CN103323219A - 机载油箱惰性化综合性能试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机载油箱惰性化综合性能试验系统，由气源处理系统、配气系统、真空系统、模拟油箱系统以及测控系统五部分组成，该试验系统用于机载油箱惰性化防护中各性能参数的检测与控制。测控系统通过ADAM-4000系列模块对各测量参数进行数据采集，通过日本导电仪表SRS13对实验各参数进行调控与显示，采用RS-485接口实现上位机与下位机之间的通讯和控制，上位机采用组态软件进行系统开发，操作简单，开发周期短，人机界面友好，可靠性高。

Description

机载油箱惰性化综合性能试验系统

技术领域

针对飞机燃油箱惰性化性能的实验研究，本发明涉及一种机载油箱惰性化综合性能试验系统，属于工程技术领域。

背景技术

飞机油箱的防火防爆能力，直接关系到飞机的生存力和易损性，也关系到飞机的利用率、成本以及人员安全，因此，提高飞机油箱的防火防爆能力，使飞机油箱始终处于安全状态之中是十分必要的。飞机燃油箱惰性化技术指的是通过技术措施，使飞机燃油箱上部气相空间的含氧量在整个飞行过程中始终保持低于支持燃油燃烧所需要的最低含氧量水平，以保障飞机燃油箱的安全性。

发明内容

惰性化气体或介质主要有液氮、哈龙1301和富氮气体(NEA)三大类。液氮和哈龙1301虽然有惰化流程简单、技术成熟度高和易于实现全航程按所需流量供给等优点，但由于后勤保障成本高及环保性差，故不是未来发展的方向；而利用机载制氮系统(OBIGGS)产生富氮气体来惰化燃油箱，则显示出巨大的发展潜力。机载制氮可采用分子筛或膜分离2种方法来实现，由于膜分离法所用设备的质量、体积更小，发动机引气量也小，因此已有取代分子筛的趋势，本试验系统采用的是机载膜分离装置产生惰化气体。

机载油箱惰性化综合性能试验台用于对飞机燃油箱的惰性化防护性能进行地面模拟实验。该试验台可对机载油箱惰性化实验的燃油/洗涤气流量、压力、燃油耗油速率以及制氮膜单元的进气压力、流量等参数进行控制，用于检测各种飞行、进气、压力等条件下机载燃油洗涤系统的惰性化防护性能，为机载惰化技术的发展提供一定的实验基础。本试验系统是一套全自动化系统，能通过计算机对实验台各部分的工况进行自动调节，并且能实时记录并存储实验所需要的各个数据。

本发明的目的在于提供一种机载油箱惰性化综合性能试验台，同时还可以为环境模拟类实验提供平台，系统的管路布局复杂，但其操作方便，可靠性好，实用性强。

附图说明

图1为气源系统原理示意图；

图2为配气系统原理示意图；

图3为真空系统原理示意图；

图4为模拟油箱系统原理示意图；

图5为机载油箱惰化试验系统原理简图。

具体实施方式

如图5所示，根据本发明的一个实施例，本机载油箱惰性化综合性能试验系统包括气源处理系统I、配气系统II、真空系统III、模拟油箱系统IV以及测控系统。

气源处理系统I主要用于对制氮膜单元进口气源进行调压、冷却、过滤、净化等预处理，并能对进口气体的流量、压力、湿度等参数进行调节，为制氮膜单元提供给定压力、流量和温度的干燥洁净高压空气，同时经过气源系统处理过的压缩空气还可用于配气系统的气源和饱和油箱的饱和洗涤气。

配气系统II主要用于供给洗涤、冲洗系统所需浓度、流量、压力的惰性洗涤气体。其中氮气源是由机载膜空气分离装置提供的，其工作原理是：压缩空气经调压、冷却、净化等处理后，流过可透膜管路，利用氧气和氮气在膜中的溶解度和扩散系数的差别，使氧气和氮气在膜中的渗透率有差异，在膜两侧压力差作用下，渗透率相对较大的氧气优先透过膜在膜外富集，从而达到氧气和氮气的分离，富氮气体通过管道进入油箱使油箱惰性化。

