Requirements compliance analysis and performance simulations of a light civil helicopter fuel system

The primary goal of a helicopter fuel system is to provide a reliable fuel flow at established rate and pressure, to guarantee a proper engine functioning at each operational condition. Without the constant fuel supply, the motive thrust and the lift provided by the rotor could be compromised. Therefore, the fuel system is essential for safe flight and mission accomplishment. The first part of this thesis work aims at verifying requirements of a light civil helicopter fuel system, starting from analyzing the Technical Requirement Document (TRD) to writing the compliance matrix. The purpose is to identify with which means of compliance requirements are met. To do this, each requirement is investigated and, where deemed worthwhile, analyses or simulations are performed. Analysis concerning fuel volumes as function of helicopter attitudes are carried out by means of PTC Creo CAD software. Specifically, they involve expansion space, usable, sump and undrainable fuel quantities. Analysis concerning performance of fuel feed, ventilation and refueling subsystems are on the other hand carried out by modeling the subsystems with Simcenter Amesim, a software for the modeling and analysis of multi-domain systems. In conclusion, the last part of the work deals with probes gauging subsystem and study of its accuracy when attitude varies in steady conditions, as well as determination of optimal Look-Up Table (LUT) number to employ within Fuel Computation Unit (FCU) software to minimize interpolation errors and memory storage, always ensuring that errors lay within threshold values specified in the TRD. To validate results, the case of a dynamic maneuver is also explored. In this case, fuel volume is filtered in accordance with a time constant, subjected to sensitivity analysis. These last analyses also employ Amesim for simulations, while MatLab is used for processing of results.

Il compito principale di un impianto combustibile di un elicottero è fornire un flusso di combustibile alle pressioni e portate desiderate, per garantire il corretto funzionamento del motore nelle varie condizioni operative. Senza questa costante alimentazione di combustibile, la spinta e la portanza generate dal rotore dell’elicottero sono compromesse. Di conseguenza, risulta evidente come il sistema combustibile sia essenziale per un volo sicuro e per portare a termine la missione. La prima parte di questo lavoro di tesi intende proprio verificare i requisiti dell'impianto combustibile di un elicottero civile leggero, a partire dall'analisi della specifica tecnica fino alla stesura della matrice di conformità. L'obiettivo è quello di identificare con quali metodi i requisiti possano essere soddisfatti. Per far questo, ogni requisito è sottoposto ad un'accurata valutazione e, ove opportuno, vengono svolte analisi o simulazioni. Le analisi riguardanti i volumi di combustibile all’interno dei serbatoi in funzione dell’assetto sono state svolte con l’aiuto del software CAD PTC Creo. In particolare, queste analisi riguardano lo spazio di espansione, la quantità usabile, quella di pozzetto, e quella non drenabile. Le analisi riguardanti le prestazioni dei sottosistemi di alimentazione motore e ventilazione e rifornimento sono state invece svolte modellando questi sottosistemi con Simcenter Amesim, un software per la modellazione e l’analisi di sistemi multidominio. Per concludere, la parte finale del lavoro di tesi è dedicata al sottosistema di misura della quantità combustibile, di cui è studiata l'accuratezza al variare dell'assetto in condizioni statiche, e anche la definizione del numero ottimale di Look-Up Table (LUT) da utilizzare all'interno del software della Fuel Computation Unit (FCU) per minimizzare gli errori di interpolazione e lo spazio di memoria occupato, garantendo che l'errore sia all'interno dei valori richiesti in specifica. Per validare i risultati, è spresa in considerazione anche una manovra dinamica. In questo caso, il volume di combustibile è filtrato con una certa costante di tempo, soggetta ad analisi di sensitività. Anche queste ultime analisi utilizzano Amesim per le simulazioni, mentre MatLab è impiegato per la rielaborazione dei risultati.