CN115077912A - 水力测功循环冷却水系统、控制方法及航空发动机试车台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水力测功循环冷却水系统、控制方法及航空发动机试车台，所述系统包括水塔、热水池、冷水池、冷却塔组、第一水泵组、第二水泵组以及控制装置；水塔与水力测功器的进水端连接，热水池与水力测功器的出水端连接；热水池通过第一水泵组与冷却塔组的进水端连接；冷却塔组的出水端与冷水池连接；热水池与冷水池连通，且冷水池通过第二水泵组与水塔连接；水塔的位置高于水力测功器，水力测功器的位置高于热水池和冷水池；在水塔内设有第一液位传感器；在第一管路上设有第一控制阀、第一压力传感器和第一温度传感器；在热水池内设有第二温度传感器和第二液位传感器。本发明可满足水力测功器供水压力脉动控制在±0.01Mpa内的要求。

Description

水力测功循环冷却水系统、控制方法及航空发动机试车台

技术领域

本发明属于工业循环冷却水技术领域，尤其涉及一种用于航空发动机试车台水力测功器的循环冷却水系统及其控制方法。

背景技术

水力测功循环冷却水系统是航空发动机试车台的重要配套系统，其根据航空发动机试车台水力测功器的需求提供符合相应参数要求的冷却水。对于发动机试车厂房来说，往往需要进行多个不同型号的发动机水力测功试验，它们对冷却水参数要求各不相同。例如：为水力测功器提供冷却水时，要求冷却水的水压不能有较大的波动，而且存在多个试车台水力测功器先后开启且同时运行的可能性。常规的水力测功循环冷却水系统通过变频供水泵及稳压罐来保证冷却水水压维持一定的稳定性，但水力测功循环冷却水在供应一个水力测功器运行的情况下无法保证再开启另一台水力测功器运行的冷却水水压稳定性(如授权公告号为CN103808100B的专利文献)。为了达到良好的试验稳定性，稳定的供水压力是水力测功器至关重要的指标之一。

因此，有必要设计一种水压稳定可靠且能同时满足多个试车台水力测功器的循环冷却水系统，从而满足发动机试车台试验的多种需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水力测功循环冷却水系统、控制方法及航空发动机试车台，以解决现有技术无法满足多个航空发动机试车台水力测功器先后开启且同时试验时的水压稳定可靠问题。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种水力测功循环冷却水系统，包括水塔、热水池、冷水池、冷却塔组、第一水泵组、第二水泵组以及控制装置；所述水塔通过第一管路与不同水力测功器的进水端连接，所述热水池通过第二管路与不同水力测功器的出水端连接，所述第一管路和第二管路的数量均与水力测功器的数量相同，每个水力测功器对应一第一管路和一第二管路；所述热水池还通过所述第一水泵组与所述冷却塔组的进水端连接，所述第一水泵组至少包括两台水泵，所述冷却塔组至少包括两个冷却塔，每台水泵对应一冷却塔；所述冷却塔组的出水端与所述冷水池连接；所述热水池与所述冷水池连通，且所述冷水池通过第二水泵组与所述水塔连接，所述第二水泵组至少包括两台并联的水泵；所述水塔的位置高于所述水力测功器，所述水力测功器的位置高于所述热水池和冷水池；

在所述水塔内设有第一液位传感器；在所述第一管路上设有第一控制阀、第一压力传感器和第一温度传感器；在所述热水池内设有第二温度传感器和第二液位传感器；所述冷却塔组、第一水泵组、第二水泵组、第一液位传感器、第一控制阀、第一压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器以及第二液位传感器分别与所述控制装置电连接；

