機載油箱惰性化綜合性能試驗系統的制作方法與工藝

針對飛機燃油箱惰性化性能的實驗研究，本發明涉及一種機載油箱惰性化綜合性能試驗系統，屬于工程技術領域。

背景技術：
飛機油箱的防火防爆能力，直接關系到飛機的生存力和易損性，也關系到飛機的利用率、成本以及人員安全，因此，提高飛機油箱的防火防爆能力，使飛機油箱始終處于安全狀態之中是十分必要的。飛機燃油箱惰性化技術指的是通過技術措施，使飛機燃油箱上部氣相空間的含氧量在整個飛行過程中始終保持低于支持燃油燃燒所需要的最低含氧量水平，以保障飛機燃油箱的安全性。

技術實現要素：
惰性化氣體或介質主要有液氮、哈龍1301和富氮氣體(NEA)三大類。液氮和哈龍1301雖然有惰化流程簡單、技術成熟度高和易于實現全航程按所需流量供給等優點，但由于后勤保障成本高及環保性差，故不是未來發展的方向；而利用機載制氮系統(OBIGGS)產生富氮氣體來惰化燃油箱，則顯示出巨大的發展潛力。機載制氮可采用分子篩或膜分離2種方法來實現，由于膜分離法所用設備的質量、體積更小，發動機引氣量也小，因此已有取代分子篩的趨勢，本試驗系統采用的是機載膜分離裝置產生惰化氣體。機載油箱惰性化綜合性能試驗臺用于對飛機燃油箱的惰性化防護性能進行地面模擬實驗。該試驗臺可對機載油箱惰性化實驗的燃油/洗滌氣流量、壓力、燃油耗油速率以及制氮膜單元的進氣壓力、流量等參數進行控制，用于檢測各種飛行、進氣、壓力等條件下機載燃油洗滌系統的惰性化防護性能，為機載惰化技術的發展提供一定的實驗基礎。本試驗系統是一套全自動化系統，能通過計算機對實驗臺各部分的工況進行自動調節，并且能實時記錄并存儲實驗所需要的各個數據。本發明的目的在于提供一種機載油箱惰性化綜合性能試驗臺，同時還可以為環境模擬類實驗提供平臺，系統的管路布局復雜，但其操作方便，可靠性好，實用性強。附圖說明圖1為氣源系統原理示意圖；圖2為配氣系統原理示意圖；圖3為真空系統原理示意圖；圖4為模擬油箱系統原理示意圖；圖5為機載油箱惰化試驗系統原理簡圖。具體實施方式如圖5所示，根據本發明的一個實施例，本機載油箱惰性化綜合性能試驗系統包括氣源處理系統I、配氣系統II、真空系統III、模擬油箱系統IV以及測控系統。氣源處理系統I主要用于對制氮膜單元進口氣源進行調壓、冷卻、過濾、凈化等預處理，并能對進口氣體的流量、壓力、濕度等參數進行調節，為制氮膜單元提供給定壓力、流量和溫度的干燥潔凈高壓空氣，同時經過氣源系統處理過的壓縮空氣還可用于配氣系統的氣源和飽和油箱的飽和洗滌氣。配氣系統II主要用于供給洗滌、沖洗系統所需濃度、流量、壓力的惰性洗滌氣體。其中氮氣源是由機載膜空氣分離裝置提供的，其工作原理是：壓縮空氣經調壓、冷卻、凈化等處理后，流過可透膜管路，利用氧氣和氮氣在膜中的溶解度和擴散系數的差別，使氧氣和氮氣在膜中的滲透率有差異，在膜兩側壓力差作用下，滲透率相對較大的氧氣優先透過膜在膜外富集，從而達到氧氣和氮氣的分離，富氮氣體通過管道進入油箱使油箱惰性化。真空系統III具有兩個飛行高度模擬真空罐，一個連接制氮膜單元，用于模擬富氧氣體的出口環境壓力，一個連接洗滌試驗油箱出口，用于模擬試驗油箱的出口環境壓力。模擬油箱系統IV包括燃油循環單元、燃油惰性化洗滌單元以及燃油飽和洗滌單元。燃油循環單元用于對模擬油箱進行燃油輸送和燃油回收，同時進行模擬油箱耗油量的調節；燃油惰性化洗滌單元主要用于對試驗油箱進行惰化洗滌，一方面通過對惰化氣體的壓力和流量、實驗燃油的壓力和流量、引射裝置噴嘴直徑、油箱載油量等參數進行測量和調節，檢測各環境因素對模擬油箱洗滌效果的影響規律，另一方面采用不同的惰化方法(燃油洗滌、油箱沖洗)，通過真空系統模擬不同飛行剖面，檢測采用不同惰化方法，油箱氣相空間氧濃度隨環境壓力的變化情況；燃油飽和洗滌單元用于對進入洗滌實驗油箱的燃油進行飽和處理，從而確保實驗的燃油均是未惰性化的燃油。測控系統包括上位管理與監控級、下位控制級、檢測與執行級，用于對洗滌試驗中溫度、流量、壓力等性能參數進行測量與控制。