CN116256144B - 一种大型连续式风洞配套真空系统及其控制方法 - Google Patents

一种大型连续式风洞配套真空系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大型连续式风洞配套真空系统及其控制方法，属于航空风洞试验领域。解决系统利用率较低的问题。包括抽气支路系统、调节支路系统、真空储存支路系统、抽气管道、主开关阀和消声塔，并联设置的抽气支路系统、调节支路系统、真空储存支路系统的一端与抽气管道一端连接，并联设置的抽气支路系统、调节支路系统的另一端与消声塔连接，抽气管道的另一端通过主开关阀与风洞连接。本发明可在风洞不需要真空系统的空闲时间，启动所有真空泵对真空罐抽气以实现真空储存，可用于对风洞抽气降压模拟高空、风洞内干燥空气置换、风洞试验压力稳定控制，提高了真空系统的利用率，减少了试验准备时间，提高了整体试验效率。

Description

一种大型连续式风洞配套真空系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种风洞配套真空系统及其控制方法，属于航空风洞试验领域。
背景技术
在航空风洞试验领域，大型连续式风洞因其回流式封闭回路的特殊结构，需要进行高空低压环境的模拟。
大型连续式风洞在试验过程中，当气流通过喷管而加速膨胀时，由于温度迅速下降，很容易出现空气中水蒸气分压大于饱和水蒸气压的过饱和状态，如果空气湿度比较大，则可能在喷管出口处或实验段中发生凝结，因此对风洞内空气的干燥度要求很高。
连续式风洞的试验对洞体内的气流压力稳定有很高的要求，因试验中模型迎角、马赫数、洞内温度的变化，洞体内的压力亦会产生波动。
例如：公开号为CN203587313U，发明创造名称为风洞抽试验抽真空装置系统，其技术方案为风洞试验抽真空装置系统以两台并联的调节阀用以实现风洞试验压力稳定控制，两台调节阀各自适用不同的抽气流量调节范围，具有效率高、运行平稳，噪音低等优点。但是风洞在不使用真空系统时系统处于闲置状态，系统利用率较低，且两台调节阀后端的真空总抽气量是固定的，其流量调节范围较小。
基于上述问题，亟需提出一种大型连续式风洞配套真空系统及其控制方法，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明提供一种大型连续式风洞配套真空系统及其控制方法，解决系统利用率较低的问题。在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
本发明的技术方案：
一种大型连续式风洞配套真空系统，包括抽气支路系统、调节支路系统、真空储存支路系统、抽气管道、主开关阀和消声塔，并联设置的抽气支路系统、调节支路系统、真空储存支路系统的一端与抽气管道一端连接，并联设置的抽气支路系统、调节支路系统的另一端与消声塔连接，抽气管道的另一端通过主开关阀与风洞连接。
优选的：所述抽气支路系统包括若干并联设置的抽气支路，并联设置的抽气支路一端与抽气管道连接，并联设置的抽气支路另一端与消声塔连接；抽气支路包括若干并联设置的抽气分支路，并联设置的抽气分支路一端与抽气管道连接，并联设置的抽气分支路另一端与消声塔连接，抽气分支路包括抽气支路分开关阀、抽气支路真空泵、抽气支路换热消声器和抽气支路单向阀，抽气支路分开关阀、抽气支路真空泵、抽气支路换热消声器、抽气支路单向阀顺次连接。
优选的：所述抽气支路为三组，每组抽气支路包括三组并联设置的抽气分支路。
优选的：调节支路系统包括调节支路抽气管道、调节支路主调节阀、第一调节支路和第二调节支路，调节支路抽气管道上安装有调节支路主调节阀，调节支路抽气管道的两端分别与抽气管道、并联设置的第一调节支路、第二调节支路连接；第一调节支路、第二调节支路均包括阀门、调节支路真空泵、调节支路换热消声器和调节支路单向阀，阀门、调节支路真空泵、调节支路换热消声器、调节支路单向阀顺次连接。
