飞机环控试验平台真空系统研究与应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中航工业第一飞机设计研究院 作者:李骊

  研究了飞机环控试验平台动态试验高度( 压力) 模拟对真空系统的要求,分析该真空系统的动态特殊性,给出了真空系统气量与高度模拟的动态数学模型。通过计算机软件和三维实体设计,建立了数字化的真空系统模型,通过模型仿真运转、优化设计,实现了工程化,并且取得实用数据。通过系统实施,建立了动态真空试验系统的设计模板,可以拓展应用到民用的化学气体输送、煤矿瓦斯抽放输运等工程。

  真空系统是飞机环控系统试验中必不可少的主要设备。环控系统附件、全系统试验都有高度模拟的要求,需要相应高度的真空等环境。不同高度的环境大气压力是高空环境模拟中重要的参数。飞机在爬升和俯冲过程中随着高度的不同,外界环境压力都会相应变化。真空系统实现高空环境模拟,其设计形式、型号选择、控制方式决定了压力模拟的准确性和实时性。飞机环控实验是变真空、变流量的动态实验,在实验过程中有大量外界模拟气体进入系统,同时也有部分系统泄漏气体进入系统。我们据此特点对真空系统进行了研究和试验,并在工程化过程进行了优化改进,提出了拓展使用的方向和方法。

1、系统要求

  飞机环控系统试验要求: 高空舱( 大舱) 容积600 m3,舱内供气9000 kg /h,要求真空系统能模拟从地面到12000 m 高度范围,以0 ~ 25 m/s 变化速率爬升、俯冲,环境压力从大气压1013 hPa 到180 hPa。真空系统应能适应跟随,不能出现抽气能力突变。

  高空舱( 小舱) 容积12 m3,舱内供气3000 kg /h,要求真空系统有抽气到20000 m 高度对应真空的能力。

2、系统选型

  分析系统要求可见,该系统为动态( 变真空、变流量) 模拟飞行器在空中爬升、巡航、俯冲等动作过程中即时的环境压力变化。

  与一般真空系统要求有很大不同,一是整个工作模拟过程需要有高空舱外输入0 ~ 9000 kg /h 的试验气体,同时有系统泄漏气体进入系统。二是系统需用真空系统真空度变化大,从海平面大气压1013 hPa 到20000 m 高空54 hPa。抽气速率( 体积流量) 变化量范围很大,最大气量48000 m3 /h,最小气量2500 m3 /h,并且在此范围内连续可调,不能出现阶梯突变。

  为此,本文通过空气动力学和真空物理学建立了分系统的设计模型,分别有高度变化与需用气量动态模型、系统气体压力流场与模拟点动态模型、复合真空泵组动态操控等。其计算模型见表1 - 表3。

表1 大舱需要气量计算模型

大舱需要气量计算模型

表2 小舱气量计算模型

小舱气量计算模型

  组成真空系统的元素有真空泵、阀门、管线、控制系统等,其中最重要的是真空获得设备的形式、规格和配置选择。

表3 管线设计模型

管线设计模型

  根据充气量平衡原则,选用真空泵及机组组成复合真空系统,可以完成从海平面到20000 m 高空模拟过程中爬升、巡航、俯冲气量要求。同时对系统压力控制采用抽气节流控制和充气辅助调节方式,实现抽气速率的平稳化和压力控制精度。

3、真空系统设计方案

3.1、真空泵类别选择

  从真空度、抽气量方面考虑,很多真空泵可以用于该系统的真空泵,比如: 旋片式真空泵、滑阀式真空泵、往复式真空泵螺杆式真空泵、气冷罗茨泵等。但是该系统在使用过程中不断调整压力,同时在工艺过程中同时冲入补充气体,真空泵不断在极限真空度和大气压之间反复冲击。上述泵可能产生喷油、噪音增加等问题,不适合大质量流量工艺。本工程的前期曾经采用14 台滑阀式真空泵系统,因为工作模式的特殊性,造成喷油、噪音大、启动周期长等问题,基本不适合本工程需要。

  经过比较、仿真后确定选用水环式真空泵作为主泵,适应变负荷、充气等工况。同时因为该类型的真空泵可以作为正压、负压状态气体输送泵,抽气范围广、抽气量平稳,满足试验高度范围内0 ~ 9000kg /h 气体流量。最大优点是该泵无油操作,噪音低,适应大型器件真空试验。根据试验区域供电情况和其它工程条件将系统配置成12 个工位( 与原来滑阀式真空泵房机位相同) 。经国内外同类工程比较,中外合作技术的SKA 型水环式真空泵在该类工程有显著优势。