真空系统III具有两个飞行高度模拟真空罐，一个连接制氮膜单元，用于模拟富氧气体的出口环境压力，一个连接洗涤试验油箱出口，用于模拟试验油箱的出口环境压力。

模拟油箱系统IV包括燃油循环单元、燃油惰性化洗涤单元以及燃油饱和洗涤单元。燃油循环单元用于对模拟油箱进行燃油输送和燃油回收，同时进行模拟油箱耗油量的调节；燃油惰性化洗涤单元主要用于对试验油箱进行惰化洗涤，一方面通过对惰化气体的压力和流量、实验燃油的压力和流量、引射装置喷嘴直径、油箱载油量等参数进行测量和调节，检测各环境因素对模拟油箱洗涤效果的影响规律，另一方面采用不同的惰化方法(燃油洗涤、油箱冲洗)，通过真空系统模拟不同飞行剖面，检测采用不同惰化方法，油箱气相空间氧浓度随环境压力的变化情况；燃油饱和洗涤单元用于对进入洗涤实验油箱的燃油进行饱和处理，从而确保实验的燃油均是未惰性化的燃油。

测控系统包括上位管理与监控级、下位控制级、检测与执行级，用于对洗涤试验中温度、流量、压力等性能参数进行测量与控制。上位管理监控级以工业控制计算机为核心，协调现场控制的各类仪表，完成实验数据管理及显示，提供人机交互接口，完成实验参数设置及试验数据处理，生成各种曲线及报警报表窗口，实时监控试验运行状况，执行现有设备报警与安全保护；下位控制级包括诸如10块智能数字PID调节仪表，它既具有自动控制功能，又具有手动控制功能，同时还具有与计算机的通讯功能，可通过输出诸如4～20mA信号来控制执行机构的动作达到对压力、流量、液位等参数的控制作用；检测与执行级是指现场信号测量单元与设备执行单元，它包括传感器、变送器、执行机构，可实现温度、压力、流量、液位等参数的测量和气动调节阀等设备的执行。

本系统的测量任务包括两个方面：其一要完成控制过程中各被控参数的测量；其二要对测量的实验数据进行分析处理。为了满足系统对温度、压力、流量等测量参数的精度要求。根据一个具体的实施例，本发明的试验系统选用了16位8通道的高精度A/D转换模块，即ADAM-4000系列数据采集模块，可以采集电压电流等模拟量输入信号。该模块可将现场采集到的温度、压力、流量等模拟信号转换成数字信号，并通过RS485接口传送到工控机进行数据处理。

针对机载油箱惰性化试验系统的具体要求，在一个具体实施例中，本发明的系统采用了小型的集散控制方法，其中，上位机采用研华工业控制计算机，下位机控制级由10块日本导电公司生产的智能PID导电仪表组成，用来完成不同的现场控制任务和显示实验数据，系统中涉及到压力控制、流量控制、温度控制、真空度控制等，其具体的控制策略包括：(1)压力控制：压力的控制通过调节气动薄膜调节阀来实现。导电仪表SRS13将压力变送器传送过来的气源压力、洗涤气压力、真空罐压力等测量信号与设定值相比较，实现PID闭环控制，根据智能仪表输出的电流信号来调节气动薄膜调节阀的开度来实现压力的控制。(2)流量控制：流量的控制通过流量调节仪表来实现，导电仪表SRS13将流量计测量的流量信号与其设定值相比较，实现PID控制，根据智能仪表输出的电流信号来调节流量调节阀控制阀门的开度，从而达到流量调节的目的。(3)温度控制：温度的控制通过加热机和制冷机来实现，导电仪表SRS13将温度变送器传送过来的温度信号与设定值相比较，实现PID闭环控制，如果设定温度高于气体进口温度，则加热器工作，加热器功率由单回路调节器控制固态继电器进行调节。反之，如果设定温度低于气体进口温度，则制冷机组工作，制冷机组的额定功率大于所要求的最大制冷量，制冷机组不具有调节功能，气体温度通过流量分配调节阀调节冷热路流量进行温度调节。(4)真空度控制：本套真空系统即具有进气流量小，变化范围大(101.3-19.3kpa)的特点，且在高度模拟试验中，压力变化迅速，导致误差大，通用的PID控制方法很难达到设计指标要求，为了改善调节效果，本实验系统采用专家级PID控制方法。其工作原理是大偏差范围内采用知识库内的控制量控制节流阀的开度进行控制，小偏差范围内转变成为PID控制调节阀来对真空度进行精确调节。

