CN109781446A - 一种飞机制冷包升压式空气轴承涡轮冷却器性能试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞机制冷包升压式空气轴承涡轮冷却器性能试验装置，性能测试装置中包括：气源、水分离器、电加热器、流量调节阀、主流量计、压力传感器、温度传感器、电磁阀门、手动阀门、液氮、热交换器、旁路阀等23个附件。本发明模拟实现了升压式空气轴承涡轮冷却器在制冷包中的工况，采录数据真实可靠。

Description

一种飞机制冷包升压式空气轴承涡轮冷却器性能试验装置

技术领域

本发明属于飞机环控系统技术领域，涉及飞机制冷包用升压式空气轴承涡轮冷却器的地面性能测试装置。

背景技术

涡轮冷却器是飞机环控系统的核心部件之一，与系统中的如：初级、次级散热器、高压水分离器等附件组合、模块化设计后，常以一种制冷包的形式出现。由于飞机的环控系统需要从发动机的压气机提取高温、高压气体来进行各种方式的降温，降压后，供给机上的人员或设备使用。其本身就需要消耗发动机做功。在飞机层面看，飞机环控系统是需要消耗一定的燃油的。为了对这部分功充分利用，涡轮冷却器的技术升级基本按如下方式进行：

二代机：传统的机械式油、脂润滑轴承二轮式涡轮冷却器；

三代机：机械式油、脂润滑轴承、空气动压轴承为主的二轮、三轮升压式涡轮冷却器；

四代机：多轮式、电驱动、空气动压轴承、磁悬浮轴承等形式的各种升压式涡轮并存。

由于设计理念、产品转速、使用寿命、可靠性等指标越来越高，目前以空气轴承为核心的升压式涡轮冷却器逐渐成为主流。

如何对该类型的产品进行如：地面性能模拟测试、涡轮冷却器的启停测试等是亟待解决的问题。与传统的机械式油、脂润滑轴承为核心的涡轮冷却器有着较大不同，如传统的涡轮冷却器因轴承的承载能力裕度较大，对涡轮的启动前后顺序不敏感，可以对压气机端、涡轮端分别进气，即两股流或多股流的方式进行该类型产品的性能测试或启停测试。但对于以空气动压轴承为核心的升压式涡轮冷却器，由于采用了空气动压轴承，为能很好的驱动动压轴承，在涡轮设计时进行了独特的气动设计。如何将设计意图在地面台架上进行试验验证，是困扰各大研究所的主要问题之一。

发明内容

本发明旨在提供飞机制冷包用升压式空气轴承涡轮冷却器的地面性能测试装置。

本发明采用一股流的测试思路，完全模拟涡轮冷却器在制冷包中的实际工况及气流路径，提供涡轮冷却器的如压气机端进口压力、流量、温度指标，检测记录压气机出口的压力、温度指标；通过对压气机出口的空气进行降温、降压后，模拟提供进入涡轮端的进口压力、流量、温度指标，检测记录涡轮出口的压力、温度等指标，完成涡轮冷却器的性能指标检测工作。通过电磁阀的协同动作，模拟涡轮冷却器的启停测试，可完成涡轮冷却器空气动压轴承可靠性测试工作。如果需要进行涡轮冷却器的地面运转寿命测试，采用该装置也能模拟。

本发明是通过如下技术方案予以实现的：

一种飞机制冷包升压式空气轴承涡轮冷却器的地面性能测试装置，主要包括压气机端进口空气参数实现单元、压气机端出口空气参数检测单元、涡轮端进口空气参数实现单元、涡轮端出口空气参数检测单元4个部分组成，压气机端出口空气参数检测单元与涡轮端进口空气参数实现单元相连。对于数据采集系统，只需要与对应的如：温度、压力、流量等传感器连接，即可完成采集功能，由于上述不是本发明需要论述的内容，在此不再论述。

所述压气机端进口空气参数实现单元:主要通过气源，例如空压机压缩一定流量的常温空气，通过流量调节阀来控制流入主管路的空气流量，流量传感器来显示主管路空气流量，主管路空气预先进行水分离器除水，除水后的常温空气，经电加热器后，对常温空气进行升温，通过主管路的温度传感器、压力传感器监控主管路中升温后的空气温度和压力，主管路中通过三通分别连接两个电磁阀。其中支路电磁阀后接手动憋压阀。启动状态下，支路电磁阀处于开状态，主路电磁阀处于闭状态。通过手动憋压阀，调节主管路的进口压力达到要求压力值后，通过开关信号，将支路电磁阀关闭、主路电磁阀打开，实现压气端进口空气参数指标。

