CN111929025A - 一种用于防除冰试验的热气供气系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于风洞试验技术领域，提供了一种用于防除冰试验的热气供气系统及方法，该系统包括热气供气主路，热气供气主路上设置有流量计、压力计和温度计；环形气路上依次设置有第一阀、试验模型、第三阀、调节阀、第二阀，其中，热气供气主路与所述环形气路相交于第一节点，所述第一节点位于所述第一阀与所述第二阀之间；并联气路，所述并联气路上设置有三通阀，所述并联气路与所述环形气路相交于第二节点和第三节点，其中，所述第二节点位于所述第二阀与所述调节阀之间，所述第三节点位于所述第三阀与所述调节阀之间。本发明相对于现有技术而言，能够更精确控制试验模型的笛形管内部的热气压力、调节阀处于高温高压条件的时间较短。

Description

一种用于防除冰试验的热气供气系统及方法

技术领域

本发明属于风洞试验技术领域，尤其涉及一种用于防除冰试验的热气供气系统及方法。

背景技术

飞行器在高空云层飞行时，迎风部件撞击云层中过冷水滴会出现结冰问题，导致飞行器飞行性能显著下降、部件损坏甚至造成机毁人亡的飞行事故。为保证飞行安全，飞机机翼、发动机唇口等部件均要求安装防除冰装置，热气防除冰是最常用的防除冰方法之一，是将发动机压气机引出的热气经引气管流入防冰腔内，将热量传递给防冰表面，达到防除冰的目的。为验证飞机热气防除冰效果，通常需要在地面做防除冰试验，为了获取真实热气条件，需要通过热气供气系统来模拟压气机热气。

机翼作为飞机重要的部件，在飞行时机翼前缘更易撞击过冷水滴，因此机翼防除冰系统的验证对于飞行安全极其重要；机翼防除冰通常采用笛形管的方式，笛形管上设置有射流孔，热气通过射流孔将热量传递到机翼表面，用于机翼防冰。

对于一般尺寸较小的飞机，直接将机翼放在地面结冰模拟设备里面进行防除冰试验，热气供气系统根据试验要求将相应流量与温度的热气通入笛形管，流量与温度一定，笛形管内部压力是确定的。

对于尺寸较大的民航飞机，现有地面结冰模拟设备则无法实现全机翼防除冰试验，因此将机翼截取为多段进行防除冰试验，对于机翼中段部分，笛形管部分是连通的，如图1所示为机翼中的笛形管示意图，笛形管5'上设置有射流孔；如图2所示为现有的防除冰试验通常采用的热气供气系统，该热气供气系统包括供气模拟支路和供气真实支路，在进行防除冰试验时，首先打开供气模拟支路的气动球阀1'、关闭供气真实支路的气动球阀4'，然后通过供气模拟支路的调节阀2'进行调节，并通过温度流量压力计3'的检测，待供气模拟支路的压力、流量、温度模稳定后，关闭供气模拟支路的气动球阀1'、打开供气真实支路的气动球阀4'，以切换到供气真实支路，并通往模型真实入口，可见，现有技术中的热气供气系统无法有效控制试验模型的笛形管内部的热气压力。

例如，文献1（Experimental investigation of deicing characteristicsusing hot air as heat source. Teng Xie,Jiankai Dong,Haowen Chen,YiqiangJiang,Yang Yao. Applied Thermal Engineering . 2016）、文献2（Optimization viaFENSAP-ICE of aircraft hot-air anti-icing systems. Pellissier, M.P.C.,Habashi, W.G.,Pueyo, A. Journal of Aircraft . 2011）、文献3（Icing tunnelexperi-ments with a hot air anti-icing system. Papadakis M,Wong S H,Yeong HW,et al. AIAA-2008-444 . 2008）均采用上述原理的热气供气系统。

现有技术中也出现了类似CN107271134A中公开的热气供气系统，但该系统的调节阀设置在热气主路，在切换到供气真实支路后，如果要调节笛形管内部的热气压力，则必须通过调节热气主路的调节阀，而调节热气主路的调节阀将造成较大的流量波动，不利于防除冰试验的进行。