上位管理監控級以工業控制計算機為核心，協調現場控制的各類儀表，完成實驗數據管理及顯示，提供人機交互接口，完成實驗參數設置及試驗數據處理，生成各種曲線及報警報表窗口，實時監控試驗運行狀況，執行現有設備報警與安全保護；下位控制級包括諸如10塊智能數字PID調節儀表，它既具有自動控制功能，又具有手動控制功能，同時還具有與計算機的通訊功能，可通過輸出諸如4～20mA信號來控制執行機構的動作達到對壓力、流量、液位等參數的控制作用；檢測與執行級是指現場信號測量單元與設備執行單元，它包括傳感器、變送器、執行機構，可實現溫度、壓力、流量、液位等參數的測量和氣動調節閥等設備的執行。本系統的測量任務包括兩個方面：其一要完成控制過程中各被控參數的測量；其二要對測量的實驗數據進行分析處理。為了滿足系統對溫度、壓力、流量等測量參數的精度要求。根據一個具體的實施例，本發明的試驗系統選用了16位8通道的高精度A/D轉換模塊，即ADAM-4000系列數據采集模塊，可以采集電壓電流等模擬量輸入信號。該模塊可將現場采集到的溫度、壓力、流量等模擬信號轉換成數字信號，并通過RS485接口傳送到工控機進行數據處理。針對機載油箱惰性化試驗系統的具體要求，在一個具體實施例中，本發明的系統采用了小型的集散控制方法，其中，上位機采用研華工業控制計算機，下位機控制級由10塊日本導電公司生產的智能PID導電儀表組成，用來完成不同的現場控制任務和顯示實驗數據，系統中涉及到壓力控制、流量控制、溫度控制、真空度控制等，其具體的控制策略包括：(1)壓力控制：壓力的控制通過調節氣動薄膜調節閥來實現。導電儀表SRS13將壓力變送器傳送過來的氣源壓力、洗滌氣壓力、真空罐壓力等測量信號與設定值相比較，實現PID閉環控制，根據智能儀表輸出的電流信號來調節氣動薄膜調節閥的開度來實現壓力的控制。(2)流量控制：流量的控制通過流量調節儀表來實現，導電儀表SRS13將流量計測量的流量信號與其設定值相比較，實現PID控制，根據智能儀表輸出的電流信號來調節流量調節閥控制閥門的開度，從而達到流量調節的目的。(3)溫度控制：溫度的控制通過加熱機和制冷機來實現，導電儀表SRS13將溫度變送器傳送過來的溫度信號與設定值相比較，實現PID閉環控制，如果設定溫度高于氣體進口溫度，則加熱器工作，加熱器功率由單回路調節器控制固態繼電器進行調節。反之，如果設定溫度低于氣體進口溫度，則制冷機組工作，制冷機組的額定功率大于所要求的最大制冷量，制冷機組不具有調節功能，氣體溫度通過流量分配調節閥調節冷熱路流量進行溫度調節。(4)真空度控制：本套真空系統即具有進氣流量小，變化范圍大(101.3-19.3kpa)的特點，且在高度模擬試驗中，壓力變化迅速，導致誤差大，通用的PID控制方法很難達到設計指標要求，為了改善調節效果，本實驗系統采用專家級PID控制方法。其工作原理是大偏差范圍內采用知識庫內的控制量控制節流閥的開度進行控制，小偏差范圍內轉變成為PID控制調節閥來對真空度進行精確調節。在一個具體的實施例中，上位機測控軟件選用北京亞控科技發展有限公司開發的組態王6.53作為系統開發平臺，它可實現實時數據存儲、曲線擬合、歷史數據查詢、報表與報警等功能。本系統中的主要畫面包括試驗系統原理圖、燃油洗滌試驗數字顯示界面、手動調節界面、報表窗口、報警窗口、歷史趨勢曲線等，系統操作簡單，開發周期短，人機界面友好，可靠性好。如圖1所示，根據本發明的一個實施例，氣源系統I包括空壓機1、儲氣罐2、干燥機3、壓力控制器4(a)、流量控制器5(a)、溫度傳感器6、調節閥7、加熱機8和制冷機9。來自空壓機1的高壓氣體通入儲氣罐2，以存儲一定量的壓縮空氣，同時確保供氣平穩，減少壓力波動；從儲氣罐2出來的空氣經過干燥機3除濕后，再經過過濾，得到干燥潔凈的高壓空氣，該氣體通過壓力控制器4(a)調節壓力后進入流量控制設備5(a)進行流量調節(由于壓力和流量同時調節容易造成較大的耦合效應，故兩個調節不同時進行，且先由壓力控制器將進入流量控制器前的空氣壓力調節至穩定狀態，方便流量的測量，因而流量控制器5(a)置于壓力控制器4(a)之后)，隨后氣體進入溫度調節系統(包括并聯的加熱機8和制冷機9)，在溫度調節系統端口處置有溫度傳感器6進行溫度檢測，通過流量分配調節閥7分配冷熱路流量進行溫度調節。