所述控制装置根据所述热水池内水温和液位控制所述第一水泵组和冷却塔组的开启和开启数量，根据所述水塔内液位控制所述第二水泵组的开启和开启数量。

进一步地，所述热水池通过溢流孔与所述冷水池连通，所述溢流孔位于热水池和冷水池的上端。

进一步地，在所述第一水泵组与所述冷却塔组之间的管路、所述第二水泵组与所述水塔之间的管路上均设有第二控制阀、第二压力传感器和止回阀。

进一步地，所述系统还包括与所述控制装置电连接的报警装置，在所述冷水池内设有与所述控制装置电连接的第三温度传感器和第三液位传感器。

进一步地，所述控制装置包括上位机、中心控制柜、热水控制柜、冷水控制柜以及冷却塔控制柜；所述冷却塔组与所述冷却塔控制柜电连接；所述第一水泵组、第二温度传感器以及第二液位传感器分别与所述热水控制柜电连接；所述第二水泵组和第一液位传感器分别与所述冷水控制柜电连接；所述热水控制柜、冷水控制柜以及冷却塔控制柜分别与所述中心控制柜电连接；所述中心控制柜与所述上位机通讯连接。

进一步地，所述水塔的容积为最大总循环冷却水量的30％～50％，所述最大总循环冷却水量为每个水力测功器要求的循环冷却水量之和。

基于同一个发明构思，本发明还提供一种如上所述水力测功循环冷却水系统的控制方法，包括以下步骤：

获取热水池内水温及液位；

当热水池内水温低于第一温度阈值，或者热水池内水温高于第一温度阈值且热水池内液位低于第一水位阈值时，第一水泵组和冷却塔组不启动；当热水池内水温高于第一温度阈值且热水池内液位处于第一水位阈值与第二水位阈值之间时，启动第一水泵组中任一水泵和对应的冷却塔；当热水池内水温高于第一温度阈值且热水池内液位高于第二水位阈值时，启动第一水泵组中至少两台水泵和对应的冷却塔；其中，所述第一水位阈值＜所述第二水位阈值；

当水塔内液位低于第三水位阈值时，启动第二水泵组中至少两台水泵；当水塔内液位处于第三水位阈值与第四水位阈值之间时，启动第二水泵组中任一水泵；当水塔内液位高于第四水位阈值时，第二水泵组不启动；其中，所述第三水位阈值＜所述第四水位阈值。

进一步地，所述第一温度阈值小于水力测功器要求的最高进水温度；优选地，所述第一温度阈值等于水力测功器要求的最高进水温度－5℃。

进一步地，所述控制方法还包括：

获取冷水池内水温和液位；当冷水池内水温高于第二温度阈值，和/或冷水池内液位低于第五水位阈值或冷水池内液位高于第六水位阈值时，发出警报；其中，所述第五水位阈值＜所述第六水位阈值。

基于同一个发明构思，本发明还提供一种航空发动机试车台，其包括如上所述的水力测功循环冷却水系统。

有益效果

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明所提供的一种水力测功循环冷却水系统、控制方法及航空发动机试车台，由于水塔通过独立管路为各水力测功器供应冷却水，故各水力测功器冷却水的供水压力仅与水塔液位与对应水力测功器之间的高程差相关，不会受到其他水力测功器开启或水力测功器自身调节而导致的流量变化影响，再通过合理设计水塔容积，使多台水力测功器先后开启且同时运行时水塔内液位变化可控制在1m范围内，可满足水力测功器供水压力脉动控制在±0.01Mpa内的要求；

水塔通过重力供水方式将其冷却水分别供给不同的水力测功器，不仅能满足多台水力测功器先后开启且同时运行时的低压力波动要求，且系统结构简单，运行可靠，操作方便；

在热水池内水温低于第一温度阈值时，第一水泵组和冷却塔组均不启动，节省了用电能耗，同时减少了第一水泵组的启停次数，一定程度上延长了第一水泵组的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述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的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，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是本发明实施例中水力测功循环冷却水系统结构示意图。

其中，1-水塔，11-第一液位传感器，2-水力测功器，3-第一管路，31-第一控制阀，32-第一压力传感器，33-第一温度传感器，4-第二管路，5-热水池，51-第二温度传感器，52-第二液位传感器，53-溢流孔，6-冷水池，61-第三液位传感器，62-第三温度传感器，7-冷却塔组，8-第一水泵组，9-第二水泵组，10-控制装置。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面以具体地实施例对本申请的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

