一种实验室飞机发动机慢车运行环境场平衡控制系统

摘要

本发明公开了一种实验室飞机发动机慢车运行环境场平衡控制系统，包括设置在实验室内的环境采集机构、设置在实验室外一侧且与实验室连通的补气控温机构和设置在实验室外另一侧且与实验室连通的排气机构。本发明设计新颖，通过设置在实验室内外的环境采集机构、补气控温机构和排气机构协同工作，以保证飞机在密闭空间实验室进行发动机慢车试验时，环境场的温度和压力在飞机发动机慢车运行前后保持不变，以确保飞机发动机慢车试验的有效性，同时保证实验室的建筑安全。

权利要求

1.一种实验室飞机发动机慢车运行环境场平衡控制系统，其特征在于：包括设置在实验室（1）内的环境采集机构、设置在实验室（1）外一侧且与实验室（1）连通的补气控温机构和设置在实验室（1）外另一侧且与实验室（1）连通的排气机构；

所述环境采集机构包括设置在远离飞机（2）发动机尾气排放口的实验室试验区的试验区温度传感器（3）和试验区压力传感器（4），以及设置在实验室靠近尾气排放管道位置的室内出口区温度传感器（5）；

所述补气控温机构包括空气补充管道（6）以及顺着气流方向依次设置在空气补充管道（6）内的过滤器（7）、补气入口温度传感器（8）、补气风量测量器（9）、补气风机（11）、调温换热器（12）、补气出口温度传感器（14）和补气风阀（15），空气补充管道（6）上安装有与补气风量测量器（9）配合使用测量风量的补气空气压差传感器（10）；

所述排气机构包括尾气排放管道（16）以及顺着气流方向依次设置在尾气排放管道（16）内的排气入口温度传感器（17）、排气风量测量器（18）、喷淋器（20）、排气风阀（21）、排气风机（22）和排气出口温度传感器（23），尾气排放管道（16）上安装有与排气风量测量器（18）配合使用测量风量的尾气排放压差传感器（19）；

所述实验室（1）侧壁上设置有门体；

使用时，按照以下步骤进行：

步骤一、实验室非密闭状态下测量排气风机的最大运行频率：使实验室（1）处于非封闭式状态，实验室（1）与外界空气连通，打开排气风阀（21）和喷淋器（20），使飞机发动机慢车运行，逐渐增加排气风机（22）的频率，室内出口区温度传感器（5）的测量值先增大后减小，直至室内出口区温度传感器（5）的测量值与试验区温度传感器（3）的测量值相同，停止调节排气风机（22）的运行频率，此时，排气风机（22）的运行频率为排气风机（22）的最大运行频率fm；

步骤二、在实验室密闭及试验温度状态下，补气风机以10Hz的频率开始运行且同步控制补偿空气温度：调节实验室试验区的温度达到飞机发动机慢车试验要求温度 ，补气风机（11）以10Hz的频率开始运行，同步控制补偿空气温度，利用补气出口温度传感器（14）测量进入实验室1内的补偿空气温度 ，调节载冷剂调节阀门（13）开度，当 时，载冷剂调节阀门（13）全开，调温换热器（12）对补偿空气降温，当 时，载冷剂调节阀门（13）关闭，调温换热器（12）对补偿空气升温，直至 ，使得实验室试验区的温度满足飞机发动机慢车试验温度要求精度；

步骤三、开启排气风机，协同控制补偿空气流量及温度：在实验室密闭及试验温度状态下，打开排气风阀（21）和喷淋器（20），排气风机（22）以10Hz的频率开始运行；

根据公式 ，计算排气风机（22）以10Hz的频率运行时的排放尾气速度 ，其中， 为排气风机（22）以10Hz的频率运行时尾气排放压差传感器（19）测量的微正压，m为皮托管系数，i为排气风量测量器（18）中温度传感器的编号且i=1,2，...，6， ， 为试验区压力传感器（4）采集的室内压力值， 为标准大气压值， 为排气风机（22）以10Hz的频率运行时排气风量测量器（18）中第i个温度传感器测量的温度值；