在一个具体的实施例中，上位机测控软件选用北京亚控科技发展有限公司开发的组态王6.53作为系统开发平台，它可实现实时数据存储、曲线拟合、历史数据查询、报表与报警等功能。本系统中的主要画面包括试验系统原理图、燃油洗涤试验数字显示界面、手动调节界面、报表窗口、报警窗口、历史趋势曲线等，系统操作简单，开发周期短，人机界面友好，可靠性好。

如图1所示，根据本发明的一个实施例，气源系统I包括空压机1、储气罐2、干燥机3、压力控制器4(a)、流量控制器5(a)、温度传感器6、调节阀7、加热机8和制冷机9。来自空压机1的高压气体通入储气罐2，以存储一定量的压缩空气，同时确保供气平稳，减少压力波动；从储气罐2出来的空气经过干燥机3除湿后，再经过过滤，得到干燥洁净的高压空气，该气体通过压力控制器4(a)调节压力后进入流量控制设备5(a)进行流量调节(由于压力和流量同时调节容易造成较大的耦合效应，故两个调节不同时进行，且先由压力控制器将进入流量控制器前的空气压力调节至稳定状态，方便流量的测量，因而流量控制器5(a)置于压力控制器4(a)之后)，随后气体进入温度调节系统(包括并联的加热机8和制冷机9)，在温度调节系统端口处置有温度传感器6进行温度检测，通过流量分配调节阀7分配冷热路流量进行温度调节。经气源系统I处理过的空气主要用于制氮膜装置17(图3)进口气源或配气系统II的空气源，另外还可用于饱和油箱20的饱和处理。

如图2所示，根据本发明的一个实施例的配气系统II包括储氮罐10、压缩空气源、压力控制器组4，定径孔11、流量控制器5(b)、混合阀12以及质谱仪13，从储氮罐出10来的氮气经压力控制器4(b)调压后与气源系统中经压力控制器4(c)出来的压缩空气分别流经定孔径11(a)和11(b)，通过混合阀12配比不同流量的氮气与压缩空气，从而达到调节氮气浓度的目的。

如图3所示，真空系统III包括真空泵14、调节阀组15、真空罐组16、制氮膜装置17及模拟油箱18。启动真空泵14，制氮膜装置17出口富氧气体通入真空罐16(a)，用来模拟制氮膜装置17的出口环境压力，通过调节阀15(a)和15(b)分别调节两真空罐内压力达到一个稳定值，提供稳压环境，模拟油箱18和真空罐16(b)之间的调节阀15(c)配合模拟油箱内的压力传感器来调节模拟油箱内的飞行高度、飞行爬升速率和下降速率。

如图4所示为模拟油箱系统IV，其中，首先通过燃油泵21(a)和气动调节阀15(e)将储油罐中燃油输送到饱和油箱20，当饱和油箱液位达到一定值时，启动燃油泵21(b)和流量控制器5(c)，将饱和油箱20的燃油输送到模拟油箱18，待模拟油箱液位上升到一定值时，打开燃油泵21(c)和气动调节阀15(d)，将模拟油箱18的燃油送回储油罐19；当整个燃油循环系统稳定后，启动饱和泵21(d)和流量控制器5(d)将饱和油箱20中燃油引入饱和引射油回路中，与从气源系统I过来的压缩空气在饱和油箱20底部的洗涤引射器22(a)中混合，通过气体的传质作用将燃油中氧置换出来，直到油箱中燃油达到空气饱和状态；启动洗涤泵21(e)和流量控制器5(e)，将模拟油箱18中燃油引入洗涤引射油回路中，与从膜分离装置17/配气系统II管路过来的惰性气体通过模拟油箱18底部的洗涤引射器22(b)进行混合，从而将燃油中氧气置换出来，也可将惰性气体通入到油箱气相空间进行油箱冲洗，达到对燃油箱的惰化目的。