如图1所示，本发明实施例所提供的一种水力测功循环冷却水系统，包括水塔1、热水池5、冷水池6、冷却塔组7、第一水泵组8、第二水泵组9以及控制装置10；水塔1通过第一管路3与水力测功器2的进水端连接，热水池5通过第二管路4与水力测功器2的出水端连接；热水池5还通过第一水泵组8与冷却塔组7的进水端连接；冷却塔组7的出水端与冷水池6连接；热水池5与冷水池6连通，且冷水池6通过第二水泵组9与水塔1连接；水塔1的位置高于水力测功器2，水力测功器2的位置高于热水池5和冷水池6。在水塔1内设有第一液位传感器11；在第一管路3上设有第一控制阀31、第一压力传感器32和第一温度传感器33；在热水池5内设有第二温度传感器51和第二液位传感器52；冷却塔组7、第一水泵组8、第二水泵组9、第一液位传感器11、第一控制阀31、第一压力传感器32、第一温度传感器33、第二温度传感器51以及第二液位传感器52分别与控制装置10电连接。

如图1所示，第一管路3和第二管路4均有多条，且第一管路3和第二管路4的数量均与水力测功器2的数量相同，每个水力测功器2对应一第一管路3和一第二管路4，水塔1通过相互独立的第一管路3以重力供水方式为不同水力测功器2供应冷却水，避免了其他水力测功器2开启或当前水力测功器2自身调节而导致的当前水力测功器2的流量变化影响，当前水力测功器2是指先开启的水力测功器2。

第一水泵组8至少包括两台水泵，冷却塔组7至少包括两个冷却塔，每台水泵对应一冷却塔。示例性的，第一水泵组8包括第一水泵和第二水泵，冷却塔组7包括第一冷却塔和第二冷却塔，热水池5通过第一水泵与第一冷却塔连接，热水池5还通过第二水泵与第二冷却塔连接。多个水力测功器2同时启动或同时运行时，每个水力测功器2的用水量不一样，难以做到水力测功器2和第一水泵组8中的水泵单独匹配，既不合理也不经济，因此本发明根据热水池5内的水温和液位来控制第一水泵组8中水泵的启停个数和冷却塔组7中冷却塔的启停个数，既保证了多个水力测功器2同时开启或同时运行时的水压稳定可靠性，又降低了设备成本，节省了电能。第二水泵组9至少包括两台并联的水泵，示例性的，第二水泵组9包括第三水泵和第四水泵，第三水泵和第四水泵的一端分别与冷却池连接，另一端分别与水塔1连接。

在本发明的一种具体实施方式中，热水池5通过溢流孔53与冷水池6连通，在第一水泵组8和冷却塔组7不启动时，热水池5内的循环冷却水直接通过溢流孔53流入冷水池6中，再回流至水塔1，对多个水力测功器2进行循环冷却。

在本发明的一种具体实施方式中，在第一水泵与第一冷却塔之间的管路、第二水泵与第二冷却塔之间的管路、第三水泵与水塔1之间的管路以及第四水泵与水塔1之间的管路上均依次设有第二控制阀、第二压力传感器和止回阀。在水泵和冷却塔开启时，对应的第二控制阀开启，示例性的，当第一水泵和第一冷却塔启动时，第一水泵与第一冷却塔之间管路上的第二控制阀开启；当第三水泵启动时，第三水泵与水塔1之间管路上的第二控制阀开启。

在本发明的一种具体实施方式中，该系统还包括与控制装置10电连接的报警装置，在冷水池6内设有与控制装置10电连接的第三温度传感器62和第三液位传感器61；第三温度传感器62检测冷水池6内水温，第三液位传感器61检测冷水池6内液位。当冷水池6内水温高于第二温度阈值时，控制报警装置发出警报；当冷水池6内水温高于第二温度阈值以及冷水池6内液位低于第五水位阈值时，控制报警装置发出警报；当冷水池6内水温高于第二温度阈值以及冷水池6内液位高于第六水位阈值时，控制报警装置发出警报；当冷水池6内液位低于第五水位阈值或冷水池6内液位高于第六水位阈值时，控制报警装置发出警报；其中，第五水位阈值＜第六水位阈值。