根据公式 ，计算排气风机（22）以10Hz的频率运行时的尾气排放量 ，其中， 为尾气排放管道（16）的截面积；

作为补偿空气流量控制目标值，调节补气风机（11）的运行频率从而控制补偿空气流量，使得补偿空气流量与尾气排放量相同，并同时按照步骤二中同步控制补偿空气温度方式，使得实验室试验区的温度满足飞机发动机慢车试验温度要求精度；

步骤四、阶梯式增加补气排气流量，并同步控制补偿空气温度：排气风机（22）的运行频率以1Hz的步长增加，排气风机（22）的运行频率每增加1Hz，按照步骤三中方式获取对应运行频率下的尾气排放量，并调节补气风机（11）的运行频率从而控制补偿空气流量，使得补偿空气流量与排气风机（22）在对应运行频率下的尾气排放量相同，并同时按照步骤二中同步控制补偿空气温度方式，使得实验室试验区的温度满足飞机发动机慢车试验温度要求精度；

步骤五、实验室进行飞机发动机慢车运行试验：飞机发动机慢车运行，开始飞机发动机慢车运行的气候环境适应性验证试验，排气风机（22）以fm的频率运行，试验过程中根据实验室微正压设计值调节排气风机（22）的运行频率，保证实验室微正压维持在10Pa～30Pa之间，调节排气风机（22）的运行频率，按照步骤三中方式获取当前对应运行频率下的尾气排放量，并调节补气风机（11）的运行频率从而控制补偿空气流量，使得补偿空气流量与排气风机（22）在当前对应运行频率下的尾气排放量相同，并同时按照步骤二中同步控制补偿空气温度方式，使得实验室试验区的温度满足飞机发动机慢车试验温度要求精度；

步骤六、飞机停止发动机慢车运行，阶梯式减小补气排气流量：完成飞机发动机慢车运行气候环境适应性验证试验，飞机发动机停止运行，排气风机（22）的运行频率以5Hz的步长减小，排气风机（22）的运行频率每减小5Hz，按照步骤三中方式获取当前对应运行频率下的尾气排放量，并调节补气风机（11）的运行频率从而控制补偿空气流量，使得补偿空气流量与排气风机（22）在当前对应运行频率下的尾气排放量相同，使得补偿空气流量与排气流量阶梯式同步减小，直至排气风机（22）和补气风机（11）停止运行，关闭尾气排放管道（16）和空气补充管道（6）。

2.按照权利要求1所述的一种实验室飞机发动机慢车运行环境场平衡控制系统，其特征在于：所述空气补充管道（6）外设置有与调温换热器（12）连接的制冷机组蒸发器，制冷机组蒸发器向调温换热器（12）供应载冷剂的管道上安装有载冷剂调节阀门（13）。

3.按照权利要求2所述的一种实验室飞机发动机慢车运行环境场平衡控制系统，其特征在于：所述补气风量测量器（9）和排气风量测量器（18）的结构相同，所述补气风量测量器（9）和排气风量测量器（18）均包括共面布设的第一温度传感器（24）、第二温度传感器（25）、第三温度传感器（26）、第四度传感器（27）、第五温度传感器（28）和第六温度传感器（29）。

4.按照权利要求3所述的一种实验室飞机发动机慢车运行环境场平衡控制系统，其特征在于：所述第一温度传感器（24）、第二温度传感器（25）、第三温度传感器（26）、第四度传感器（27）、第五温度传感器（28）和第六温度传感器（29）以管道中心点为起点，沿管道半径方向每1/6半径宽度、转角60°处布设，管道侧壁上开设有皮托管安装孔（30），皮托管一端插入管道与管道内壁面平齐，皮托管另一端在管道外，皮托管两端连接至补气空气压差传感器（10）或尾气排放压差传感器（19）。

