆来打开活门，供电线路的跳开关都在跳开关板上，一侧活门开，则对应的另一侧活门也会联动打开；且在飞行过程中，活门一旦打开，就一直保持开位，直到下一次燃油系统重置（打开燃油加油盖板或者整机供电重置）。燃油经过燃油泵输出后，在进入发动机或APU前，还要经过一个重要的活门——低压活门。低压活门位于吊架上，有个小的弧形接近板，它是两个系统的分界，更是充当隔离系统的重要作用。受主电门控制打开后，燃油便会直接进入发动机；但主电门关闭或者防火关断手柄松出后，低压活门直接关闭，分隔燃油系统。低压活门都是双直流电机控制的关键活门。

下面就开始讲些特殊备份情况。如果一侧大翼燃油泵都故障，发动机无法正常得到燃油，则需人工打开交输活门，让另一侧的燃油泵供油管路介入供油。可见，交输活门的作用很简单，就是燃油供油管路的联通器，使两侧加油管路可以为两侧发动机供油。交输活门是一个直流电机控制的活门，因为该活门作用很重要，需要特别备份，配备了2个直流电机。需要特别说明的是，在燃油系统大部分活门都是单电机，只有重要的活门才会设置双电机（如发动机低压活门、APU低压活门）。

APU的供油和发动机供油很类似，但燃油泵只有1个，且该燃油泵位于交输活门左侧，当泵体出口压力>23.3PSI时，APU燃油泵不作动，由左大翼燃油供油管路为APU供油；当泵体出口压力<21.7PSI时，APU燃油泵作动，由APU燃油泵为APU供油。燃油传输到APU前也要经过APU低压活门，同样的，这个低压活门也是个双直流电机活门。

燃油除了供向用户燃烧外，还担负着重要的热交换冷源液体的作用。在发动机热管理部分，FRV是燃油系统的一个重要的部件，不管是CFM56还是V2500发动机，FRV都设计的很复杂，在这个章节就不详细描述。在28章的回油逻辑管控主要是由FLSCU发送控制信号给EIU-ECU,最终控制信号才能发送至FRV，完成整个热管理循环。针对左、右大翼而言，FLSCU1和ECU1控制左发回油；FLSCU2和ECU2控制右发回油。从FRV回来的较高温度的燃油会经过单向活门，防止反流，之后会经过压力保持活门。保持压力到15.5PSI之后流出回油管路，这个地方压力的保持还是很关键的，进入一个通气的油箱储存内，如果压力过低，可能会反向通入空气，有可能会影响发动机燃油系统。流出的燃油首先进入的是外油箱，之前说过的，外油箱油满溢流会经过上方溢流管进入内油箱。

停止回油的条件，简单来说，主要是四个方面：回油太多、回油温度太高、供给发动机燃油压力不足以及剩余油量太少（油太多、油太少、油太热，油压低）。

1、回油太多。很容易理解：刚开始供油的是中央油箱，但回油是回到了大翼油箱，如果中央油箱泵一直供油，且外油箱、内油箱都比较满，一直回油进内油箱，那显然会产生溢流。在这种情况下，正常逻辑应该是中央油箱泵应该停止，由内油箱供油，降低油量；但如果中央油箱泵不停，还一直供油，只能停止回油了。上述就是这个回油条件的简述，但这些逻辑实际上实现时，最主要的是要有2个传感器：内油箱满油位传感器让中央油箱泵关断，溢流传感器来使整个回油过程关断（溢流传感器位于通气油箱，因为内油箱一旦满，会向通气油箱溢流）。

2、回油温度太高。为保证高温回油不致于引起整个油箱系统的危险，在高空低压环境下，燃油的燃点也会降低，所以回油温度决不能太高。由于回油会先到外油箱，再进入内油箱，所以这两个地方都设置了温度传感器，一旦发现超温（外油箱52.5，内油箱55），则直接关断回油。

3、供给发动机燃油压力不足。当交输活门关闭情况下，如果一侧大翼燃油泵都发生低压，那发动机供油只能由重力供油完成；同理，当交输活门打开时，两侧大翼燃油泵都发生低压，发动机供油也只能由重力供油完成。在这种情况下，油压已经不足，供给发动机的燃油就只能用作燃烧，回油被禁止。在上述情况下，大翼燃油泵和中央油箱燃油泵出口压力传感器都会一直传输至FLSCU.