优选的：第一调节支路的阀门为调节支路辅调节阀，第一调节支路为一组，第二调节支路的阀门为调节支路分开关阀，第二调节支路为两组。
优选的：真空储存支路系统包括储存支路抽气管道、储存支路开关阀、储存支路调节阀、储存支路过滤器和真空罐，抽气管道通过储存支路抽气管道与真空罐连接，储存支路抽气管道上顺次设置有储存支路开关阀、储存支路调节阀、储存支路过滤器。
优选的：抽气支路真空泵和调节支路真空泵型式均为无油螺杆式真空泵，储存支路过滤器为内置滤芯式过滤器。
优选的：变频器与抽气支路真空泵和调节支路真空泵电性连接。
一种大型连续式风洞配套真空系统控制方法，采用一种大型连续式风洞配套真空系统，包括以下步骤：
步骤一：置换干燥空气；具体地：启动抽气支路真空泵和调节支路真空泵，打开抽气支路主开关阀、抽气支路分开关阀、调节支路主调节阀、调节支路辅调节阀、调节支路分开关阀，关闭储存支路开关阀，将风洞内抽气至设定压力，再将供气系统与风洞连接，并通过供气系统对风洞进行补气，重复以上过程直至风洞内干燥；
步骤二：控制风洞试验压力；
步骤三：真空能力储存；具体地，启动抽气支路真空泵和调节支路真空泵，打开抽气支路分开关阀、调节支路主调节阀、调节支路辅调节阀、调节支路分开关阀、储存支路开关阀、储存支路调节阀，关闭抽气支路主开关阀，将真空罐内抽气至负压压力，实现真空能力储存。
优选的：步骤二中，通过以下五种方法中的任一方法实现控制风洞试验压力；
Ⅰ.启动调节支路真空泵并保持全功率运转，保持抽气支路主开关阀、调节支路主调节阀的打开状态，关闭调节支路分开关阀，控制调节支路辅调节阀的开度控制抽气速率；
Ⅱ.启动调节支路真空泵并保持全功率运转，保持抽气支路主开关阀、调节支路分开关阀、调节支路辅调节阀的打开状态，控制调节支路主调节阀的开度控制抽气速率；
Ⅲ.启动调节支路真空泵并保持固定工作频率，保持抽气支路主开关阀、调节支路主调节阀的打开状态，关闭调节支路分开关阀，控制调节支路辅调节阀的开度控制抽气速率；
Ⅳ.启动调节支路真空泵并保持固定工作频率，保持抽气支路主开关阀、调节支路辅调节阀、调节支路分开关阀的打开状态，控制调节支路主调节阀的开度控制抽气速率；
Ⅴ.在真空储存支路系统储存真空的情况下，关闭抽气支路分开关阀、调节支路主调节阀，保持抽气支路主开关阀的打开状态，打开储存支路开关阀，调节储存支路调节阀的开度控制抽气速率。
本发明具有以下有益效果：
本发明适用于风洞抽气降压，模拟大气高空低压环境，可在有限的空间内放置更多真空泵，布局合理的同时，抽气效率更高，实现模拟速度更快。
本发明通过五种控制风洞试验压力方法实现风洞试验压力稳定，第Ⅲ种可实现最合适的抽速范围，实现极高的压力控制精度；第Ⅳ种真空泵数量更多，调节能力更大，相同时间内从风洞内抽气量更大，可实现的压力控制精度更高；第Ⅴ种不用启动真空泵，通过储存的真空能力可实现压力控制，便于消除压力波动。
本发明可在风洞不需要真空系统的空闲时间，启动所有真空泵对真空罐抽气以实现真空储存，可用于对风洞抽气降压模拟高空、风洞内干燥空气置换、风洞试验压力稳定控制，提高了真空系统的利用率，减少了试验准备时间，提高了整体试验效率。
附图说明
图1是一种大型连续式风洞配套真空系统的结构示意图；
图2是抽气支路泵架、调节支路泵架的结构示意图。