5.按照权利要求4所述的一种实验室飞机发动机慢车运行环境场平衡控制系统，其特征在于：还包括控制器，所述试验区温度传感器（3）、试验区压力传感器（4）、室内出口区温度传感器（5）、补气入口温度传感器（8）、补气风机（11）、补气出口温度传感器（14）、补气风阀（15）、补气空气压差传感器（10）、排气入口温度传感器（17）、排气风阀（21）、排气风机（22）、排气出口温度传感器（23）、尾气排放压差传感器（19）、载冷剂调节阀门（13）、第一温度传感器（24）、第二温度传感器（25）、第三温度传感器（26）、第四度传感器（27）、第五温度传感器（28）和第六温度传感器（29）均与所述控制器连接。

6.按照权利要求5所述的一种实验室飞机发动机慢车运行环境场平衡控制系统，其特征在于：所述控制器为计算机或PLC控制器。

说明书

一种实验室飞机发动机慢车运行环境场平衡控制系统

技术领域

[0001] 本发明属于飞机发动机慢车运行环境场平衡控制技术领域，具体涉及一种实验室飞机发动机慢车运行环境场平衡控制系统。

背景技术

[0002] 随着现代航空产业的飞速发展，飞机需在地球上各种气候环境下运营，面临高温、高寒、湿热、结冰等极端气候环境，这些极端气候环境是导致民机故障和功能丧失的主要因
素之一，致使飞机性能退化、功能受限。为了保证飞机的安全运营，飞机在研制过程中需开
展气候环境适应性验证试验，试验一般在外场自然气候环境或人工气候环境实验室进行。
基于实验室环境条件精确可控、极值可达、环境可复现等优势，一般将外场地面及飞行试验
中的系统验证及检测科目规划到实验室进行，在外场极端自然气候试验前对飞机在实验室
内进行飞机功能和性能的摸边探底，以保证飞机外场气候试验安全。

[0003] 飞机气候环境适应性验证试验项目多，大多数验证项目都要在发动机慢车运行状态下进行，比如飞机环控系统地面加温及降温试验、液压系统试验、飞控系统试验等。另外，
飞机发动机本身也需要进行多项发动机慢车运行气候环境适应性验证试验，如气源系统与
发动机起动系统联合试验、发动机反推试验等。这些涉及发动机慢车运行的气候环境适应
性验证试验，要求发动机慢车运行时环境场温度保持不变。若要在密闭空间的气候实验室
进行上述试验，必须保证发动机慢车运行前后，气候实验室内温度保持不变，同时为保证试
验安全和实验室建筑安全，还需保证实验室内外压力差为微正压，并且微正压在发动机慢
车运行前后保持一致。因此，现如今缺少一种具备实验室飞机发动机慢车运行试验能力的
实验室飞机发动机慢车运行环境场平衡控制系统。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种实验室飞机发动机慢车运行环境场平衡控制系统，其设计新颖合理，通过设置在实验室内外的环境
采集机构、补气控温机构和排气机构协同工作，以保证飞机在密闭空间实验室进行发动机
慢车试验时，环境场的温度和压力在飞机发动机慢车运行前后保持不变，以确保飞机发动
机慢车试验的有效性，同时保证实验室的建筑安全，便于推广使用。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种实验室飞机发动机慢车运行环境场平衡控制系统，其特征在于：包括设置在实验室内的环境采集机构、设置在实验室
外一侧且与实验室连通的补气控温机构和设置在实验室外另一侧且与实验室连通的排气
机构；

[0006] 所述环境采集机构包括设置在远离飞机发动机尾气排放口的实验室试验区的试验区温度传感器和试验区压力传感器，以及设置在实验室靠近尾气排放管道位置的室内出
口区温度传感器；

[0007] 所述补气控温机构包括空气补充管道以及顺着气流方向依次设置在空气补充管道内的过滤器、补气入口温度传感器、补气风量测量器、补气风机、调温换热器、补气出口温
度传感器和补气风阀，空气补充管道上安装有与补气风量测量器配合使用测量风量的补气
空气压差传感器；

[0008] 所述排气机构包括尾气排放管道以及顺着气流方向依次设置在尾气排放管道内的排气入口温度传感器、排气风量测量器、喷淋器、排气风阀、排气风机和排气出口温度传
感器，尾气排放管道上安装有与排气风量测量器配合使用测量风量的尾气排放压差传感
器。

