用于飞机测试的结冰试验供水系统及供水方法

摘要

本发明公开了用于飞机测试的结冰试验供水系统及供水方法，涉及飞机测试技术领域，供水系统包括保温箱、加热水箱、供水组件、喷雾组件和控制柜；加热水箱内设有加热翅片，供水组件包括进水管、总供水管、回水管、多级高压离心泵和变频电机，变频电机为多级高压离心泵提供动力，进水管与加热水箱连接，总供水管分别与热水箱、多级高压离心泵连接，回水管分别与总供水管、加热水箱连接；喷雾组件包括喷雾耙管和高压喷头，喷雾耙管分别与多级高压离心泵、回水管连接，高压喷头在保温箱上，且与喷雾耙管连接；控制柜分别与各用电设备电性连接；本发明系统结构设计合理，能够实现恒压供水，提高了结冰试验的喷雾效果，从而提高了飞机测试效率。

说明书

技术领域

本发明涉及飞机测试技术领域，具体涉及用于飞机测试的结冰试验供水系统及供水方法。

背景技术

飞机测试结冰试验是研究飞机在结冰气象条件下飞行时，不同部件迎风表面和探测仪器的机外传感部分的结冰形态、结冰容限及其防冰技术的地面试验。结冰气象条件产生的核心部件是结冰云雾发生装置，结冰云雾发生装置是利用安装在结冰风洞喷雾段中喷雾设备上的喷嘴阵列生成的，结冰云雾的参数是利用调节喷雾设备的供水、供气的压力、温度来实现的。

结冰供水设备供水压力调节的目标是在较短的时间内将所有喷雾杆上的喷嘴供水压力同步调节到一个指定值。当前在国内外结冰风洞中喷雾系统的供水压力调节的方法主要有以下三种：1）使用单一供水压力源给所有喷雾杆上的喷嘴直接供水，压力参数调节量单一，调节速度快，但无法消除由于喷雾杆之间高度差形成的压力偏差，该方法适合喷雾杆高度差较小的小尺寸的结冰风洞。2）使用单一供水压力源，通过多个调节阀接入各个不同高度的喷雾杆，通过调节阀完成不同高度喷雾杆的压力一致性调节。但是，各个调节阀同时调节时存在参数相互耦合干扰，调节时间长，参数偏差波动较大。适合中等规模的结冰风洞。3）使用多个供水压力源分别对各个不同高度的喷雾杆进行独立供水，各个喷雾杆的压力独立进行调节，调节参数单一，但设备的规模大，各个调节设备硬件偏差要求高，适合较大尺寸的结冰风洞。

然而，在实验室使用喷雾系统进行飞机测试结冰试验时，由于试验件尺寸以及考核项目均有所差异，传统固定式供水系统均需要花费较长时间调节供水压力，不利于进行短时长的飞机测试结冰试验。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提供了一种用于飞机测试的结冰试验供水系统及供水方法。

本发明的技术方案为：用于飞机测试的结冰试验供水系统，包括保温箱、加热水箱、供水组件、喷雾组件和控制柜；保温箱下端设置有底板，底板下端设置有移动轮；

加热水箱内部设置有加热翅片，加热水箱顶端活动设置有盖板，盖板上活动铰接有检修盖；

供水组件包括进水管、总供水管、回水管、多级高压离心泵和变频电机，多级高压离心泵和变频电机均设置在底板上，且变频电机为多级高压离心泵提供动力，进水管设置在加热水箱侧壁靠下位置，且进水管贯穿保温箱；总供水管一端与加热水箱侧壁底端连接导通，另一端与多级高压离心泵的输入端连接，回水管一端与总供水管连接导通，另一端与加热水箱顶端连接导通，回水管上设置有流量阀和流量计；

喷雾组件包括喷雾耙管、喷头架和高压喷头，喷雾耙管一端与多级高压离心泵的输出端连接，另一端与回水管连接导通；喷雾耙管上设置有多个喷雾支管，各个喷雾支管上均设置有电磁比例调节阀，喷雾耙管上连接有供气管路，供气管路的自由端贯穿保温箱，且供气管路上设置有控制阀；喷头架设置在保温箱的侧壁上；高压喷头的数量与喷雾支管的数量对应一致，各个高压喷头分别与各个喷雾支管一一对应连接，且各个高压喷头均活动卡接在喷头架上；

控制柜设置在底板上，控制管内部设置有PLC控制器，PLC控制器分别与加热翅片、流量阀、流量计、多级高压离心泵、变频电机、电磁比例调节阀和控制阀电性连接。

进一步地，加热水箱内部设置有液位传感器和温度传感器，液位传感器和温度传感器分别与PLC控制器电性连接；通过设置液位传感器能够对加热水箱内部的储水量进行精准控制，通过设置温度传感器有利于对加热水箱内部纯水的加热温度进行控制，从而有利于提高飞机测试结冰试验效率。