图中：11-抽气管道，12-主开关阀，1-抽气支路系统，13-抽气支路分开关阀，14-抽气支路真空泵，15-抽气支路泵架，16-抽气支路换热消声器，17-抽气支路单向阀，18-消声塔，2-调节支路系统，21-调节支路抽气管道，22-调节支路主调节阀，23-调节支路辅调节阀，24-调节支路分开关阀，25-调节支路真空泵，26-调节支路泵架，27-调节支路换热消声器，28-调节支路单向阀，3-真空储存支路系统，31-储存支路抽气管道，32-储存支路开关阀，33-储存支路调节阀，34-储存支路过滤器，35-真空罐，4-控制系统。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接即为不可拆卸连接包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺纹连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认为总能在现有连接方式中找到至少一种连接方式能够实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择铰链连接。
具体实施方式一：结合图1-图2说明本实施方式，本实施方式的一种大型连续式风洞配套真空系统，包括抽气支路系统1、调节支路系统2、真空储存支路系统3、抽气管道11、主开关阀12和消声塔18，并联设置的抽气支路系统1、调节支路系统2、真空储存支路系统3的一端与抽气管道11一端连接，并联设置的抽气支路系统1、调节支路系统2的另一端与消声塔18连接，抽气管道11的另一端通过主开关阀12与风洞连接；抽气支路系统1、调节支路系统2内的真空泵对大型连续式风洞抽气降压，可模拟大气高空低压环境。
所述抽气支路系统1包括若干并联设置的抽气支路，并联设置的抽气支路一端与抽气管道11连接，并联设置的抽气支路另一端与消声塔18连接；抽气支路包括若干并联设置的抽气分支路，并联设置的抽气分支路一端与抽气管道11连接，并联设置的抽气分支路另一端与消声塔18连接，抽气分支路包括抽气支路分开关阀13、抽气支路真空泵14、抽气支路换热消声器16和抽气支路单向阀17，抽气支路分开关阀13、抽气支路真空泵14、抽气支路换热消声器16、抽气支路单向阀17顺次连接，抽气支路真空泵14固定安装在抽气支路泵架15上。
所述抽气支路为三组，每组抽气支路包括三组并联设置的抽气分支路，每组抽气分支路中并联设置的三个抽气支路分开关阀13与抽气管道11连接，每组抽气分支路中并联设置的三个抽气支路单向阀17与消声塔18连接。
调节支路系统2包括调节支路抽气管道21、调节支路主调节阀22、第一调节支路和第二调节支路，调节支路抽气管道21上安装有调节支路主调节阀22，调节支路抽气管道21的两端分别与抽气管道11、并联设置的第一调节支路、第二调节支路连接；第一调节支路、第二调节支路均包括阀门、调节支路真空泵25、调节支路换热消声器27和调节支路单向阀28，阀门、调节支路真空泵25、调节支路换热消声器27、调节支路单向阀28顺次连接，调节支路真空泵25固定安装在调节支路泵架26上，抽气支路泵架15、调节支路泵架26均采用图2所示的三层阶梯式，每层阶梯上放置一台真空泵，可有效减少系统占地面积。
第一调节支路的阀门为调节支路辅调节阀23，第一调节支路为一组，第二调节支路的阀门为调节支路分开关阀24，第二调节支路为两组，并联设置的调节支路辅调节阀23、调节支路分开关阀24与调节支路抽气管道21连接，三个并联设置的调节支路单向阀28与消声塔18连接。
真空储存支路系统3包括储存支路抽气管道31、储存支路开关阀32、储存支路调节阀33、储存支路过滤器34和真空罐35，抽气管道11通过储存支路抽气管道31与真空罐35连接，储存支路抽气管道31上顺次设置有储存支路开关阀32、储存支路调节阀33、储存支路过滤器34，储存支路开关阀32与抽气管道11连接，储存支路过滤器34与真空罐35连接，所述储存支路调节阀33使储存支路抽气管道31内空气流速工作在允许的范围内，所述储存支路开关阀32打开和关闭适应不同的工作流程。