如图5所示为机载油箱惰化试验系统原理简图，是将上述4幅图进行连接而成的，经气源系统I处理过的空气用作制氮膜装置的入口气源或配气系统II的空气源，同时也可用于模拟油箱系统IV中饱和油箱20的洗涤空气源，制氮膜装置17的出口产品气体富氮气体通入到模拟油箱系统IV中模拟油箱燃油和油箱气相空间进行燃油洗涤和油箱冲洗，通过真空系统III来模拟制氮膜装置和模拟油箱的出口环境压力。

本发明的优点包括：

提供一个开放性高、功能性强的科研型实验平台，涉及自动控制、系统监控、计算机网络通信、气动技术等方面的知识，该试验系统可以用于检测各种飞行、进气、压力等条件下机载燃油洗涤系统的惰性化防护性能，也可研究机载膜飞离装置的制氮性能随环境因素的影响规律，系统按工业标准设计，具有程控和后备手动控制功能，操作简单，可靠性高。

软件部分采用了丰富、生动的多媒体画面，具有集图像、动画于一体的工程画面，可以通过报表、报警、曲线等多种形式，为工作人员及时地反映系统运行时实验现场的状态、品质、异常报警等有关信息，具有自动测试、文件管理、图表打印、报警处理、故障诊断等功能。

本试验系统采用工控机与PID导电调节仪表合用的控制系统，合理的分担了上位监控以及现场数据采集和控制的任务，充分发挥了不同设备的各自优势，使系统上下的有机结合变得更加容易。

由于试验系统控制任务重、控制点多，因而采用了集散控制方法，以工控机为中心实施多点协调控制，软件部分采用面向对象的设计方法，进行模块化程序设计，系统软件模块包括实时管理模块、实时数据采集处理模块、实时控制模块、系统参数处理模块、界面管理模块、试验流程显示与监控模块、系统自诊断及测试模块等，各模块相互独立，结构清晰。

Claims (8)

1.机载油箱惰性化综合性能试验系统，其特征在于包括：

气源处理系统(I)，用于为一个制氮膜单元(17)提供入口气源，为配气系统(II)提供空气源，并为模拟油箱系统IV提供洗涤空气源；

所述配气系统(II)，用于供给模拟油箱系统IV所需浓度、流量、压力的惰性洗涤气体；真空系统(III)，用于模拟富氧气体的出口环境压力和模拟试验油箱的出口环境压力；

模拟油箱系统(IV)，用于模拟油箱的工作。

2.根据权利要求1的机载油箱惰性化综合性能试验系统，其特征在于所述真空系统(III)，包括：

一个第一飞行高度模拟真空罐，其连接到所述制氮膜单元(17)，用于模拟富氧气体的出口环境压力，

一个第二飞行高度模拟真空罐，其连接到洗涤试验油箱出口，用于模拟试验油箱的出口环境压力。

3.根据权利要求1的机载油箱惰性化综合性能试验系统，其特征在于所述模拟油箱系统(IV)包括：

燃油循环单元，用于对模拟油箱进行燃油输送和燃油回收，同时进行模拟油箱耗油量的调节；

燃油惰性化洗涤单元，用于对试验油箱进行惰化洗涤，通过对惰化气体的压力和流量、实验燃油的压力和流量、引射装置喷嘴直径、油箱载油量等参数进行测量和调节，检测各环境因素对模拟油箱洗涤效果的影响规律，并通过真空系统模拟不同飞行剖面，检测采用不同的惰化方法(燃油洗涤、油箱冲洗)，模拟油箱气相空间氧浓度随环境压力的变化情况；

燃油饱和洗涤单元，用于对饱和油箱燃油进行饱和处理，从而确保实验的燃油均是未惰性化的燃油。

4.根据权利要求3的机载油箱惰性化综合性能试验系统，其特征在于进一步包括测控系统，该测控系统包括：

上位管理与监控级，用于协调现场控制的各类仪表，完成实验数据管理及显示，提供人机交互接口，完成实验参数设置及试验数据处理，生成各种曲线及报警报表窗口，实时监控试验运行状况，执行现有设备报警与安全保护；