另一方面，此外，热气供气系统的电加热器通常距离试验模型的入口较远，针对部分试验模型，其入口需要接近400℃高温的试验工况，因此，需要开启电加热器后，以大流量热气加热整个供气模拟支路，以对供气模拟支路进行预热，而这一预热过程通常需要近2个小时，也就是说，调节阀在2个小时内均处于高温高压的环境，而调节阀作为高精度调节设备，长时间处于高温高压条件，对阀芯与密封圈都有一定损伤，极大地影响了调节阀的调节精度和使用寿命。

综上所述，现有技术中的热气供气系统存在以下两大缺陷：

1.无法有效控制试验模型的笛形管内部的热气压力；即使能够调节试验模型的笛形管内部的热气压力，但调节的精度较差，流量波动大；

2.调节阀长期处于高温高压条件，极大地影响了调节阀的调节精度和使用寿命，不利于设备维护、也不利于试验进行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于防除冰试验的热气供气系统及方法，旨在解决现有技术中的无法精确控制试验模型的笛形管内部的热气压力、调节阀长期处于高温高压条件的技术问题。

本发明提供了一种用于防除冰试验的热气供气系统，其包括：

热气供气主路，所述热气供气主路上设置有流量计、压力计和温度计；

环形气路，所述环形气路上依次设置有第一阀、试验模型、第三阀、调节阀、第二阀，其中，热气供气主路与所述环形气路相交于第一节点，所述第一节点位于所述第一阀与所述第二阀之间；

并联气路，所述并联气路上设置有三通阀，所述并联气路与所述环形气路相交于第二节点和第三节点，其中，所述第二节点位于所述第二阀与所述调节阀之间，所述第三节点位于所述第三阀与所述调节阀之间。

进一步地，所述三通阀包括第一入口、第二入口、出口，其中，所述第一入口朝向所述第二节点，所述第二入口朝向所述第三节点，所述出口与排气管连通，所述排气管与大气连通。

本发明还提供了一种用于防除冰试验的热气供气方法，其包括如下步骤：

步骤S10，使阀门处于第一状态：关闭第一阀、第三阀、调节阀、三通阀第二入口，打开第二阀、三通阀第一入口；

步骤S20，热气供气主路以第一流量供气，其中，所述第一流量大于目标流量；

步骤S30，使所述第一节点之前的实际温度与目标温度之差处于温度阈值内；

步骤S40，降低热气供气主路的流量，使实际流量至目标流量之差处于流量阈值内；并且使阀门处于第二状态：关闭第一阀、第三阀、三通阀第一入口，打开第二阀、调节阀、三通阀第二入口；

步骤S50，在满足热气供气入口参数的条件下，使阀门处于第三状态：关闭第二阀、三通阀第二入口，打开第一阀、第三阀、调节阀、三通阀第一入口。

进一步地，还包括如下步骤：

步骤S60，实时测量试验模型的笛形管内部热气压力，并且通过闭环调节的方式调节笛形管内部热气实际压力，使笛形管内部热气实际压力与笛形管内部热气目标压力之差处于笛形管内部热气压力阈值内。

进一步地，还包括如下步骤：

步骤S70，开启喷雾系统，观测防除冰效果；在试验模型出现结冰的情况下，增加笛形管内部热气实际压力；在试验模型没有出现结冰的情况下，降低笛形管内部热气实际压力。

进一步地，还包括如下步骤：

步骤S80，获取最小防除冰压力，所述试验模型出现结冰与所述试验模型没有出现结冰的临界状态下，所述笛形管内部的热气实际压力为所述最小防除冰压力。

进一步地，还包括如下步骤：

步骤S90，热气供气主路断开热气供应，并且使阀门处于第一状态：关闭第一阀、第三阀、调节阀、三通阀第二入口，打开第二阀、三通阀第一入口。

本发明相对于现有技术的技术效果是：

1.本发明中，并没有设置成现有技术中的供气真实支路和供气模拟支路并列的方式，而是设置成了环形气路的方式，并将调节阀与三通阀并列设置，因而可以实现以下技术效果：在管路预热阶段，热气并不通过调节阀，在管路预热之后的流量调节阶段，热气才通过调节阀，由于管路预热阶段的时长通常远大于流量调节阶段，因而，本发明中的调节阀并不时时均处于高温高压的状态，尤其是在管路预热阶段不处于高温高压的状态，因而并不会影响调节阀的调节精度和使用寿命，更有利于设备维护、试验进行；

