CN108691704B - 发动机进气口结冰检测系统及除冰系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种发动机进气口结冰检测系统，过滤罩罩设在所述发动机进气口上，所述过滤罩的固有频率大于等于所述发动机怠速时所述发动机的振动频率且小于等于所述发动机100％转速时所述发动机的振动频率的150％；检测装置用于检测所述过滤罩的振动状态；控制装置得到与所述检测装置信号连接并根据所述检测装置检测的振动状态信号得到所述过滤罩的状态信息。上述发动机进气口结冰检测系统，当过滤罩上结冰时，由于重量的变化导致振动频率降低至与发动机的振动频率相同产生共振，检测装置能够检测过滤罩的振动状态及变化，控制装置能够根据检测到的振动状态变化得到过滤罩的状态信息，及时发现过滤罩结冰现象。

Description

发动机进气口结冰检测系统及除冰系统

技术领域

本发明涉及内燃发动机领域，特别是涉及一种发动机进气口结冰检测系统及除冰系统。

背景技术

对于直升机，例如山脉上或靠近水域的寒冷且湿度高的环境下进行操作时，在发动机进气口的保护网栅上会出现结冰现象，所累积的冰的量会将燃气涡轮的进气口局部地堵塞，可能导致燃气涡轮完全或部分地损坏。如何能够及时检测结冰现象是一个需要解决的问题。

发明内容

基于此，有必要针对如何及时检测结冰现象问题，提供一种发动机进气口结冰检测系统、除冰系统、内燃发动机及航空器。

本发明提供的一种发动机进气口结冰检测系统，其中，包括过滤罩、检测装置以及控制装置，

所述过滤罩罩设在发动机进气口上，所述过滤罩的固有频率大于等于所述发动机怠速时所述发动机的振动频率且小于等于所述发动机100％转速时所述发动机的振动频率的150％；

所述检测装置用于检测所述过滤罩的振动状态；

所述控制装置与所述检测装置信号连接并根据所述检测装置检测的振动状态信号得到所述过滤罩的状态信息。

在其中一个实施例中，所述结冰检测系统还包括弹性连接件，所述检测装置通过所述弹性连接件与所述过滤罩连接。

在其中一个实施例中，所述固有频率包括第m阶固有频率以及第n阶固有频率，其中，m，n为正整数，且m小于n，

所述第m阶固有频率大于等于所述发动机怠速时所述发动机的振动频率且小于等于所述发动机100％转速时所述发动机的振动频率；

所述第n阶固有频率大于等于所述发动机90％转速时所述发动机的振动频率且小于等于所述发动机100％转速时所述发动机的振动频率的150％。

在其中一个实施例中，所述第m阶固有频率为所述发动机100％转速时所述发动机的振动频率的75％；

所述第n阶固有频率为所述发动机100％转速时所述发动机的振动 频率的105％。

本发明还提供一种发动机进气口除冰系统，其中，所述除冰系统包括如上所述的结冰检测系统以及加热装置，所述加热装置用于对所述过滤罩加热。

在其中一个实施例中，所述控制装置能够根据所述过滤罩的状态信息控制所述加热装置。

在其中一个实施例中，所述加热装置包括加热环，所述加热环与所述过滤罩匹配并固定设置于所述过滤罩上。

在其中一个实施例中，所述加热环包括电阻丝以及包裹在电阻丝外的导热绝缘层。

本发明还提供了一种内燃发动机，其中，所述内燃发动机包括如上所述的除冰系统。

本发明还提供了一种航空器，其中，所述航空器包括如上所述的内燃发动机。

上述发动机进气口结冰检测系统，过滤罩罩设在所述发动机进气口上，当过滤罩上产生结冰现象时，由于重量的变化导致过滤罩的振动频率降低至与发动机的振动频率相同产生共振，检测装置能够检测过滤罩的振动状态及变化，控制装置能够根据检测到的振动状态变化得到过滤罩的状态信息，及时发现过滤罩结冰现象。

进一步地，上述发动机进气口除冰系统的控制装置能根据过滤罩的状态信息控制加热装置，以辅助过滤罩及时进行除冰，避免由于冰层堵塞发动机进气口造成发动机完全或部分地损坏。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明发动机进气口除冰装置结构示意图；