[0009] 上述的一种实验室飞机发动机慢车运行环境场平衡控制系统，其特征在于：所述空气补充管道外设置有与调温换热器连接的制冷机组蒸发器，制冷机组蒸发器向调温换热
器供应载冷剂的管道上安装有载冷剂调节阀门。

[0010] 上述的一种实验室飞机发动机慢车运行环境场平衡控制系统，其特征在于：所述补气风量测量器和排气风量测量器的结构相同，所述补气风量测量器和排气风量测量器均
包括共面布设的第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四度传感器、第五
温度传感器和第六温度传感器。

[0011] 上述的一种实验室飞机发动机慢车运行环境场平衡控制系统，其特征在于：所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四度传感器、第五温度传感器和第
六温度传感器以管道中心点为起点，沿管道半径方向每1/6半径宽度、转角60°处布设，管道
侧壁上开设有皮托管安装孔，皮托管一端插入管道与管道内壁面平齐，皮托管另一端在管
道外，皮托管两端连接至补气空气压差传感器或尾气排放压差传感器。

[0012] 上述的一种实验室飞机发动机慢车运行环境场平衡控制系统，其特征在于：所述实验室侧壁上设置有门体。

[0013] 上述的一种实验室飞机发动机慢车运行环境场平衡控制系统，其特征在于：还包括控制器，所述试验区温度传感器、试验区压力传感器、室内出口区温度传感器、补气入口
温度传感器、补气风机、补气出口温度传感器、补气风阀、补气空气压差传感器、排气入口温
度传感器、排气风阀、排气风机、排气出口温度传感器、尾气排放压差传感器、载冷剂调节阀
门、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四度传感器、第五温度传感器和
第六温度传感器均与所述控制器连接。

[0014] 上述的一种实验室飞机发动机慢车运行环境场平衡控制系统，其特征在于：所述控制器为计算机或PLC控制器。

[0015] 本发明的有益效果是，通过设置在实验室内外的环境采集机构、补气控温机构和排气机构协同工作，以保证飞机在密闭空间实验室进行发动机慢车试验时，环境场的温度
和压力在飞机发动机慢车运行前后保持不变，以确保飞机发动机慢车试验的有效性，同时
保证实验室的建筑安全，便于推广使用。

[0016] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

[0017] 图1为本发明的结构示意图。

[0018] 图2为本发明补气风量测量器或排气风量测量器的结构示意图。

[0019] 附图标记说明:

[0020] 1—实验室； 2—飞机； 3—试验区温度传感器；

[0021] 4—试验区压力传感器； 5—室内出口区温度传感器；

[0022] 6—空气补充管道； 7—过滤器；

[0023] 8—补气入口温度传感器； 9—补气风量测量器；

[0024] 10—补气空气压差传感器； 11—补气风机；

[0025] 12—调温换热器； 13—载冷剂调节阀门；

[0026] 14—补气出口温度传感器； 15—补气风阀；

[0027] 16—尾气排放管道； 17—排气入口温度传感器；

[0028] 18—排气风量测量器； 19—尾气排放压差传感器；

[0029] 20—喷淋器； 21—排气风阀；

[0030] 22—排气风机； 23—排气出口温度传感器；

[0031] 24—第一温度传感器； 25—第二温度传感器； 26—第三温度传感器；

[0032] 27—第四度传感器； 28—第五温度传感器； 29—第六温度传感器；

[0033] 30—皮托管安装孔。

具体实施方式

[0034] 如图1和图2所示，本发明包括设置在实验室1内的环境采集机构、设置在实验室1外一侧且与实验室1连通的补气控温机构和设置在实验室1外另一侧且与实验室1连通的排
气机构；

[0035] 所述环境采集机构包括设置在远离飞机2发动机尾气排放口的实验室试验区的试验区温度传感器3和试验区压力传感器4，以及设置在实验室靠近尾气排放管道位置的室内
出口区温度传感器5；