在本发明的一种具体实施方式中，控制装置10包括上位机、中心控制柜、热水控制柜、冷水控制柜以及冷却塔控制柜；第一冷却塔、第二冷却塔分别与冷却塔控制柜电连接；第一水泵组8、第二温度传感器51以及第二液位传感器52分别与热水控制柜电连接；第二水泵组9、第一液位传感器11、报警装置、第三温度传感器62和第三液位传感器61分别与冷水控制柜电连接；热水控制柜、冷水控制柜以及冷却塔控制柜分别与中心控制柜电连接；中心控制柜通过网络与上位机通讯连接。

在本发明的一种具体实施方式中，水塔1的容积为最大总循环冷却水量的30％～50％，最大总循环冷却水量为每个水力测功器2要求的循环冷却水量之和，水力测功器2在出厂时厂家会提出水力测功器2要求的循环冷却水量。这样设计水塔1容积，确保了系统最大负荷时，水塔1内的水位波动变化小，能控制在1m左右，可满足水力测功器2供水压力脉动控制在±0.01Mpa内的要求；在同等容积情况下，尽量使水塔1的水池面积大，水深小。

本发明实施例还提供一种如上所述水力测功循环冷却水系统的控制方法，包括以下步骤：

1、当需要对水力测功器2进行水力测功试验时，控制对应的第一控制阀31开启，水塔1内的冷却水(也可以为其他冷却介质)在重力作用下通过第一管路3流入水力测功器2的进水端；同时第一压力传感器32和第一温度传感器33检测水力测功器2进水端的压力和温度，并传输给控制装置10进行显示，以便实时观测了解系统运行状况。

2、在重力作用下，冷却水在水力测功器2内进行水力测功试验及热交换后从其出水端通过第二管路4流入热水池5内，第二温度传感器51检测热水池5内水温，第二液位传感器52检测热水池5内液位。当热水池5内水温低于第一温度阈值时，热水池5内水温仍然低于水力测功器2要求的最高进水温度，表明不需要回水至冷却塔进行冷却降温，热水池5内的循环冷却水直接通过溢流孔53流入冷水池6(在热水池5内液位低于第一水位阈值时，表明水力测功器2已停止用水或因第一水泵8供水量大于水力测功器2的回水量导致热水池5的水位降低接近池底，不需要回水，故不启动第一水泵组8和冷却塔组7)；当热水池5内水温高于第一温度阈值且热水池5内液位低于第一水位阈值时，表明水力测功器2已停止用水或因第一水泵8供水量大于水力测功器2的回水量导致热水池5的水位降低接近池底，不需要回水，故第一水泵组8和冷却塔组7不启动；当热水池5内水温高于第一温度阈值且热水池5内液位处于第一水位阈值与第二水位阈值之间时，表明水力测功器2开启数量较少或用水水力测功器2数量较少，仅开启一组水泵和冷却塔即可满足需求，即启动第一水泵和第一冷却塔，或启动第二水泵和第二冷却塔；当热水池5内水温高于第一温度阈值且热水池5内液位高于第二水位阈值时，表明用水水力测功器2数量较多或系统满负荷运行，启动所有水泵和冷却塔，即启动第一水泵、第二水泵、第一冷却塔和第二冷却塔。根据热水池5内水温和液位来控制第一水泵组8中水泵和冷却塔的启停数量，既满足试验时的用水要求，又节省了用电能耗，延长水泵的使用寿命。

本实施例中，第一水位阈值(低水位阈值)＜第二水位阈值(高水位阈值)；第一温度阈值小于水力测功器2要求的最高进水温度，优选地，第一温度阈值等于水力测功器2要求的最高进水温度－5℃。