图2为图1所示发动机进气口除冰装置的剖面局部视图；

图3为图2所示发动机进气口除冰装置的进气示意图；

图4为本发明发动机进气口除冰装置另一实施例的结构示意图；

其中，

100-发动机进气口；110-可支撑部件；

200-过滤罩；

300-加热环；

400-弹性连接件；

500-检测装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明的一种发动机进气口结冰检测系统及除冰系统。进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1至图3所示，本发明一实施例的发动机进气口结冰检测系统设有过滤罩200、弹性连接件400、检测装置500和控制装置(图中未示出)。

作为一种可选实施方式，过滤罩200罩设在发动机进气口100上，过滤罩 200的固有频率大于等于所述发动机怠速时所述发动机的振动频率且小于等于所述发动机100％转速时所述发动机的振动频率的150％，检测装置500能够实时检测过滤罩200的振动状态，控制装置与检测装置500信号连接并根据检测装置500检测的振动状态得到过滤罩200的状态信息。内燃发动机，例如燃气涡轮机等，在发动机进气口100上设置过滤罩200，过滤罩200用于防止异物进入发动机中。当发动机在山脉或靠近水域的寒冷且湿度高的环境下时，过滤罩 200上出现结冰现象。当过滤罩200上出现结冰现象时，过滤罩200的重量会发生变化，从而导致过滤罩200固有频率落在与发动机能够产生共振的范围内，过滤罩200与发动机产生共振，共振时过滤罩的振动频率、振幅等会发生变化，相应地检测装置500检测到的振动状态也发生变化，控制装置根据检测到的振动状态及其变化得到过滤罩200的状态信息，能够及时发现过滤罩200结冰现象。

例如，当过滤罩200未结冰时，过滤罩200以一定的频率振动，检测装置 500检测到过滤罩200未结冰的振动状态；当过滤罩200出现结冰现象时，过滤罩200的重量会增加，过滤罩200的振动频率会降低，当过滤罩200的振动频降低至与发动机的振动频率相等时，产生共振，从而过滤罩200的振动频率及振幅等会发生变化，检测装置500检测到结冰的振动状态；控制装置根据振动状态的变化，即从未结冰的振动状态变换为结冰的振动状态，得到过滤罩200 的结冰信息。进一步地，当过滤罩200上的冰层被除去后，过滤罩200的重量会降低至原始重量，从而过滤罩200的振动频率升高，不再与发动机产生共振，过滤罩200的振动频率及振幅等会发生变化，检测装置500检测到未结冰的振动状态；控制装置根据振动状态的变化，即从结冰的振动状态变换为未结冰的振动状态，得到过滤罩200的除冰完成信息。更进一步地，过滤罩200的结冰程度以及除冰程度不同，过滤罩200的整体重量也会相应地不同，进而过滤罩 200的振动状态也会不同，检测装置500检测到相应的振动状态，控制装置能够根据振动状态获得过滤罩200的结冰程度以及除冰程度。

作为一种可选实施方式，检测装置500可以是测力传感器，测力传感器固定在进气口旁的可支撑部件110上并与过滤罩200连接。

作为一种可选实施方式，发动机进气口结冰检测系统还可设有弹性连接件 400，具体地，弹性连接件400可以是弹簧。弹性连接件400一端连接在过滤罩 200上，弹性连接件400另一端连接在进气口旁的可支撑部件110上。通过弹性连接件400，一方面可以更好地调节过滤罩200的频率，另一方面还也可以防止过滤罩200脱离进气口。

进一步地，发动机进气口结冰检测系统设有多个弹性连接件，检测装置500 通过其中任意一个弹性连接件400与过滤罩200弹性连接，具体地，弹性连接件400一端连接在过滤罩200上，弹性连接件400的另一端连接在检测装置500 上。，通过弹性连接的方式将检测装置500与过滤罩200连接，一方面可以使检测装置500更好地响应过滤罩200的振动，检测振动状态；另一方面可以避免过滤罩200振动或共振时振幅过大，造成检测装置500损伤。

作为一种可选实施方式，发动机进气口结冰检测系统可设置一个以上的检测装置500。

当发动机在山脉或靠近水域的寒冷且湿度高的环境下时，过滤罩200上出现结冰现象，过滤罩200的固有频率大于等于所述发动机怠速时所述发动机的振动频率且小于等于所述发动机100％转速时所述发动机的振动频率的150％，在此范围内能够与发动机产生共振。当过滤罩200与发动机产生共振时，过滤罩200会产生较大的振幅，自动将滤罩上凝结的冰层振动掉，达到除冰的目的，并且该结冰检测系统的除冰过程不消耗内燃机的能量，大大节省了能源的使用，此外，通过共振还能除尘，将附着在过滤罩200上的尘土等异物除掉。