抽气支路真空泵14和调节支路真空泵25型式均为无油螺杆式真空泵，抽气速率稳定，可防止返油至风洞内，配备的电机具有变频运行功能，是发明中抽气主体设备，储存支路过滤器34为内置滤芯式过滤器，可拆卸更换滤芯，所有抽气支路换热消声器16和调节支路换热消声器27均同时具有换热和消声功能。
变频器与抽气支路真空泵14、调节支路真空泵25电性连接；控制系统4可控制抽气支路真空泵14和调节支路真空泵25变频运行，可控制所有的抽气支路主开关阀12、抽气支路分开关阀13、调节支路主调节阀22、调节支路辅调节阀23、调节支路分开关阀24、储存支路开关阀32和储存支路调节阀33运行。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种大型连续式风洞配套真空系统控制方法，采用一种大型连续式风洞配套真空系统，包括抽气支路系统1、调节支路系统2、真空储存支路系统3、抽气管道11、主开关阀12和消声塔18，并联设置的抽气支路系统1、调节支路系统2、真空储存支路系统3的一端与抽气管道11一端连接，并联设置的抽气支路系统1、调节支路系统2的另一端与消声塔18连接，抽气管道11的另一端通过主开关阀12与风洞连接。
所述抽气支路系统1包括若干并联设置的抽气支路，并联设置的抽气支路一端与抽气管道11连接，并联设置的抽气支路另一端与消声塔18连接；抽气支路包括若干并联设置的抽气分支路，并联设置的抽气分支路一端与抽气管道11连接，并联设置的抽气分支路另一端与消声塔18连接，抽气分支路包括抽气支路分开关阀13、抽气支路真空泵14、抽气支路换热消声器16和抽气支路单向阀17，抽气支路分开关阀13、抽气支路真空泵14、抽气支路换热消声器16、抽气支路单向阀17顺次连接。
所述抽气支路为三组，每组抽气支路包括三组并联设置的抽气分支路，每组抽气分支路中并联设置的三个抽气支路分开关阀13与抽气管道11连接，每组抽气分支路中并联设置的三个抽气支路单向阀17与消声塔18连接。
调节支路系统2包括调节支路抽气管道21、调节支路主调节阀22、第一调节支路和第二调节支路，调节支路抽气管道21上安装有调节支路主调节阀22，调节支路抽气管道21的两端分别与抽气管道11、并联设置的第一调节支路、第二调节支路连接；第一调节支路、第二调节支路均包括阀门、调节支路真空泵25、调节支路换热消声器27和调节支路单向阀28，阀门、调节支路真空泵25、调节支路换热消声器27、调节支路单向阀28顺次连接。
第一调节支路的阀门为调节支路辅调节阀23，第一调节支路为一组，第二调节支路的阀门为调节支路分开关阀24，第二调节支路为两组，并联设置的调节支路辅调节阀23、调节支路分开关阀24与调节支路抽气管道21连接，三个并联设置的调节支路单向阀28与消声塔18连接。
真空储存支路系统3包括储存支路抽气管道31、储存支路开关阀32、储存支路调节阀33、储存支路过滤器34和真空罐35，抽气管道11通过储存支路抽气管道31与真空罐35连接，储存支路抽气管道31上顺次设置有储存支路开关阀32、储存支路调节阀33、储存支路过滤器34，储存支路开关阀32与抽气管道11连接，储存支路过滤器34与真空罐35连接。
抽气支路真空泵14和调节支路真空泵25型式均为无油螺杆式真空泵，储存支路过滤器34为内置滤芯式过滤器。
变频器与抽气支路真空泵14、调节支路真空泵25电性连接。
包括以下步骤：
步骤一：置换干燥空气；真空储存支路系统3配合储存有干燥空气的供气系统，通过多次先抽气后补气的方式，将风洞内置换成干燥的空气；