[0036] 所述补气控温机构包括空气补充管道6以及顺着气流方向依次设置在空气补充管道6内的过滤器7、补气入口温度传感器8、补气风量测量器9、补气风机11、调温换热器12、补
气出口温度传感器14和补气风阀15，空气补充管道6上安装有与补气风量测量器9配合使用
测量风量的补气空气压差传感器10；

[0037] 所述排气机构包括尾气排放管道16以及顺着气流方向依次设置在尾气排放管道16内的排气入口温度传感器17、排气风量测量器18、喷淋器20、排气风阀21、排气风机22和
排气出口温度传感器23，尾气排放管道16上安装有与排气风量测量器18配合使用测量风量
的尾气排放压差传感器19。

[0038] 需要说明的是，飞机在密闭空间实验室进行发动机慢车试验时，飞机发动机的尾气温度极高，为了维持实验室内温度稳定，保证实验室内外的压差与发动机慢车运行前一
致，需要将高温的飞机发动机尾气排出室外，并需要补充与排气流量相同的补偿空气，同时
补偿空气的温度应与实验室内空气温度相同。通过发动机尾气排放控制、补偿空气温度控
制和补排气流量协同控制，实现实验室飞机发动机慢车运行环境场平衡。

[0039] 本实施例中，所述空气补充管道6外设置有与调温换热器12连接的制冷机组蒸发器，制冷机组蒸发器向调温换热器12供应载冷剂的管道上安装有载冷剂调节阀门13。

[0040] 本实施例中，所述补气风量测量器9和排气风量测量器18的结构相同，所述补气风量测量器9和排气风量测量器18均包括共面布设的第一温度传感器24、第二温度传感器25、
第三温度传感器26、第四度传感器27、第五温度传感器28和第六温度传感器29。

[0041] 本实施例中，所述第一温度传感器24、第二温度传感器25、第三温度传感器26、第四度传感器27、第五温度传感器28和第六温度传感器29以管道中心点为起点，沿管道半径
方向每1/6半径宽度、转角60°处布设，管道侧壁上开设有皮托管安装孔30，皮托管一端插入
管道与管道内壁面平齐，皮托管另一端在管道外，皮托管两端连接至补气空气压差传感器
10或尾气排放压差传感器19。

[0042] 本实施例中，所述实验室1侧壁上设置有门体。

[0043] 本实施例中，还包括控制器，所述试验区温度传感器3、试验区压力传感器4、室内出口区温度传感器5、补气入口温度传感器8、补气风机11、补气出口温度传感器14、补气风
阀15、补气空气压差传感器10、排气入口温度传感器17、排气风阀21、排气风机22、排气出口
温度传感器23、尾气排放压差传感器19、载冷剂调节阀门13、第一温度传感器24、第二温度
传感器25、第三温度传感器26、第四度传感器27、第五温度传感器28和第六温度传感器29均
与所述控制器连接。

[0044] 本实施例中，所述控制器为计算机或PLC控制器。

[0045] 本发明使用时，按照以下步骤进行：

[0046] 步骤一、实验室非密闭状态下测量排气风机的最大运行频率：使实验室1处于非封闭式状态，实验室1与外界空气连通，打开排气风阀21和喷淋器20，使飞机发动机慢车运行，
逐渐增加排气风机22的频率，室内出口区温度传感器5的测量值先增大后减小，直至室内出
口区温度传感器5的测量值与试验区温度传感器3的测量值相同，停止调节排气风机22的运
行频率，此时，排气风机22的运行频率为排气风机22的最大运行频率fm；

[0047] 步骤二、在实验室密闭及试验温度状态下，补气风机以10Hz的频率开始运行且同步控制补偿空气温度：调节实验室试验区的温度达到飞机发动机慢车试验要求温度 ，补
气风机11以10Hz的频率开始运行，同步控制补偿空气温度，利用补气出口温度传感器14测
量进入实验室1内的补偿空气温度 ，调节载冷剂调节阀门13开度，当 时，载
冷剂调节阀门13全开，调温换热器12对补偿空气降温，当 时，载冷剂调节阀
门13关闭，调温换热器12对补偿空气升温，直至 ，使得实验室试验区
的温度满足飞机发动机慢车试验温度要求精度；