2.本发明中，还可以通过环形气路上的调节阀来调节笛形管内部热气实际压力，而非现有技术中的仅能通过热气供气主路上的调节阀进行调节，本发明因而能够更为精确地对笛形管内部热气实际压力进行调节，同时，在压力调节的过程中，流量波动较小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是机翼中的笛形管示意图；

图2是现有的防除冰试验通常采用的热气供气系统；

图3是本发明实施例一提供的用于防除冰试验的热气供气系统的示意图；

图4是本发明实施例二提供的用于防除冰试验的热气供气方法的示意图。

具体实施方式

在下文中将参考附图对本发明的各方面进行更充分的描述。然而，本发明可以具体化成许多不同形式且不应解释为局限于贯穿本发明所呈现的任何特定结构或功能。相反地，提供这些方面将使得本发明周全且完整，并且本发明将给本领域技术人员充分地传达本发明的范围。基于本文所教导的内容，本领域的技术人员应意识到，无论是单独还是结合本发明的任何其它方面实现本文所公开的任何方面，本发明的范围旨在涵盖本文中所公开的任何方面。例如，可以使用本文所提出任意数量的装置或者执行方法来实现。另外，除了本文所提出本发明的多个方面之外，本发明的范围更旨在涵盖使用其它结构、功能或结构和功能来实现的装置或方法。应可理解，其可通过权利要求的一或多个元件具体化本文所公开的任何方面。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

实施例一

如图3所示为本发明实施例一提供的一种用于防除冰试验的热气供气系统的示意图，该用于防除冰试验的热气供气系统包括热气供气主路40、环形气路50、并联气路60，其中：

所述热气供气主路40上设置有流量计FT、压力计P和温度计T，所述流量计FT、压力计P和温度计T分别用于测量所述热气供气主路40内的气体的流量、气压、温度；

所述环形气路50上依次设置有第一阀V1、试验模型、第三阀v3、调节阀10、第二阀v2，其中，热气供气主路40与所述环形气路50相交于第一节点a，所述第一节点a位于所述第一阀V1与所述第二阀v2之间；

所述并联气路60上设置有三通阀20，所述并联气路60与所述环形气路50相交于第二节点b和第三节点c，其中，所述第二节点b位于所述第二阀v2与所述调节阀10之间，所述第三节点c位于所述第三阀v3与所述调节阀10之间。

本发明实施例一中的用于防除冰试验的热气供气系统，相对于现有技术而言，并没有将供气模拟支路和供气真实支路完全并列开来，而是通过不同阀门的开闭形成供气模拟支路和供气真实支路。

进一步地，所述三通阀20包括第一入口21、第二入口22、出口23，其中，所述第一入口21朝向所述第二节点b，所述第二入口22朝向所述第三节点c，所述出口23与排气管30连通，所述排气管30与大气连通。

另外，本发明实施例一中的用于防除冰试验的热气供气系统，可以在不打开调节阀的情况下先进行管路预热，具体地，可使阀门处于第一状态：关闭第一阀、第三阀、调节阀、三通阀第二入口，打开第二阀、三通阀第一入口，此时，热气供气主路以第一流量供气，其中，所述第一流量大于目标流量，之所以将所述第一流量设置为大于目标流量，是为了使管路尽快预热，而且在预热的过程中，热气并不通过调节阀，因此，此时的调节阀并不处于高温高压的状态；

在将管路预热后，才进行流量调节，具体地，可以降低热气供气主路的流量，使实际流量至目标流量之差处于流量阈值内；并且使阀门处于第二状态：关闭第一阀、第三阀、三通阀第一入口，打开第二阀、调节阀、三通阀第二入口；