步骤一中，启动抽气支路真空泵14和调节支路真空泵25，打开主开关阀12、抽气支路分开关阀13、调节支路主调节阀22、调节支路辅调节阀23、调节支路分开关阀24，关闭储存支路开关阀32，将风洞内抽气至设定压力，再将供气系统与风洞连接，并通过供气系统对风洞进行补气，以上过程可重复多次直至风洞内干燥；
步骤二：控制风洞试验压力；调节支路系统2通过调节支路真空泵25变频和调节支路辅调节阀23控制抽气量大小以实现风洞试验压力稳定，真空储存支路系统3通过储存支路调节阀33控制抽气量大小以实现风洞试验压力稳定；
步骤二中，通过以下五种中的任一方法实现控制风洞试验压力；
Ⅰ.启动调节支路真空泵25并保持全功率运转，保持主开关阀12、调节支路主调节阀22的打开状态，关闭调节支路分开关阀24，通过实时控制调节支路辅调节阀23的开度控制抽气速率，实现压力稳定控制；
Ⅱ.启动调节支路真空泵25并保持全功率运转，保持主开关阀12、调节支路分开关阀24、调节支路辅调节阀23的打开状态，通过实时控制调节支路主调节阀22的开度控制抽气速率，实现压力稳定控制；
Ⅲ.启动调节支路真空泵25并保持固定工作频率，保持主开关阀12、调节支路主调节阀22的打开状态，关闭调节支路分开关阀24，通过实时控制调节支路辅调节阀23的开度控制抽气速率，实现压力稳定控制，其中调节支路真空泵25的频率能使调节支路辅调节阀23工作在最优的调节范围内；
Ⅳ.启动调节支路真空泵25并保持固定工作频率，保持主开关阀12、调节支路辅调节阀23、调节支路分开关阀24的打开状态，通过实时控制调节支路主调节阀22的开度控制抽气速率，实现压力稳定控制，其中调节支路真空泵25的频率能使调节支路主调节阀22工作在最优的调节范围内；
Ⅴ.在真空储存支路系统3储存真空的情况下，关闭抽气支路分开关阀13、调节支路主调节阀22，保持主开关阀12的打开状态，打开储存支路开关阀32，通过实时调节储存支路调节阀33的开度控制抽气速率，实现压力稳定控制；
步骤三：真空能力储存；真空储存支路系统3可储存真空，在空闲时间通过抽气支路系统1、调节支路系统2对真空储存支路系统3的真空罐35抽气以实现储存，有效提高试验效率；
步骤三中，启动抽气支路真空泵14和调节支路真空泵25，打开抽气支路分开关阀13、调节支路主调节阀22、调节支路辅调节阀23、调节支路分开关阀24、储存支路开关阀32、储存支路调节阀33，关闭主开关阀12，将真空罐内抽气至负压压力，实现真空能力储存。
需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (4)

1.一种大型连续式风洞配套真空系统控制方法，其依托于一种大型连续式风洞配套真空系统实现的，包括抽气支路系统(1)、调节支路系统(2)、真空储存支路系统(3)、抽气管道(11)、主开关阀(12)和消声塔(18)，并联设置的抽气支路系统(1)、调节支路系统(2)、真空储存支路系统(3)的一端与抽气管道(11)一端连接，并联设置的抽气支路系统(1)、调节支路系统(2)的另一端与消声塔(18)连接，抽气管道(11)的另一端通过主开关阀(12)与风洞连接；
所述抽气支路系统(1)包括若干并联设置的抽气支路，并联设置的抽气支路一端与抽气管道(11)连接，并联设置的抽气支路另一端与消声塔(18)连接；抽气支路包括若干并联设置的抽气分支路，并联设置的抽气分支路一端与抽气管道(11)连接，并联设置的抽气分支路另一端与消声塔(18)连接，抽气分支路包括抽气支路分开关阀(13)、抽气支路真空泵(14)、抽气支路换热消声器(16)和抽气支路单向阀(17)，抽气支路分开关阀(13)、抽气支路真空泵(14)、抽气支路换热消声器(16)、抽气支路单向阀(17)顺次连接；