  系统也可以采用单台大型真空泵或者多台大型真空泵组合工作,但是组合工作时必然产生抽气速率梯度大、能耗高、难以精准控制有效抽气速率,可以作为其他静态( 恒真空、恒流量) 工程参考。

3.2、真空机组及组合

  小舱试验真空度高,经常工作在100 ~53 hPa范围内,水环式真空泵虽然在该范围内可以工作,但是对于工况环境变得敏感,特别是工作液温度。但是工作现场又不能提供冷媒水,所以单独使用水环式真空泵将使系统变得庞大。为此我们选用气冷式罗茨泵与水环真空泵组成机组,实现高真空条件下具有高抽速。由1 台气冷罗茨泵和1 台水环泵组合成1 套机组,共4 套,该4 套机组的水环真空泵与8台独立的水环泵可以互相代替、互为备用,即任何1台水环真空泵可以与任何1 台空冷罗茨泵组合,满足试验要求。当模拟实验高度变化引起压力变化,可以单台或多台罗茨泵与单台或多台水环泵组成系统工作。这种组合方式使得抽气量平稳、真空度控制精准。系统原理图如图1; 系统组成三维图如图2。由标准化JZJS 型罗茨水环泵机组技术优化设计,专为该工程的机组为JQZE-1,已经应用于结冰风洞先导试验等工程,设备实用数据准确。

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图1 系统原理图

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图2 系统组成三维图

  由独立水环真空泵、JQZE-1 型气冷罗茨-水环真空泵机组组成的复合型水环罗茨泵机组系统满足试验条件,同时适应原有场地条件和工程条件。专门为该系统设计的JQZE-1 型气冷罗茨-水环真空泵机组如图3

3.3、压力( 真空) 调整模式

  压力( 真空) 调整控制以真空系统有效抽速实现,可以采用变频调速、真空泵组合运行数量、抽气管线节流、抽气管线充气等模式,或者几种模式组合。

  各种模式各有特点:变频调速: 可以连续调整抽气量,但是对于大抽速真空泵,单台真空泵配用功率达到180 kW,总装机功率达到3000 kW,在经济方面投资大,控制程序复杂。最重要的是,真空泵运转速度在一定范围稳定,当运转速度过高、高低都会引起效能大范围变化,甚至可能引起非正常工作,变频调速只能在一定真空范围内进行,基本不适合该系统。运行真空泵数量组合: 根据试验的高度不同,计算机控制程序给出需要启动真空泵的数量,实行压力控制。该方法对于小型真空系统可行,但是对于大型真空泵,其启动时间( 进入正常工作) 较长,可能造成系统压力跟随滞后,影响试验效果。

  抽气管线节流、抽气管线充气: 即通过改变抽气管线流导实现真空度改变。该系统的充气为变流量,为了保证试验气体组分符合环控实验要求,不能直接往舱内补气。所以我们采用抽气管线节流、充气相结合模式,有效控制舱体出口有效抽气速率,达到精确控制压力的目的。

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图3 气冷罗茨-水环真空泵机组

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图4 某一型号实验实测数据

4、系统实施效果

  完成系统设计方案后,进行了系统的制造和调试。首先进行了真空泵和真空机组在工厂内单体测试实验,达到单体技术参数后,在环控实验平台进行总体组装和实验。在现场总体联调联试时,先行调整独立的8 台SKA 型水环泵,考验配置的供水系统、配电系统以及操控系统等。然后进行了JQZE-1机组运行试验,最后整体系统调试。实验数据证明SKA 型水环真空泵和JQZE 型罗茨-水环真空机组用于空间压力模拟,压力实现精准,操作简单。

  图4 为某次试验数据,从中可以看到整个系统压力模拟准确,满足研究试验要求。该真空系统已经应用于国家多个重点型号飞机环控系统研制试验。

  该系统同时可拓展使用,包括结冰实验、空中加油实验等。用于静态( 恒真空) 、动态( 变真空、流量) 等模拟系统实验。飞机环控实验平台真空系统研究,建立了仿真、模拟实验模型,带动了组合式真空系统的应用,满足国防装备开发需要,为大型真空动态系统设计提供了经验。整体系统设计、配置、实验方法推广,已经应用于国家基础工业的化学气体抽除、压缩、输送系统。用于乙炔、氢气、甲烷、乙醇、乙二醇等爆炸性气体的输送工艺,通过模型模拟、仿真,可以保证安全运转,实现节能、环保,满足煤炭、石油、化工等就工业新要求。

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