例如，过滤罩200的固有频率可以与发动机100％转速时发动机的振动频率相等。当发动机以100％转速运行时，过滤罩200的振动频率与发动机的振动频率相等，过滤罩200与发动机产生共振，共振时过滤罩200的振幅较大，一方面能够防止在过滤罩200上凝结成冰层，另一方面也能够将过滤罩200上凝结的冰层振动掉，从而达到除冰目的。

又如，过滤罩200的固有频率略大于发动机100％转速时发动机的振动频率，例如过滤罩200的固有频率可以是发动机100％转速时发动机的振动频率的 120％。当发动机以100％转速运行时，过滤罩200上若没有凝结的冰层，此时过滤罩200的振动频率与发动机的振动振动频率不相等，不会产生共振；过滤罩200上若生成凝结的冰层，由于冰层的存在增大了过滤罩200的重量，降低了过滤罩200的振动频率，当过滤罩200的振动频率降低至与发动机100％转速时发动机的振动频率相等时，过滤罩200与发动机产生共振，共振时过滤罩200 的振幅较大，能够将过滤罩200上凝结的冰层振动掉，从而实现除冰；当过滤罩200上凝结的冰层被振动掉后，过滤罩200的重量降低，恢复至过滤罩200 的固有频率，过滤罩200与发动机将不再共振。通过将过滤罩200的固有频率设置为略大于发动机100％转速时发动机的振动频率，过滤罩200上未结冰时避免共振，防止振幅过大造成过滤罩200与发动机进气口100连接松动，过滤罩 200上结冰并达到一定程度时产生共振，及时除掉过滤罩200上凝结的冰层，避免对发送机进气口造成堵塞，引起发动机性能降低或部分损坏。

再如，过滤罩200的固有频率略小于发动机100％转速时发动机的振动频率，例如过滤罩200的固有频率可以是发动机100％转速时发动机的振动频率的 90％。发动机往往并非以100％转速运行的，例如发动机可能是经常以以85％转速或90％转速运行，此时过滤罩200的振动频率与发动机运行时的振动频率相等或略高，过滤罩200能够与发动机产生共振或过滤罩200在结冰后与发动机产生共振，从而能够利用共振形成较大的振幅，进行除冰。

作为一种可选实施方式，固有频率具有第m阶固有频率和第n阶固有频率，第m阶固有频率可以大于等于发动机怠速时发动机的振动频率且小于等于发动机100％转速时发动机的振动频率；第n阶固有频率可以大于等于发动机巡航时发动机的振动频率且小于等于发动机100％转速时发动机的振动频率的150％。例如，第m阶固有频率可以是一阶固有频率，第n阶固有频率可以是二阶固有频率。又如，第m阶固有频率可以是二阶固有频率，第n阶固有频率可以是五阶固有频率。

具体地，过滤罩200采用金属材料制备而成，可以是满足过滤罩200强度要求的金属材料。对于某种杨氏模量确认的金属材料，可以通过调节过滤罩200 的厚度来设定过滤罩200的固有频率，进一步地，可以通过调节过滤罩200的厚度来设定过滤罩200的第m阶固有频率和第n阶固有频率。例如，可以通过计算和实验确定过滤罩200的材质以及相应的结构。

每一阶固定频率对应一种振动状态，不同的振动频率也将产生不同的振动状态，并且发生共振时振动状态的振幅会增大。发动机进气口结冰检测系统还设置有控制装置，控制装置根据检测装置500检测到的波形及波形变化，获得过滤罩200的状态信息，即可以判断过滤罩200上是否结冰、过滤罩200是否产生共振等状态，进一步地，可以根据状态信息采取相应的措施，例如反馈结冰信号、控制启动加热装置等。

例如，设过滤罩200的第n阶固有频率为发动机100％转速时发动机的振动频率的105％。

当过滤罩200上未结冰时，过滤罩200以第n阶固有频率振动，检测装置 500检测到对应的第n阶固有频率振动状态；

当过滤罩200上结冰时，过滤罩200的重量增大，过滤罩200的振动频率降低，检测装置500检测到对应的振动状态以及波形变化，控制装置即能够根据检测装置500获得过滤罩200结冰的信号；

当结冰达到一定程度时，过滤罩200的振动频率降低至与发动机的振动频率相等，过滤罩200与发动机产生共振，检测装置500检测到对应的振动状态、波形变化以及振幅变化，控制装置即能够根据检测装置500获得过滤罩200除冰信号；