调节支路系统(2)包括调节支路抽气管道(21)、调节支路主调节阀(22)、第一调节支路和第二调节支路，调节支路抽气管道(21)上安装有调节支路主调节阀(22)，调节支路抽气管道(21)的两端分别与抽气管道(11)、并联设置的第一调节支路、第二调节支路连接；第一调节支路、第二调节支路均包括阀门、调节支路真空泵(25)、调节支路换热消声器(27)和调节支路单向阀(28)，阀门、调节支路真空泵(25)、调节支路换热消声器(27)、调节支路单向阀(28)顺次连接；
第一调节支路的阀门为调节支路辅调节阀(23)，第一调节支路为一组，第二调节支路的阀门为调节支路分开关阀(24)，第二调节支路为两组；
真空储存支路系统(3)包括储存支路抽气管道(31)、储存支路开关阀(32)、储存支路调节阀(33)、储存支路过滤器(34)和真空罐(35)，抽气管道(11)通过储存支路抽气管道(31)与真空罐(35)连接，储存支路抽气管道(31)上顺次设置有储存支路开关阀(32)、储存支路调节阀(33)、储存支路过滤器(34)，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：置换干燥空气；具体地：启动抽气支路真空泵(14)和调节支路真空泵(25)，打开主开关阀(12)、抽气支路分开关阀(13)、调节支路主调节阀(22)、调节支路辅调节阀(23)、调节支路分开关阀(24)，关闭储存支路开关阀(32)，将风洞内抽气至设定压力，再将供气系统与风洞连接，并通过供气系统对风洞进行补气，重复以上过程直至风洞内干燥；
步骤二：控制风洞试验压力；
通过以下五种方法中的任一方法实现控制风洞试验压力；
Ⅰ.启动调节支路真空泵(25)并保持全功率运转，保持主开关阀(12)、调节支路主调节阀(22)的打开状态，关闭调节支路分开关阀(24)，控制调节支路辅调节阀(23)的开度控制抽气速率；
Ⅱ.启动调节支路真空泵(25)并保持全功率运转，保持主开关阀(12)、调节支路分开关阀(24)、调节支路辅调节阀(23)的打开状态，控制调节支路主调节阀(22)的开度控制抽气速率；
Ⅲ.启动调节支路真空泵(25)并保持固定工作频率，保持主开关阀(12)、调节支路主调节阀(22)的打开状态，关闭调节支路分开关阀(24)，控制调节支路辅调节阀(23)的开度控制抽气速率；
Ⅳ.启动调节支路真空泵(25)并保持固定工作频率，保持主开关阀(12)、调节支路辅调节阀(23)、调节支路分开关阀(24)的打开状态，控制调节支路主调节阀(22)的开度控制抽气速率；
Ⅴ.在真空储存支路系统(3)储存真空的情况下，关闭抽气支路分开关阀(13)、调节支路主调节阀(22)，保持主开关阀(12)的打开状态，打开储存支路开关阀(32)，调节储存支路调节阀(33)的开度控制抽气速率；
步骤三：真空能力储存；具体地：启动抽气支路真空泵(14)和调节支路真空泵(25)，打开抽气支路分开关阀(13)、调节支路主调节阀(22)、调节支路辅调节阀(23)、调节支路分开关阀(24)、储存支路开关阀(32)、储存支路调节阀(33)，关闭主开关阀(12)，将真空罐内抽气至负压压力，实现真空能力储存。
2.根据权利要求1所述的一种大型连续式风洞配套真空系统控制方法，其特征在于：所述抽气支路为三组，每组抽气支路包括三组并联设置的抽气分支路。
3.根据权利要求2所述的一种大型连续式风洞配套真空系统控制方法，其特征在于：抽气支路真空泵(14)和调节支路真空泵(25)型式均为无油螺杆式真空泵，储存支路过滤器(34)为内置滤芯式过滤器。
4.根据权利要求3所述的一种大型连续式风洞配套真空系统控制方法，其特征在于：变频器与抽气支路真空泵(14)和调节支路真空泵(25)电性连接。
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