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        教練機(jī)環(huán)控試驗(yàn)平臺高空模擬系統(tǒng)研究

        2015-04-03 06:51:56馬春香王亮亮
        教練機(jī) 2015年3期
        關(guān)鍵詞:模擬系統(tǒng)羅茨抽氣

        馬春香,王亮亮,陳 偉

        (中航工業(yè)洪都,江西 南昌330024)

        環(huán)控系統(tǒng)附件、全系統(tǒng)試驗(yàn)都有高度模擬的要求。環(huán)控試驗(yàn)平臺的高空模擬系統(tǒng)用于飛行包線內(nèi)高空壓力環(huán)境模擬、飛機(jī)不同爬升率及俯沖率的模擬以及座艙壓力和外界大氣高度環(huán)境模擬。因此,高空模擬系統(tǒng)是環(huán)控試驗(yàn)平臺的必要建設(shè)內(nèi)容。

        1 系統(tǒng)要求

        某環(huán)控試驗(yàn)平臺對高空模擬系統(tǒng)的要求:高空模擬艙容積72m3,系統(tǒng)最大供氣量為1200kg/h,且高空模擬系統(tǒng)能從地面大氣壓以274m/s的高度(壓力)變化速率爬升到20000m,而不能出現(xiàn)抽氣能力突變。

        2 系統(tǒng)選型

        2.1 系統(tǒng)特點(diǎn)分析

        分析系統(tǒng)要求可見,該系統(tǒng)為動態(tài)系統(tǒng),需要模擬飛行器在空中爬升、巡航、俯沖等動作過程中即時(shí)的環(huán)境壓力變化。

        與一般真空系統(tǒng)要求有很大不同,一是常規(guī)的真空系統(tǒng)是給密閉容器內(nèi)抽真空,而環(huán)控試驗(yàn)平臺的真空系統(tǒng)整個模擬過程需要有高空艙外輸入0-1200kg/h的試驗(yàn)氣體。二是系統(tǒng)需用真空系統(tǒng)抽氣速率(體積流量)變化量范圍很大,最大氣量9120L/S,最小氣量1418 L/S,并且在此范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。該系統(tǒng)各工況供氣需求見表1。

        表中:

        式中:t—抽氣時(shí)間,s;

        V—高空模擬艙容積,L;

        Pi—開始抽氣時(shí)艙內(nèi)壓力,Pa;P0—真空系統(tǒng)極限壓力(計(jì)算時(shí)取1KPa);

        P—高空模擬艙經(jīng)抽氣時(shí)間t后達(dá)到的壓力,Pa。

        表1 各工況供氣需求一覽表

        高空模擬系統(tǒng)由高空模擬艙、真空泵(組)、真空管路及配套控制系統(tǒng)組成。其中最重要的是真空泵形式、規(guī)格的選擇和高空模擬艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及高空模擬艙內(nèi)壓力控制方式的確定。

        2.2 真空泵類別選擇

        真空泵是高空模擬系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。從真空度、抽氣量方面考慮,很多真空泵可適用于該系統(tǒng),比如:旋片式真空泵、滑閥式真空泵、往復(fù)式真空泵及螺桿式真空泵等。但是因該系統(tǒng)在使用過程中不斷調(diào)整壓力,使真空泵不斷在極限真空和大氣壓之間反復(fù)沖擊。導(dǎo)致上述泵可能產(chǎn)生噴油、噪音增加等問題,因此,不適合壓力變化率比較大的工況。

        經(jīng)過比較、仿真后確定選用水環(huán)式真空泵作為主泵,適應(yīng)變負(fù)荷、充氣等工況。同時(shí),因?yàn)樵擃愋偷恼婵毡每梢宰鳛檎龎骸⒇?fù)壓狀態(tài)氣體輸送泵,使用范圍廣、抽氣量平穩(wěn),最大優(yōu)點(diǎn)是該泵無油操作,噪音低,適應(yīng)大型器件真空試驗(yàn)。經(jīng)國內(nèi)外工程比較,中外合作技術(shù)的2BE1-353型水環(huán)式真空泵在該類工程有顯著優(yōu)勢,因此,依據(jù)試驗(yàn)需求配置4套。

        2.3 真空機(jī)組及組合

        高空模擬艙試驗(yàn)要求真空度高,經(jīng)常工作在180kPa-5.3kPa范圍內(nèi),水環(huán)式真空泵雖然在該范圍內(nèi)可以工作,但是對于工況環(huán)境卻變得敏感而且抽氣速率下降,所以,單獨(dú)使用水環(huán)式真空泵將使系統(tǒng)變得龐大。為此,我們選用羅茨泵與水環(huán)真空泵組成機(jī)組,實(shí)現(xiàn)高真空條件下具有高抽速。并且使得系統(tǒng)抽氣量穩(wěn)定、噪音低。由1臺氣冷羅茨泵和1臺水環(huán)泵組合成1套機(jī)組,共4套,該4套機(jī)組的任何1臺水環(huán)真空泵可以與任何1臺羅茨泵組合。根據(jù)試驗(yàn)要求壓力變化,可以單臺或多臺羅茨泵與單臺或多臺水環(huán)泵組成系統(tǒng)工作。