可见，本发明实施例一中的用于防除冰试验的热气供气系统，在管路预热阶段，热气并不通过调节阀，在管路预热之后的流量调节阶段，热气才通过调节阀，然而，管路预热阶段的时长通常远大于流量调节阶段，因而，本发明实施例一中的用于防除冰试验的热气供气系统的调节阀并不时时均处于高温高压的状态，尤其是在管路预热阶段不处于高温高压的状态，因而并不会影响调节阀的调节精度和使用寿命，更有利于设备维护、试验进行；

最后，本发明实施例一中的用于防除冰试验的热气供气系统，还可以通过环形气路50上的调节阀来调节笛形管内部热气实际压力，而非现有技术中的仅能通过热气供气主路上的调节阀进行调节，本发明实施例一中的用于防除冰试验的热气供气系统因而能够更为精确地对笛形管内部热气实际压力进行调节，同时，在压力调节的过程中，流量波动较小。

实施例二

如图4所示为本发明实施例二提供的一种用于防除冰试验的热气供气方法的示意图，该热气供气方法利用了实施例一中的用于防除冰试验的热气供气系统，其包括如下步骤：

步骤S10，使阀门处于第一状态：关闭第一阀V1、第三阀V3、调节阀10、三通阀第二入口22，打开第二阀V2、三通阀第一入口21；

步骤S20，热气供气主路以第一流量供气，其中，所述第一流量大于目标流量；

之所以将所述第一流量设置为大于目标流量，是为了使管路尽快预热，缩短管路的预热时间，提高防除冰试验效率；

步骤S30，使所述第一节点a之前的实际温度与目标温度之差处于温度阈值内；

在进行管路预热阶段之后，便开始进行流量调节阶段，具体地：

步骤S40，降低热气供气主路的流量，使实际流量至目标流量之差处于流量阈值内；并且使阀门处于第二状态：关闭第一阀V1、第三阀V3、三通阀第一入口21，打开第二阀V2、调节阀10、三通阀第二入口22；

本发明实施例二中的用于防除冰试验的热气供气方法，首先将热气供气主路的实际流量至目标流量之差调节到流量阈值内，再通过处于环形气路50上的调节阀的开度进一步调节流量，因而可以将管路内的流量进行精确调节。

步骤S50，在满足热气供气入口参数的条件下，使阀门处于第三状态：关闭第二阀V2、三通阀第二入口22，打开第一阀V1、第三阀V3、调节阀10、三通阀第一入口21。

其中，所述的热气供气入口参数指的是，试验模型在进行防除冰试验时，所需的热气的流量、温度、气压。

可见，本发明实施例二中的用于防除冰试验的热气供气方法，在管路预热阶段，热气并不通过调节阀，在管路预热之后的流量调节阶段，热气才通过调节阀，然而，管路预热阶段的时长通常远大于流量调节阶段，因而，本发明实施例二中的用于防除冰试验的热气供气方法的调节阀并不时时均处于高温高压的状态，尤其是在管路预热阶段不处于高温高压的状态，因而并不会影响调节阀的调节精度和使用寿命，更有利于设备维护、试验进行；

进一步地，为了精确控制笛形管内部热气实际压力，本发明实施例二中的用于防除冰试验的热气供气方法还包括如下步骤：

步骤S60，实时测量试验模型的笛形管内部热气压力，并且通过闭环调节的方式调节笛形管内部热气实际压力，使笛形管内部热气实际压力与笛形管内部热气目标压力之差处于笛形管内部热气压力阈值内。

本发明实施例二中的用于防除冰试验的热气供气方法，可以通过环形气路50上的调节阀来调节笛形管内部热气实际压力，而非现有技术中的仅能通过热气供气主路上的调节阀进行调节，本发明实施例二中的用于防除冰试验的热气供气方法因而能够更为精确地对笛形管内部热气实际压力进行调节，同时，在压力调节的过程中，流量波动较小。