3、经过冷却塔冷却的水流入冷水池6或热水池5内的水直接通过溢流孔53流入冷却池内，第一液位传感器11检测水塔1内的液位，当水塔1内液位低于第三水位阈值时，表明水塔1内水位低，启动第三水泵和第四水泵才能满足用水需求；当水塔1内液位处于第三水位阈值与第四水位阈值之间时，表明水塔1内水位处于中等水平，启动第三水泵或第四水泵即可满足用水需求；当水塔1内液位高于第四水位阈值时，表明水塔1即将水满溢流，第三水泵和第四水泵不启动。通过启动第三水泵和/或第四水泵将循环冷却水提升回流至水塔1，形成循环。

其中，第三水位阈值(低水位阈值)＜第四水位阈值(高水位阈值)。所有传感器采集的数据均可在控制装置10上显示，以便实时监测试验过程。当温度传感器采用温度计或压力传感器采用压力计时，无需与控制装置10进行电连接。

传统的循环冷却水系统采用提升泵加压供应设备循环冷却水，对于有多个设备有循环冷却水需求，且不同工况下循环冷却水量不一样的情况，一般采用变频恒压加压给水设备供给可以满足，因为设备对循环冷却水供水压力波动要求不高，只需满足最低供水压力即可。而水力测功器的循环冷却水要求供水压力脉动控制在±0.01Mpa内，甚至更高的压力波动要求，在一个水力测功器试验运行过程时，再开启另外一台水力测功器的瞬间，会导致整个系统供水流量变大，压力变小，变频控制器需要后续通过增加开启提升泵的台数或变频条件水泵功率来慢慢维持恒压，但此过程中的超出范围的压力波动会导致第一台水力测功器报警导致试验测试失败。虽在不考虑经济性和水泵房占地面积的情况下，也可针对每台水力测功器单独设置一台高精度的变频恒压供水设备(压力波动控制在0.01Mpa内)来消除后续开启的水力测功器对正在运行的水力测功器的循环冷却水供水压力波动影响，但水力测功试验中，需要通过调节水力测功器进水端的供水流量且维持供水压力稳定来测试试验数据，虽流量调整幅度会比较平缓，但导致的供水压力波动也会对水力测功试验数据准确性有一定影响。

本发明中，水塔以重力供水方式通过相互独立的第一管路将水塔内冷却水供至每个水力测功器，故水力测功器的循环冷却水进水压力仅与水塔液位和水力测功器之前的高程差相关，供水压力不会受到其他水力测功器开启或水力测功器自身调节导致的流量变化的影响；再通过设计合理的水塔容积可使多台水力测功器先后开启且同时运行时水塔内液位变化控制在1m范围内，故可满足水力测功器供水压力脉动控制在±0.01Mpa内的要求，保证了供水压力恒定、可靠，进一步确保了航空发动机输出轴功率准确测量，具有推广价值。

相较已有的变频恒压供水设备方式，本发明采用水塔重力供水方式，不仅能满足多个发动机试车台的水力测功器先后开启并同时运行要求的低压力波动要求，而且系统简单，运行可靠、操作方便；系统工作时，当热水池内水温低于第一温度阈值时，第一水泵组停泵及关闭冷却塔组，热水池的循环冷却水通过溢流孔流至冷水池，具有节省用电能耗的优点，同时减少了启停第一水泵组次数，一定程度上延长了第一水泵组的使用寿命。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水力测功循环冷却水系统，其特征在于：所述系统包括水塔、热水池、冷水池、冷却塔组、第一水泵组、第二水泵组以及控制装置；所述水塔通过第一管路与不同水力测功器的进水端连接，所述热水池通过第二管路与不同水力测功器的出水端连接，所述第一管路和第二管路的数量均与水力测功器的数量相同，每个水力测功器对应一第一管路和一第二管路；所述热水池还通过所述第一水泵组与所述冷却塔组的进水端连接，所述第一水泵组至少包括两台水泵，所述冷却塔组至少包括两个冷却塔，每台水泵对应一冷却塔；所述冷却塔组的出水端与所述冷水池连接；所述热水池与所述冷水池连通，且所述冷水池通过第二水泵组与所述水塔连接，所述第二水泵组至少包括两台并联的水泵；所述水塔的位置高于所述水力测功器，所述水力测功器的位置高于所述热水池和冷水池；