4、剩余油量太少。这种情况和上述情况类似，当剩余油量太少，那么久只能把剩余的燃油尽量先紧着燃烧使用，防止燃油从事热交换，停留在热交换管路内而无法完成燃烧这一基本功能。完成这一功能的传感器被命名为IDG低油面传感器（位于内油箱）。

燃油泵特性

燃油泵在整个燃油供油、抽油、回油等各个环境中都居于核心位置，都是唯一的动力来源，所以燃油泵的运行环境要求，运行逻辑要求都有其特殊性。

首先，燃油泵在运行过程中，要保证出口压力正常、出口燃油连续，那么燃油泵的进口必须要始终有稳定燃油源供应，而为了保持燃油供应稳定，燃油泵进口的设计必须考虑飞机姿态反复变化造成的燃油流动，还必须考虑燃油在油箱内水平分布而无法集中在泵体进口。为保证本体进口完全沉没在燃油中，燃油系统做了很多设计：对于内油箱而言，内油箱设计了集油室，集油室是在1号肋和2号肋中间设计了独立的空间，而这个空间外围装有众多的单向活门，这些单向活门使燃油有进无退，这个空间不大，始终充满燃油，就可以避免姿态改变引起的燃油波动，这样内油箱的2个燃油泵就始终能保持沉没在燃油中。对于中央油箱而言，它额外的还为每一个燃油泵设计了一个引射泵，这个引射泵的吸力来源是由中央油箱泵出口压力管来驱动的，这个引射泵会将中央油箱的油汇聚吸引到中央油箱泵进口，保持进口燃油充足。另外，怎么充分利用外油箱存储燃油和通气油箱可能存在的底部余油呢？燃油系统也设计了结构简单，安排方便的引射泵。在每侧外油箱中设计有2个引射泵，这两个引射泵的驱动源均来自内油箱主燃油泵，引射目的却不尽相同：其中一个是为了将通气油箱底部余油引射到外油箱底部的油箱间交输活门处，等待随时供应内油箱；另一个是将外油箱底部靠近交输活门附近的微生物、水等杂质引射到油箱顶部，防止此类物质先进入内油箱，干扰正常燃烧。

其次，燃油系统的燃油泵都有一个低压电门，这个低压电门起到了监控燃油泵运转质量，甚至是判断燃油箱是否用尽的作用，它也是触发燃油泵停止，其他燃油泵运转的重要节点传感器，对于中央燃油泵来说，出口压力小于6PSI，持续5分钟，中央燃油泵如果在自动控制模式就会自动停止，防止燃油泵空转，造成不必要的摩擦，产生不必要的热能，损坏泵的同时也有安全风险。

最后对于中央燃油泵来说，因为FAA法规的一些限制，空客A320系列燃油泵的作动是由继电器，计算机等协同控制的一套逻辑电路。主要流程如下：在起始阶段，发动机启动后，中央燃油泵会自动运行2分钟用于测试泵的好坏；当缝翼放出，进入起飞模式，中央燃油泵就会停止，此时供油仅有内油箱2油箱泵完成；在起飞完成，缝翼收回后，中央燃油泵又开始正常工作，当然，在这个阶段工作时是要遵守回油逻的要求的，不能让内油箱过满了。当然，如果在这个阶段出现中央燃油泵故障，中央油箱供油少了，中央油箱存有多于250KG，而大翼油箱低于5000KG，ECAM会就出现AUTO FEED FAULT警告，中央燃油泵上FAULT灯及音响警告等都会伴随出现。最后，中央油箱没油情况，也就是触发低压电门5分钟后，中央燃油泵就会自动停止。若泵自动停止，ECAM会是正常的绿色横杠指示；但如果没有自动停止，燃油泵的问题更大了，会出现中央燃油泵的故障警告，ECAM对应中央燃油泵会是橙色竖线指示，在这种情况下，可通过模式选择人工，再人工关闭该泵，燃油泵指示会转为橙色横杠指示。