进一步地，还包括如下步骤：

步骤S70，开启喷雾系统，观测防除冰效果；在试验模型出现结冰的情况下，增加笛形管内部热气实际压力；在试验模型没有出现结冰的情况下，降低笛形管内部热气实际压力。

进一步地，为了获取试验模型的最小防除冰压力，还包括如下步骤：

步骤S80，所述试验模型出现结冰与所述试验模型没有出现结冰的临界状态下，所述笛形管内部的热气实际压力为所述最小防除冰压力。

在完成防除冰试验后，为了对管路内热气进行排气，还包括如下步骤：

步骤S90，热气供气主路断开热气供应，并且使阀门处于第一状态：关闭第一阀V1、第三阀V3、调节阀10、三通阀第二入口22，打开第二阀V2、三通阀第一入口21。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于防除冰试验的热气供气系统，其特征在于，包括：

热气供气主路（40），所述热气供气主路（40）上设置有流量计（FT）、压力计（P）和温度计（T）；

环形气路（50），所述环形气路（50）上依次设置有第一阀（V1）、试验模型、第三阀（v3）、调节阀（10）、第二阀（v2），其中，热气供气主路（40）与所述环形气路（50）相交于第一节点（a），所述第一节点（a）位于所述第一阀（V1）与所述第二阀（v2）之间；

并联气路（60），所述并联气路（60）上设置有三通阀（20），所述并联气路（60）与所述环形气路（50）相交于第二节点（b）和第三节点（c），其中，所述第二节点（b）位于所述第二阀（v2）与所述调节阀（10）之间，所述第三节点（c）位于所述第三阀（v3）与所述调节阀（10）之间。

2.如权利要求1所述的一种用于防除冰试验的热气供气系统，其特征在于，所述三通阀（20）包括第一入口（21）、第二入口（22）、出口（23），其中，所述第一入口（21）朝向所述第二节点（b），所述第二入口（22）朝向所述第三节点（c），所述出口（23）与排气管（30）连通，所述排气管（30）与大气连通。

3.一种利用如权利要求1-2之一所述的热气供气系统进行防除冰试验的热气供气方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S10，使阀门处于第一状态：关闭第一阀（V1）、第三阀（V3）、调节阀（10）、三通阀第二入口（22），打开第二阀（V2）、三通阀第一入口（21）；

步骤S20，热气供气主路以第一流量供气，其中，所述第一流量大于目标流量；

步骤S30，使所述第一节点（a）之前的实际温度与目标温度之差处于温度阈值内；

步骤S40，降低热气供气主路的流量，使实际流量至目标流量之差处于流量阈值内；并且使阀门处于第二状态：关闭第一阀（V1）、第三阀（V3）、三通阀第一入口（21），打开第二阀（V2）、调节阀（10）、三通阀第二入口（22）；

步骤S50，在满足热气供气入口参数的条件下，使阀门处于第三状态：关闭第二阀（V2）、三通阀第二入口（22），打开第一阀（V1）、第三阀（V3）、调节阀（10）、三通阀第一入口（21）。

4.一种如权利要求3所述的热气供气方法，其特征在于，还包括如下步骤：

步骤S60，实时测量试验模型的笛形管内部热气压力，并且通过闭环调节的方式调节笛形管内部热气实际压力，使笛形管内部热气实际压力与笛形管内部热气目标压力之差处于笛形管内部热气压力阈值内。

5.一种如权利要求4所述的热气供气方法，其特征在于，还包括如下步骤：

步骤S70，开启喷雾系统，观测防除冰效果；在试验模型出现结冰的情况下，增加笛形管内部热气实际压力；在试验模型没有出现结冰的情况下，降低笛形管内部热气实际压力。

6.一种如权利要求5所述的热气供气方法，其特征在于，还包括如下步骤：

步骤S80，获取最小防除冰压力，所述试验模型出现结冰与所述试验模型没有出现结冰的临界状态下，所述笛形管内部的热气实际压力为所述最小防除冰压力。

7.一种如权利要求5所述的热气供气方法，其特征在于，还包括如下步骤：

步骤S90，热气供气主路断开热气供应，并且使阀门处于第一状态：关闭第一阀（V1）、第三阀（V3）、调节阀（10）、三通阀第二入口（22），打开第二阀（V2）、三通阀第一入口（21）。

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