在所述水塔内设有第一液位传感器；在所述第一管路上设有第一控制阀、第一压力传感器和第一温度传感器；在所述热水池内设有第二温度传感器和第二液位传感器；所述冷却塔组、第一水泵组、第二水泵组、第一液位传感器、第一控制阀、第一压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器以及第二液位传感器分别与所述控制装置电连接；

所述控制装置根据所述热水池内水温和液位控制所述第一水泵组和冷却塔组的开启和开启数量，根据所述水塔内液位控制所述第二水泵组的开启和开启数量。

2.根据权利要求1所述的水力测功循环冷却水系统，其特征在于：所述热水池通过溢流孔与所述冷水池连通，所述溢流孔位于热水池和冷水池的上端。

3.根据权利要求1所述的水力测功循环冷却水系统，其特征在于：在所述第一水泵组与所述冷却塔组之间的管路、所述第二水泵组与所述水塔之间的管路上均设有第二控制阀、第二压力传感器和止回阀。

4.根据权利要求1所述的水力测功循环冷却水系统，其特征在于：还包括与所述控制装置电连接的报警装置，在所述冷水池内设有与所述控制装置电连接的第三温度传感器和第三液位传感器。

5.根据权利要求1所述的水力测功循环冷却水系统，其特征在于：所述控制装置包括上位机、中心控制柜、热水控制柜、冷水控制柜以及冷却塔控制柜；所述冷却塔组与所述冷却塔控制柜电连接；所述第一水泵组、第二温度传感器以及第二液位传感器分别与所述热水控制柜电连接；所述第二水泵组和第一液位传感器分别与所述冷水控制柜电连接；所述热水控制柜、冷水控制柜以及冷却塔控制柜分别与所述中心控制柜电连接；所述中心控制柜与所述上位机通讯连接。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的水力测功循环冷却水系统，其特征在于：所述水塔的容积为最大总循环冷却水量的30％～50％，所述最大总循环冷却水量为每个水力测功器要求的循环冷却水量之和。

7.一种如权利要求1～6中任一项所述水力测功循环冷却水系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取热水池内水温及液位；

当热水池内水温低于第一温度阈值，或者热水池内水温高于第一温度阈值且热水池内液位低于第一水位阈值时，第一水泵组和冷却塔组不启动；当热水池内水温高于第一温度阈值且热水池内液位处于第一水位阈值与第二水位阈值之间时，启动第一水泵组中任一水泵和对应的冷却塔；当热水池内水温高于第一温度阈值且热水池内液位高于第二水位阈值时，启动第一水泵组中至少两台水泵和对应的冷却塔；其中，所述第一水位阈值＜所述第二水位阈值；

当水塔内液位低于第三水位阈值时，启动第二水泵组中至少两台水泵；当水塔内液位处于第三水位阈值与第四水位阈值之间时，启动第二水泵组中任一水泵；当水塔内液位高于第四水位阈值时，第二水泵组不启动；其中，所述第三水位阈值＜所述第四水位阈值。

8.根据权利要求7所述水力测功循环冷却水系统的控制方法，其特征在于，所述第一温度阈值小于水力测功器要求的最高进水温度；优选地，所述第一温度阈值等于水力测功器要求的最高进水温度－5℃。

9.根据权利要求7或8所述水力测功循环冷却水系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

获取冷水池内水温和液位；当冷水池内水温高于第二温度阈值，和/或冷水池内液位低于第五水位阈值或冷水池内液位高于第六水位阈值时，发出警报；其中，所述第五水位阈值＜所述第六水位阈值。

10.一种航空发动机试车台，其特征在于：包括权利要求1～6中任一项所述的水力测功循环冷却水系统。

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