当过滤罩200的冰层被清除之后，过滤罩200的振动频率恢复至固有频率，过滤罩200与发动机不再发生共振，检测装置500检测到对应的振动状态、波形变化以及振幅变化，控制装置即能够根据检测装置500获得过滤罩200除冰完成信号。

进一步地，当控制装置根据检测装置500获得过滤罩200结冰信号或过滤罩200除冰信号时，可以控制加热装置启动，通过加热装置加热与过滤罩200 结合处的冰层，辅助过滤罩200的共振作用提高结冰检测系统的除冰效果。相应地，当控制装置通过检测装置500获得过滤罩200除冰完成信号时，控制加热装置关闭，在无需除冰时节省能源。

例如，应用于直升飞机的发动机通常包括起飞、巡航和怠速三个主要的工作状态。若起飞状态时发动机以100％转速运行，巡航状态发动机以90％转速运行，怠速状态发动机以60％转速运行，则可设置过滤罩200的第m阶固有频率为发动机100％转速时所述发动机的振动频率的60％至100％，例如可以是 75％，第n阶固有频率为发动机100％转速时发动机的振动频率的90％至150％，例如可以是105％。

当直升机在空中巡航工作状态时，发动机的转速为90％，若过滤罩200上未结冰，过滤罩200以第n阶固有频率振动，检测装置500检测到对应的第n 阶固有频率振动状态，即过滤罩200以发动机100％转速时发动机的振动频率的 105％的振动频率振动，控制装置得到过滤罩200未结冰信号。

如果过滤罩200发生结冰现象，由于冰层的存在增大了过滤罩200的重量，过滤罩200由第n阶固有频率开始降低，检测装置500检测到对应的振动状态以及波形变化，控制装置即能够根据检测装置500获得过滤罩200结冰的信号，此时控制装置可选择地发送警报信号或采取相应的控制操作。

当结冰程度逐渐增加，随着冰层重量的增加，过滤罩200的振动频率降低至与发动机90％转速的频率相等，过滤罩200与发动机产生共振，共振时过滤罩200的振幅变大，检测装置500检测到对应的振动状态、波形变化以及振幅变化，控制装置即能够根据检测装置500获得过滤罩200除冰信号，此时控制装置可选择地发送警报信号或采取相应的控制操作；同时，过滤罩200共振能够将过滤罩200上凝结的冰层振动掉，从而实现除冰。

当过滤罩200上凝结的冰层被振动掉后，过滤罩200的重量降低，过滤罩 200的振动频率恢复至过滤罩200的第n阶固有频率，过滤罩200与发动机将不再共振，检测装置500检测到对应的振动状态、波形变化以及振幅变化，控制装置即能够根据检测装置500获得过滤罩200除冰完成信号，此时控制装置可选择地发送未结冰信号或采取相应的控制操作。

当直升机的起飞工作状态或巡航工作状态与怠速工作状态转换时，发动机的转速由100％转速或90％转速变换至60％转速，在变换过程中发动机会经过 75％转速，当发动机经过75％转速时，与过滤罩200的第m阶固有频率相等，此时过滤罩200将会发生共振，通过共振使振幅变大，将过滤罩200上的冰层或尘土等异物振动掉。在该过程中，检测装置500实时检测过滤罩200的振动状态，控制装置根据振动状态及变化获得过滤罩200的状态信号。

作为一种可选实施方式，本发明的发动机进气口结冰检测系统可设有加热装置，加热装置设置在过滤罩200上，用于对过滤罩200加热。发动机未启动时，发动机及过滤罩200无法产生共振，不能对进气口进行除冰，此时，可通过加热装置加热过滤罩200，通过加热产生的热能将凝结在过滤罩200的冰层融化，辅助过滤罩200共振除冰的方式进行除冰，使结冰检测系统可以在各个工作状态均能实现除冰目的。发动机在运行过程中，若结冰程度较重，通过过滤罩200共振不能很好地进行除冰，此时可启动加热装置，加热过滤罩200使冰层与过滤罩200结合处融化，可以提高过滤罩200共振的除冰效果，辅助过滤罩200进行除冰，进一步提高除冰效果。此外，可以使辅助加热装置在过滤罩 200开始共振时即启动进行加热过滤罩200，使使冰层与过滤罩200结合处融化，从而过滤罩200更容易地将冰层除掉。