經氣源系統I處理過的空氣主要用于制氮膜裝置17(圖3)進口氣源或配氣系統II的空氣源，另外還可用于飽和油箱20的飽和處理。如圖2所示，根據本發明的一個實施例的配氣系統II包括儲氮罐10、壓縮空氣源、壓力控制器組4，定徑孔11、流量控制器5(b)、混合閥12以及質譜儀13，從儲氮罐出10來的氮氣經壓力控制器4(b)調壓后與氣源系統中經壓力控制器4(c)出來的壓縮空氣分別流經定孔徑11(a)和11(b)，通過混合閥12配比不同流量的氮氣與壓縮空氣，從而達到調節氮氣濃度的目的。如圖3所示，真空系統III包括真空泵14、調節閥組15、真空罐組16、制氮膜裝置17及模擬油箱18。啟動真空泵14，制氮膜裝置17出口富氧氣體通入真空罐16(a)，用來模擬制氮膜裝置17的出口環境壓力，通過調節閥15(a)和15(b)分別調節兩真空罐內壓力達到一個穩定值，提供穩壓環境，模擬油箱18和真空罐16(b)之間的調節閥15(c)配合模擬油箱內的壓力傳感器來調節模擬油箱內的飛行高度、飛行爬升速率和下降速率。如圖4所示為模擬油箱系統IV，其中，首先通過燃油泵21(a)和氣動調節閥15(e)將儲油罐中燃油輸送到飽和油箱20，當飽和油箱液位達到一定值時，啟動燃油泵21(b)和流量控制器5(c)，將飽和油箱20的燃油輸送到模擬油箱18，待模擬油箱液位上升到一定值時，打開燃油泵21(c)和氣動調節閥15(d)，將模擬油箱18的燃油送回儲油罐19；當整個燃油循環系統穩定后，啟動飽和泵21(d)和流量控制器5(d)將飽和油箱20中燃油引入飽和引射油回路中，與從氣源系統I過來的壓縮空氣在飽和油箱20底部的洗滌引射器22(a)中混合，通過氣體的傳質作用將燃油中氧置換出來，直到油箱中燃油達到空氣飽和狀態；啟動洗滌泵21(e)和流量控制器5(e)，將模擬油箱18中燃油引入洗滌引射油回路中，與從膜分離裝置17/配氣系統II管路過來的惰性氣體通過模擬油箱18底部的洗滌引射器22(b)進行混合，從而將燃油中氧氣置換出來，也可將惰性氣體通入到油箱氣相空間進行油箱沖洗，達到對燃油箱的惰化目的。如圖5所示為機載油箱惰化試驗系統原理簡圖，是將上述4幅圖進行連接而成的，經氣源系統I處理過的空氣用作制氮膜裝置的入口氣源或配氣系統II的空氣源，同時也可用于模擬油箱系統IV中飽和油箱20的洗滌空氣源，制氮膜裝置17的出口產品氣體富氮氣體通入到模擬油箱系統IV中模擬油箱燃油和油箱氣相空間進行燃油洗滌和油箱沖洗，通過真空系統III來模擬制氮膜裝置和模擬油箱的出口環境壓力。本發明的優點包括：提供一個開放性高、功能性強的科研型實驗平臺，涉及自動控制、系統監控、計算機網絡通信、氣動技術等方面的知識，該試驗系統可以用于檢測各種飛行、進氣、壓力等條件下機載燃油洗滌系統的惰性化防護性能，也可研究機載膜飛離裝置的制氮性能隨環境因素的影響規律，系統按工業標準設計，具有程控和后備手動控制功能，操作簡單，可靠性高。軟件部分采用了豐富、生動的多媒體畫面，具有集圖像、動畫于一體的工程畫面，可以通過報表、報警、曲線等多種形式，為工作人員及時地反映系統運行時實驗現場的狀態、品質、異常報警等有關信息，具有自動測試、文件管理、圖表打印、報警處理、故障診斷等功能。本試驗系統采用工控機與PID導電調節儀表合用的控制系統，合理的分擔了上位監控以及現場數據采集和控制的任務，充分發揮了不同設備的各自優勢，使系統上下的有機結合變得更加容易。由于試驗系統控制任務重、控制點多，因而采用了集散控制方法，以工控機為中心實施多點協調控制，軟件部分采用面向對象的設計方法，進行模塊化程序設計，系統軟件模塊包括實時管理模塊、實時數據采集處理模塊、實時控制模塊、系統參數處理模塊、界面管理模塊、試驗流程顯示與監控模塊、系統自診斷及測試模塊等，各模塊相互獨立，結構清晰。