差异与总结

最后，再回头看A318/A319/A320燃油系统的设计，可以很明显的感觉到这个燃油系统有些地方的设计虽然是多备份的，但也显得有点多余、是一种初始设计的、复杂的原生系统。随着飞行时间的累计和燃油系统的验证使用，燃油系统也迎来了一些改变，最典型的可以以A321燃油系统为例。

1、中央燃油泵的改变。从上述描述中，可以看到中央燃油泵有一个很复杂的控制逻辑电路，主要是因为法规的规定和自身的一些设计要求。而在A321中中央燃油泵做了很大改变：首先，取消了原来的交流驱动泵，改用一个简单的引射泵，驱动源来自于大翼燃油泵，这样就省去了在起飞阶段要主动关断的逻辑；其次，A321 的中央油箱燃油还依然肩负着防止内油箱燃油过多的作用，所以它涉及了交输活门来完成该功能，简单说就是在大翼油箱达到FULL位，交输活门关，下降到UNDERFULL位，交输活门开。该交输活门和其他燃油系统活门类似，也是一个直流单电机活门。最后，交输活门的控制逻辑也保留了以前的警告形式，当中央油箱剩余油量多于250KG，大翼油箱少于5000KG（即交输活门自动模式下，未正常打开输油），会出现AUTO XFR FAULT警告。此时就需要切换人工控制模式，人工打开活门。

2、取消外油箱。从上述描述中，可以看出外油箱其实没有什么作用，它存在的意义主要是使回油能先行在外油箱中掺混降温，再进入内油箱，所以在外油箱中也仅设计了一个温度传感器来关断回油。在A321燃油系统设计中，外油箱被彻底取消，但为了完成它这一功能，A321燃油系统设计了另外一套冷却机制，当燃油回油进入油箱后也会经过压力保持器，使压力保持在15.5PSI，这里都是和之前一模一样的，但后面增加了大翼燃油泵会各驱动一路油路，经过单向活门和热回油进行掺混降温，最终在大翼油箱的最外侧（高点）经过多孔管（piccolo tube,位于16号肋）放出。相应的温度传感器也就减少为1个，如果油温还过高就关闭回油。

3、通气管路相关变化。从上述描述中，可以看出正因为有外油箱的存在，所以内油箱的通气并不是直接和通气油箱相连，而且通气油箱中的余油是通过引射泵引入外油箱，最后再一起进入内油箱的。在A321燃油系统中，通气管路还和以前一样，一道通中央油箱，一道通大翼油箱集油室附近，但大翼油箱和通气油箱相邻肋之间就可以用一个简单的浮子活门连接通气，和之前设计一样，纯机械结构，只要浮子没有飘起就持续通气；另外，通气油箱的余油会经下部的CLARK VALVE（类似于单向活门）持续向大翼油箱输送，用简单的设计代替了之前的冗余设计。

4、油量传感器变化。随着时代的发展，技术的进步，计算油量中最复杂、最影响精度的密度传感器发生了变化，密度传感器分为两种：Dualcomp和Ultracomp。Dualcomp还是和之前CIC一样发送一个与密度相近似的电容值，且仅处于左大翼油箱内；而Ultracomp则是精确密度传感器，它集合了温度、密度电容值和流速速度计这三种功能，用于提供精确密度值，且处于右大翼油箱和中央油箱。

最后，可以从上述描述中发现A321燃油系统已经发生了些根本性的变化，排故维修难度也随之降低，不再像之前A320系列那样经常出现AUTO FEED FAULT或者大翼燃油泵故障，提高了稳定性。随着时代的发展，飞机上的各系统都会面临着更新换代，都会引来革新变化，这就要求我们要从原理出发，找出共同点，找出差异点，发现规律，更好的理解新事物。