所述压气机端出口空气参数检测单元：主要由压气机端出口主管路上的压力传感器和温度传感器来实现。通过数据采集系统的采集，可记录经过压气机升压后的空气温度和压力。

所述涡轮端进口空气参数实现单元：经压气机升压、升温后的主管路空气，在飞机环控系统设计时，该路空气中的能量需要运用到系统中的其它附件做功。经过降温后的空气进入涡轮端进口。由于本装置仅需要对涡轮冷却器进行性能测试。对于环控系统的其他附件不在本装置测试范围内。为此，本装置通过如下设计模拟实现环控系统其它附件的功能。

经压气机升压、升温后的主管路空气，通过三通分别连接散热器和手动混合阀，一部分高温高压气体，通过散热器，另一部分气体通过手动混合阀，散热器上连接液氮源，通过调节液氮源与散热器之间的液氮流量调节阀，控制进入散热器中的液氮量，对散热器中高温高压热空气进行降温。降温后的冷空气，与手动混合阀出来的热空气进行参混。达到主管路空气要求温度，在主管路上设置流量传感器和手动放气阀，通过放气阀门的调节，达到主管路空气的要求流量。主管路上设计有压力传感器和温度传感器，用于监视涡轮进口的空气温度和压力。当涡轮进口空气温度高，可调节液氮流量调节阀，提高液氮进入散热器的流量，或调节手动混合阀，减少支路热空气的流量，要大部分热空气进入散热器进行降温，以达到降低空气进口温度目的。当涡轮进口空气流量超出设定值时，调节手动放气阀，降低主管路空气流量。

所述涡轮端出口空气参数检测单元：主要由涡轮端出口主管路上的压力传感器和温度传感器来实现。通过数据采集系统的采集。可记录经过涡轮端降温后的空气温度和压力，并在主管出口，设计有手动憋压阀，用来模拟涡轮出口附件的阻力，并起到调节涡轮进口空气压力的目的。

一股流的设计思路是是本发明的主要创新点，本发明通过23个附件，实现了升压式空气轴承涡轮冷却器的地面性能测试，模拟了该产品的实际工作情况，可通过该装置，实现了升压式空气轴承涡轮冷却器的性能测试；并通过电磁阀门的协调动作，能够完成该类型产品的启停测试，也能够完成该类型产品的寿命测试需求和数字化的数据采集系统配套使用，可完成该类型产品的数据自动采集功能。

与现有传统涡轮冷却器测试技术相比，本发明瞄准空气动压轴承为核心的涡轮冷却器的独特设计与使用，较好的解决了产品的启停问题，并排除两股流或多股流作动不一致问题多带来的产品烧毁问题。

附图说明

图1为一种飞机制冷包用升压式空气轴承涡轮冷却器的地面性能测试原理图；

图2为典型的飞机制冷包装置原理图；

图中：1-气源、2-水分离器，3-电加热器、4-流量调节阀、5-主流量计、6-压气机进口压力传感器、7-压气机进口温度传感器、8-第一电磁阀、9-第二电磁阀、10-第一手动憋压阀、11-压力传感器、12-压气机出口温度传感器、13-液氮源、14-液氮流量调节阀、15-散热器、16-手动混合阀、17-手动放气阀、18-涡轮进口流量传感器、19-涡轮进口压力传感器、20-涡轮进口温度传感器、21-涡轮出口温度传感器、22-涡轮出口压力传感器、23-第二手动憋压阀、24-燃油散热器、25-涡轮压气机、26-空气散热器、27-燃油散热器、28-回热器、29-冷凝器、30-水分离器、31-涡轮。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步说明，但所要求的保护范围并不局限于所述。