        2.4 高空模擬艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)要求高空模擬艙模擬最大飛行高度20000m,根據(jù)系統(tǒng)要求,高空模擬艙采用圓筒形殼體,直徑3500mm、長約6000mm,端頭連接1個直徑2000mm、長約1000mm的小艙,殼體壁厚:

        式中:S0—圓筒形殼體壁厚,mm;

        Db—圓筒內(nèi)徑,mm;

        P—外壓設(shè)計(jì)壓力,KPa;

        L—圓筒長度,mm;

        Et—材料的彈性模量,KPa。

        2.5 高空模擬艙內(nèi)壓力控制方式

        對于氣量調(diào)整控制可以采用變頻調(diào)速、組合運(yùn)行數(shù)量、抽氣管線節(jié)流、補(bǔ)氣管線充氣等模式,或者幾種模式組合。各種模式各有特點(diǎn)。

        變頻調(diào)速,可以連續(xù)調(diào)整抽氣量,但是對于大抽速真空泵,單臺真空泵配用功率達(dá)到180kW,總裝機(jī)功率達(dá)到1300 kW,經(jīng)濟(jì)方面投資較大,且控制程序復(fù)雜。最重要的是,真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度在一定范圍須保持穩(wěn)定,過高、高低都會引起效能大范圍變化,從而導(dǎo)致非正常工作。

        運(yùn)行真空泵數(shù)量組合,根據(jù)試驗(yàn)的高度不同,計(jì)算機(jī)控制程序給出需要啟動真空泵的數(shù)量,實(shí)行壓力控制。該方法對于小型真空系統(tǒng)可行,但是對于大型真空泵,其啟動時(shí)間(進(jìn)入正常工作)較長,可能造成系統(tǒng)壓力跟隨滯后,影響試驗(yàn)效果。

        該系統(tǒng)采用抽氣管線節(jié)流與補(bǔ)氣管線充氣聯(lián)動調(diào)節(jié)并結(jié)合控制運(yùn)行數(shù)量的模式,系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的模擬飛行高度與實(shí)際高度值進(jìn)行比較,控制2個聯(lián)動的抽氣管線和補(bǔ)氣管線閥門的開啟與關(guān)閉,達(dá)到精確控制艙內(nèi)壓力(飛行高度)的目的。

        3 實(shí)施方案及效果

        某環(huán)控試驗(yàn)平臺的高空模擬系統(tǒng)的實(shí)施三維圖見圖1。

        該系統(tǒng)試驗(yàn)運(yùn)行時(shí),先行調(diào)整獨(dú)立的4臺2BE1-353型水環(huán)泵,考驗(yàn)配置的供水系統(tǒng)、配電系統(tǒng)以及操控系統(tǒng)等。然后進(jìn)行JQZE-1機(jī)組運(yùn)行試驗(yàn),最后整體系統(tǒng)調(diào)試??傮w來看,水環(huán)真空泵和JQZE型羅茨-水環(huán)真空機(jī)組用于空間壓力模擬,壓力實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn),操作簡單。

        圖1 系統(tǒng)三維圖

        圖2為某次試驗(yàn)數(shù)據(jù),從圖中可以看到,整個系統(tǒng)壓力模擬準(zhǔn)確,滿足研究試驗(yàn)要求,目前,真空系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)研制試驗(yàn)。

        圖2 系統(tǒng)壓力模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)

        4 結(jié) 語

        本文從環(huán)控試驗(yàn)室抽氣能力仿真計(jì)算、真空泵選型、高空模擬艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和艙內(nèi)壓力控制系統(tǒng)等方面論述了高空模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,該設(shè)計(jì)方案滿足某環(huán)空試驗(yàn)平臺對高空模擬系統(tǒng)的要求。該系統(tǒng)為動態(tài)試驗(yàn)真空系統(tǒng)建立了設(shè)計(jì)模板,可以擴(kuò)展到民用的化學(xué)氣體輸送、煤礦瓦斯抽放輸運(yùn)等工程。

        [1]徐成海.真空設(shè)備選型與采購指南.北京:石油和化工設(shè)備出版社,2009.

        [2]達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊.北京:國防工業(yè)出版社,2004.

        [3]達(dá)道安.空間真空技術(shù).北京:宇航出版社,1995.

        [4]徐成海.真空工程技術(shù).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

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