[0048] 步骤三、开启排气风机，协同控制补偿空气流量及温度：在实验室密闭及试验温度状态下，打开排气风阀21和喷淋器20，排气风机22以10Hz的频率开始运行；

[0049] 根据公式 ，计算排气风机22以10Hz的频率运行时的排放尾气速度 ，其中， 为排气风机22以10Hz的频率运行时尾气排放压差传感器19测量的微
正压，m为皮托管系数，i为排气风量测量器18中温度传感器的编号且

[0050] i=1,2，...，6， ， 为试验区压力传感器4采集的室内压力值， 为标准大气压值， 为排气风机22以10Hz的频率运行时排气风量测量器18
中第i个温度传感器测量的温度值；

[0051] 根据公式 ，计算排气风机22以10Hz的频率运行时的尾气排放量 ，其中， 为尾气排放管道16的截面积；

[0052] 作为补偿空气流量控制目标值，调节补气风机11的运行频率从而控制补偿空气流量，使得补偿空气流量与尾气排放量相同，并同时按照步骤二中同步控制补偿空气温
度方式，使得实验室试验区的温度满足飞机发动机慢车试验温度要求精度；

[0053] 步骤四、阶梯式增加补气排气流量，并同步控制补偿空气温度：排气风机22的运行频率以1Hz的步长增加，排气风机22的运行频率每增加1Hz，按照步骤三中方式获取对应运
行频率下的尾气排放量，并调节补气风机11的运行频率从而控制补偿空气流量，使得补偿
空气流量与排气风机22在对应运行频率下的尾气排放量相同，并同时按照步骤二中同步控
制补偿空气温度方式，使得实验室试验区的温度满足飞机发动机慢车试验温度要求精度；

[0054] 步骤五、实验室进行飞机发动机慢车运行试验：飞机发动机慢车运行，开始飞机发动机慢车运行的气候环境适应性验证试验，排气风机22以fm的频率运行，试验过程中根据
实验室微正压设计值调节排气风机22的运行频率，保证实验室微正压维持在10Pa～30Pa之
间，调节排气风机22的运行频率，按照步骤三中方式获取当前对应运行频率下的尾气排放
量，并调节补气风机11的运行频率从而控制补偿空气流量，使得补偿空气流量与排气风机
22在当前对应运行频率下的尾气排放量相同，并同时按照步骤二中同步控制补偿空气温度
方式，使得实验室试验区的温度满足飞机发动机慢车试验温度要求精度；

[0055] 步骤六、飞机停止发动机慢车运行，阶梯式减小补气排气流量：完成飞机发动机慢车运行气候环境适应性验证试验，飞机发动机停止运行，排气风机22的运行频率以5Hz的步
长减小，排气风机22的运行频率每减小5Hz，按照步骤三中方式获取当前对应运行频率下的
尾气排放量，并调节补气风机11的运行频率从而控制补偿空气流量，使得补偿空气流量与
排气风机22在当前对应运行频率下的尾气排放量相同，使得补偿空气流量与排气流量阶梯
式同步减小，直至排气风机22和补气风机11停止运行，关闭尾气排放管道16和空气补充管
道6。

[0056] 通过设置在实验室内外的环境采集机构、补气控温机构和排气机构协同工作，以保证飞机在密闭空间实验室进行发动机慢车试验时，环境场的温度和压力在飞机发动机慢
车运行前后保持不变，逐级增加补偿空气流量，并在每一级流量处同步控制补偿空气温度
为试验区域温度，使实验室温度不会因为补充补偿空气而发生剧烈波动，使得实验室试验
区的温度满足飞机发动机慢车试验温度要求精度，确保了飞机发动机慢车试验的有效性；
阶梯式协同控制排气与补偿空气流量，密闭空间实验室的微正压维持在10Pa～30Pa之间，
保证了实验室的建筑安全。

[0057] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技
术方案的保护范围内。