如图2所示，是一种典型的飞机制冷包系统，包括燃油散热器24、涡轮压气机25、空气散热器26、燃油散热器27、回热器28、冷凝器29、水分离器30、涡轮31，其工作原理为:1200kg/h，580kpa，170℃，含湿量10g/kg的热空气通过燃滑油散热器24，与燃油散热器中的滑油进行换热，降低热空气的温度，保证出口压力550kpa，71℃，含湿量10g/kg，然后进入涡轮压气机25，经压气机升温升压达到1150kpa，温度175℃，与环控系统附件空气散热器26进行降温保证出口1120kpa，120℃，再经过燃油散热器27的燃油进行降温保证出口1090kpa，66℃，通过回热器28降温，保证出口1060kpa，57℃、与冷凝器29进行降温，保证出口1030kpa，26℃、高压水分离器30进行水分离，确保主回路空气含湿量为2g/kg、在通过回热器28进行加热确保空气出口990kpa，35℃，进入涡轮31，涡轮的出口的低温冷空气出口指标为：140kpa，-72℃，与冷凝器29进行热交换，确保制冷包出来的冷空气指标为：110kpa，-19℃，提供给环控系统的下一级部件使用。

本发明的飞机制冷包升压式空气轴承涡轮冷却器性能试验装置，由气源1、水分离器2，电加热器3、流量调节阀4，主流量计5、压气机进口压力传感器6压气机进口温度传感器7、电磁阀8、电磁阀9，手动憋压阀10形成升压式空气轴承涡轮冷却器压气机进口气源需求。上述10个附件联动后满足进口流量≥1200kg/h,压力≥550kPa,温度≥71℃,湿度≥10g/kg的空气指标要求，进入升压式空气轴承涡轮冷却器压气机端进口。

本发明的飞机制冷包升压式空气轴承涡轮冷却器性能试验装置还包括压力传感器11、压气机出口温度传感器12，液氮源13、液氮流量调节阀14，散热器15、手动混合阀16、手动放气阀17、涡轮进口流量传感器18、涡轮进口压力传感器19、涡轮进口温度传感器20，上述10个附件联动后满足进口流量≥1150kg/h,压力≥990kPa,温度≥33.5℃,湿度≥2.8g/kg的空气指标要求，进入升压式空气轴承涡轮冷却器的涡轮进端口。

本发明的飞机制冷包用升压式空气轴承涡轮冷却器性能试验装置还包括涡轮出口温度传感器21、涡轮出口压力传感器22、手动憋压阀23，上述3个附件联动后，对涡轮冷却器的涡轮出口端的温度、压力进行测量，设置手动憋压阀用于模拟涡轮出口附件流阻，以调节涡轮进口端进气压力。

上述飞机制冷包升压式空气轴承涡轮冷却器性能试验装置由23个附件组成，可以满足并模拟飞机制冷包用升压式空气轴承涡轮冷却器工况及地面性能测试需求，即涡轮冷却器的启动为一股流结构。

上述飞机制冷包用升压式空气轴承涡轮冷却器性能试验装置采用液氮作为冷源，和被压气机升压升温后的气体进行降温，并和旁路热空气进行参混，可快速调节进入涡轮冷却器涡轮端进口温度。

上述飞机制冷包用升压式空气轴承涡轮冷却器性能试验原理，采用电磁阀8与电磁阀9协动，一开、一合，可模拟空气轴承涡轮冷却器的启停试验。

如图1所示，是本发明一种飞机制冷包用升压式空气轴承涡轮冷却器的地面性能测试原理图，该装置主要包括压气机端进口空气参数实现部分、压气机端出口空气参数检测部分、涡轮端进口空气参数实现部分、涡轮端出口空气参数检测4个部分组成：

压气机端进口空气参数实现部分：主要通过气源1如：空压机压缩一定流量的常温空气；通过流量调节阀4来控制流入主管路的空气流量1200kg/h，流量传感器5来显示主管路空气流量，主管路空气预先进行水分离器2除水，除水后的常温空气，经电加热器3后，对常温空气进行升温到71℃，通过主管路的温度传感器7、压力传感器6监控主管路中升温后的空气温度和压力，主管路中通过三通分别连接两个电磁阀。其中支路第二电磁阀9后接手动憋压阀10。启动状态下，支路电磁阀9处于开状态，主路第一电磁阀8处于闭状态。通过第一手动憋压阀10，调节主管路的进口压力达到550kPa后，通过开关信号，将支路电磁阀关闭、主路电磁阀打开，实现压气端进口空气参数指标。

压气机端出口空气参数检测部分：主要由压气机端出口主管路上的压力传感器11和压气机出口温度传感器12来实现。通过数据采集系统的采集，可记录经过压气机升压后的空气温度和压力。