请参阅图1至图3所示，本发明一实施例的发动机进气口除冰系统设有如上所述检测系统和加热装置。

进一步地，加热装置设有加热环300，加热环300与过滤罩200匹配并固定设置于过滤罩200上，加热环300可以是一个、两个或多个。通过加热环300 能够增强过滤罩200的强度，避免结冰或震动造成过滤罩200损坏。又进一步地，加热环300设有电阻丝和包裹在电阻丝外的导热绝缘层。加热环300在起到增强过滤罩200强度的同时还能实现对过滤罩200的加热作用。当然，在不同实施例中，增强强度作用与加热作用也可以通过不同的部件实现，例如采用加热环300增强过滤罩200的强度，采用电加热部件对过滤罩200进行加热。

进一步地，弹性连接件400一端连接在加热环300，通过加热环300连接在过滤罩200上，避免弹性连接件400直接连接在过滤罩200上可能造成过滤罩 200局部受力过大。

请参阅图3所示，是本发明另一实施例的结构示意图。其中，发动机进气口100由对称的进气口壁组成，相应地，过滤罩200包括对称设置的弧形罩体，弧形罩体分别固定在进气口壁上，并且弧形罩体之间固定连接形成整体的过滤罩200。进一步地，沿弧形罩体的弧形边缘处，设置有加热装置，加热装置具有弧形的加热环300，加热环300由弧形电阻丝和包裹在电阻丝外的导热绝缘层组成。通过过滤罩200的弧形罩体以及加热装置的弧形加热环300，能够便于过滤罩200及加热装置的安装、维修及更换。其中，过滤罩200的结构以及厚度是根据需要设定的固有频率通过计算和实验确定的。

作为本发明的另一大方面，本发明还提供了一种内燃发动机，该内燃发动机的进气口处设有如上所述的发动机进气口结冰检测系统。具体地，内燃发动机可以是复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机、自由活塞式发动机、旋转叶轮式燃气轮机、喷气式发动机等，具体地可以是涡轮发动机，尤其是航空用燃气涡轮发动机。

作为本发明的另一大方面，本发明还提供了一种航空器，该航空器包括如上所述的内燃发动机。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种发动机进气口结冰检测系统，其特征在于，包括过滤罩(200)、检测装置(500)以及控制装置，

所述过滤罩(200)罩设在发动机进气口(100)上，所述过滤罩(200)的固有频率大于等于所述发动机怠速时所述发动机的振动频率且小于等于所述发动机100％转速时所述发动机的振动频率的150％；

所述检测装置(500)用于检测所述过滤罩(200)的振动状态；

所述控制装置与所述检测装置(500)信号连接并根据所述检测装置(500)检测的振动状态信号得到所述过滤罩(200)的状态信息。

2.根据权利要求1所述的结冰检测系统，其特征在于，所述结冰检测系统还包括弹性连接件(400)，所述检测装置(500)通过所述弹性连接件(400)与所述过滤罩(200)连接。

3.根据权利要求1所述的结冰检测系统，其特征在于，所述固有频率包括第m阶固有频率以及第n阶固有频率，

其中m，n为正整数，且m小于n，

所述第m阶固有频率大于等于所述发动机怠速时所述发动机的振动频率且小于等于所述发动机100％转速时所述发动机的振动频率；

所述第n阶固有频率大于等于所述发动机90％转速时所述发动机的振动频率且小于等于所述发动机100％转速时所述发动机的振动频率的150％。

4.根据权利要求3所述的结冰检测系统，其特征在于，所述第m阶固有频率为所述发动机100％转速时所述发动机的振动频率的75％；

所述第n阶固有频率为所述发动机100％转速时所述发动机的振动频率的105％。

5.一种发动机进气口除冰系统，其特征在于，包括如权利要求1至4任意一项所述的结冰检测系统以及加热装置，所述加热装置用于对所述过滤罩(200)加热。

6.根据权利要求5所述的除冰系统，其特征在于，所述控制装置能够根据所述过滤罩(200)的状态信息控制所述加热装置。

7.根据权利要求5所述的除冰系统，其特征在于，所述加热装置包括加热环(300)，所述加热环(300)与所述过滤罩(200)匹配并固定设置于所述过滤罩(200)上。

8.根据权利要求7所述的除冰系统，其特征在于，所述加热环(300)包括电阻丝以及包裹在电阻丝外的导热绝缘层。

9.一种内燃发动机，其特征在于，所述内燃发动机包括如权利要求5至8任意一项所述的除冰系统。

10.一种航空器，其特征在于，所述航空器包括如权利要求9所述的内燃发动机。