下位控制级，用于控制执行机构的动作达到对压力、流量、液位等参数的控制作用；

检测与执行级，它包括传感器、变送器、执行机构，用于实现温度、压力、流量、液位等参数的测量和气动调节阀等设备的执行。

5.根据权利要求1的机载油箱惰性化综合性能试验系统，其特征在于所述气源系统(I)包括：

空压机(1)，用于提供高压气体，

储气罐(2)，用于接收所述高压气体，以存储一定量的压缩空气，确保供气平稳，减少压力波动，

干燥机(3)，用于对从储气罐2出来的空气进行干燥除湿，得到干燥洁净的高压空气，

控制器(4(a))，用于对来自干燥机(3)的气体进行压力调节，

流量控制设备(5(a))，用于对来自控制器(4(a))的气体进行流量调节，

温度调节系统，包括并联的加热机(8)和制冷机(9)，通过流量分配调节阀(7)分配冷热路流量，从而对来自流量控制设备(5(a))的气体进行温度调节。

6.根据权利要求1的机载油箱惰性化综合性能试验系统，其特征在于所述配气系统(II)包括：

储氮罐(10)，用于储存氮气；

第二压力控制器(4(b))，用于对来自所述储氮罐(10)的氮气进行调压，

第三压力控制器(4(c))，用于对来自所述气源处理系统的压缩空气进行调压；

混合阀(12)，用于配比不同流量的所述氮气与所述压缩空气，从而调节氮气的浓度。

7.根据权利要求1的机载油箱惰性化综合性能试验系统，其特征在于所述真空系统(III)包括：

真空泵(14)，用于抽吸或压送气体，以便在密闭容器中形成真空或压力，

第一真空罐16(a)，用于接收来自制氮膜单元(17)的富氧气体，用来模拟制氮膜单元(17)的出口环境压力，

所述制氮膜单元(17)，用于提供模拟油箱洗涤和冲洗的惰化气体，

第二真空罐16(b)，用于连接模拟油箱出口，用来模拟试验油箱的出口环境压力，

第一和第二调节阀(15(a)、15(b))分别调节所述第一和第二真空罐内的压力，提供稳压环境，

设置在所述模拟油箱(18)和第二真空罐16(b)之间的第三调节阀(15(c))，用于调节设置在所述模拟油箱系统(IV)中的一个模拟油箱(18)内的飞行高度、飞行爬升速率和下降速率参数。

8.根据权利要求7的机载油箱惰性化综合性能试验系统，其特征在于所述模拟油箱系统(IV)包括：

所述模拟油箱(18)，用于对试验燃油进行惰化实验，

储油罐(19)，用于储存试验系统所需燃油，

一个饱和油箱(20)，用于对进入模拟油箱的燃油进行空气饱和预处理，

第一燃油泵(21(a))和第一气动调节阀(15(e))，用于将储油罐(19)中的燃油输送到所述饱和油箱(20)，

一个第二燃油泵(21(b))和一个流量控制器(5(c))，用于当饱和油箱液位达到一定值时，将饱和油箱(20)的燃油输送到模拟油箱(18)，

一个第三燃油泵(21(c))和一个第二气动调节阀(15(d))，用于当模拟油箱的液位上升到一个预定值时，将模拟油箱(18)的燃油送回储油罐(19)；

饱和泵(21(d))、第二流量控制器(5(d))以及在饱和油箱(20)底部的一个第一洗涤引射器(22(a))，用于当整个燃油循环系统稳定后，将饱和油箱(20)中的燃油引入饱和引射油回路中，与从气源系统(I)来的压缩空气在洗涤引射器(22(a))中混合，从而通过气体的传质作用将燃油中氧置换出来，直到油箱中燃油达到空气饱和状态；

一个洗涤泵(21(e))、一个第三流量控制器(5(e))和设置在模拟油箱(18)底部的一个第二洗涤引射器(22(b))，用于将模拟油箱(18)中燃油引入洗涤引射油回路中，与从制氮膜单元(17)/配气系统(II)来的惰性气体通过第二洗涤引射器22(b)进行混合，从而将燃油中氧气置换出来，或将惰性气体通入到油箱气相空间进行油箱冲洗，从而达到对燃油箱的惰化目的。

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