经压气机升压、升温后的主管路空气，通过三通分别连接散热器15和手动混合阀16，一部分高温高压气体，通过散热器15，另一部分气体通过手动混合阀16，散热器上连接液氮源13，通过调节液氮源13与散热器15之间的液氮流量调节阀14，控制进入散热器中的液氮量，对散热器中高温高压热空气进行降温。降温后的冷空气，与手动混合阀16出来的热空气进行参混。达到主管路空气33.5℃，在主管路上设置流量传感器18和手动放气阀17，通过手动放气阀门17的调节，达到主管路空气流量为1150kg/h。主管路上设计有压力传感器19和温度传感器20，用于监视涡轮进口的空气温度和压力。当涡轮进口空气温度高，可调节液氮流量调节阀14，提高液氮进入散热器的流量，或调节手动混合阀16，减少支路热空气的流量，要大部分热空气进入散热器进行降温，以达到降低空气进口温度目的。当涡轮进口空气流量超出1150kg/h时，调节手动放气阀，降低主管路空气流量。

涡轮端出口空气参数检测部分：主要由涡轮端出口主管路上的压力传感器22和温度传感器21来实现。通过数据采集系统的采集，可记录经过涡轮端降温后的空气温度和压力，并在主管出口，设计有第二手动憋压阀23，用来模拟涡轮出口附件的阻力，并起到调节涡轮进口空气压力的目的。

Claims (6)

1.一种飞机制冷包升压式空气轴承涡轮冷却器性能试验装置，其特征在于：包括压气机端进口空气参数实现单元、压气机端出口空气参数检测单元、涡轮端进口空气参数实现单元和涡轮端出口空气参数检测单元，且压气机端出口空气参数检测单元与涡轮端进口空气参数实现单元相连。

2.根据权利要求1所述的一种飞机制冷包升压式空气轴承涡轮冷却器性能试验装置，其特征在于：所述压气机端进口空气参数实现单元包括压气机端进口空气主管路，主管路末端分别与第一支管路、第二支管路相连；

所述压气机端进口空气主管路上设置有气源(1)、水分离器(2)，电加热器(3)、流量调节阀(4)，主流量计(5)、压气机进口压力传感器(6)和压气机进口温度传感器(7)；

所述第一支管路上设置有第一电磁阀(8)；

所述第二支管路上设置有依次连接的第二电磁阀(9)和第一手动憋压阀(10)。

3.根据权利要求1所述的一种飞机制冷包升压式空气轴承涡轮冷却器性能试验装置，其特征在于：所述压气机端出口空气参数检测单元包括与压气机端出口相连的出气管路，出气管路上设置有压力传感器(11)和压气机出口温度传感器(12)；

所述涡轮端进口空气参数实现单元包括涡轮端进口空气主管路，以及相互并联的散热器(15)和手动混合阀(16)，并联后的散热器(15)和手动混合阀(16)一端与出气管路相连，另一端与涡轮端进口空气主管路相连，涡轮端进口空气主管路上设置有手动放气阀(17)、涡轮进口流量传感器(18)、涡轮进口压力传感器(19)和涡轮进口温度传感器(20)；

所述散热器(15)还与液氮源(13)、液氮流量调节阀(14)相连。

4.根据权利要求1所述的一种飞机制冷包升压式空气轴承涡轮冷却器性能试验装置，其特征在于：所述涡轮端出口空气参数检测单元包括涡轮端出口空气管路，涡轮端出口空气管路上设置有涡轮出口温度传感器(21)、涡轮出口压力传感器(22)和手动憋压阀(23)。

5.根据权利要求1所述的一种飞机制冷包升压式空气轴承涡轮冷却器性能试验装置，其特征在于：所述压气机端进口空气参数实现单元形成升压式空气轴承涡轮冷却器压气机进口气源需求，且满足进口流量≥1200kg/h，压力≥550kPa，温度≥71℃，湿度≥10g/kg的空气指标要求，并进入升压式空气轴承涡轮冷却器压气机端进口。

6.根据权利要求1所述的一种飞机制冷包升压式空气轴承涡轮冷却器性能试验装置，其特征在于：所述涡轮端进口空气参数实现单元满足进口流量≥1150kg/h，压力≥990kPa，温度≥33.5℃，湿度≥2.8g/kg的空气指标要求，并进入升压式空气轴承涡轮冷却器的涡轮进端口。