进一步地，加热翅片上下并列设置有两组，加热翅片倾斜设置，且上下并列设置的两组加热翅片的倾斜方向相反；两组加热翅片的两端通过连接板连接，底板内部设置有升降电机，加热水箱内部两侧均转动卡接有升降丝杠，两个升降丝杠底端贯穿加热水箱后延伸至底板内部，且两个升降丝杠底端均设置有连接带轮，升降电机的输出轴上设置有主带轮，主带轮与连接带轮之间通过皮带传动，两个连接板分别与两个升降丝杠螺纹连接，升降电机与PLC控制器电性连接；通过设置两组倾斜方向相反的加热翅片，利用升降电机带动升降丝杠旋转，从而使两组加热翅片在连接板的作用下沿加热水箱的内壁上下移动，不仅能够提高纯水的加热效率，而且能够能够保证加热后纯水温度的均匀性。

进一步地，加热水箱内部靠上位置滑动卡接有定容板，定容板套设在两个升降丝杠上，定容板与加热水箱内顶部之间设置有阻尼弹簧；回水管通过螺纹伸缩管与定容板连接；通过设置定容板，使得定容板能够随加热水箱内部储水量而上下移动，从而减少了加热水箱内部气体与纯水的热交换，减少热量的损失。

进一步地，总供水管与加热水箱连接处设置有放空阀，底板上设置有收集箱，收集箱与总供水管之间通过排水支管连接导通；收集箱与加热水箱之间通过循环管连接导通，收集箱与循环管连接处设置有微型吸泵，微型吸泵与PLC控制器电性连接；通过设置收集箱，便于在试验结束后，对总供水管内部残留的水分进行收集，避免总供水管内部残留的水分对二次试验出水温度产生影响。

进一步地，喷头架上滑动卡接有调节板，高压喷头活动卡接在调节板上，高压喷头与喷雾支管连接处设置有补偿软管，调节板靠近加热水箱的一侧设置有两个齿条，加热水箱外壁上与调节板位置对应处设置有微型电机，微型电机两侧的输出轴上均设置有小齿轮，两个小齿轮与两个齿条一一对应啮合连接，微型电机与PLC控制器电性连接；利用微型电机带动小齿轮转动，利用小齿轮与齿条啮的啮合作用实现调节板在喷头架上的移动，从而便于在飞机测试结冰试验过程中根据试验件的高度对高压喷头的高度进行调节，有利于提高飞机测试结冰试验的效率。

进一步地，高压喷头设置有9个，9个高压喷头呈三阶矩阵分布在调节板上，位于调节板下方的三个高压喷头分别与喷雾支管连接，竖直方向上相邻的两个高压喷头之间通过渐变管连接，通过设置9个高压喷头，有利于提高高压喷头的喷雾面积；通过设置渐变管能够减小竖直方向上相邻两个高压喷头的压力差。

进一步地，调节板靠近加热水箱的一侧设置有摆动盘，各个高压喷头分别活动卡接在摆动盘上，调节板上设置有摆动电机，摆动电机上设置有摆动凸轮，摆动凸轮与摆动盘抵接，调节板上与摆动电机相对的一侧设置有复位弹簧，复位弹簧与摆动盘抵接，摆动电机与PLC控制器电性连接；利用摆动电机带动摆动凸轮旋转，从而使摆动盘带动各个高压喷头在水平面上往复摆动，进一步改善了高压喷头的喷雾面积，减少了保温箱在实验室内的移动频率。

进一步地，调节板上转动卡接有调节圈，摆动电机、复位弹簧均设置在调节圈上，调节板上设置有调节电机，调节电机的输出轴上设置有调节齿轮，调节圈边沿处设置有齿牙，调节齿轮与齿牙啮合连接；调节电机与PLC控制器电性连接，利用调节电机带动调节圈转动，使摆动凸轮能够在摆动盘周向各个方向往复性推动摆动盘，从而能够对高压喷头的喷射方向进行全方位调节。

本发明还提供了一种用于飞机测试的结冰试验供水方法，包括以下步骤：

S1、将进水管与实验室纯水设备连接，为加热水箱内注水；然后将加热翅片与外部电源连接，通过PLC控制器控制加热翅片启动，对纯水进行加热；

S2、将多级高压离心泵和变频电机分别与外部电源连接；通过PLC控制器控制多级高压离心泵和变频电机启动，利用多级高压离心泵使加热后的纯水依次通过总供水管、喷雾耙管和喷雾支管进入高压喷头；同时将供气管路与外部气源连接，通过PLC控制器调节控制阀的开度，对供气管路的压力进行调节；开始进行飞机测试的结冰试验；

S3、试验过程中，经过总供水管的纯水一部分通过回水管进入加热水箱内部；通过流量计测定进入喷雾耙管的供水流量，通过PLC控制器调节流量阀的开度，从而实现喷雾耙管供水压力的调节；同时，当喷雾耙管供水压力不足时，PLC控制器控制多级高压离心泵转速加快，增加供水量，迫使总供水管压力上升；反之，当喷雾耙管供水压力过高时，多级高压离心泵转速减慢，减小供水量，迫使喷雾耙管压力下降，以保持总供水管供水压力恒定；

S4、通过PLC控制器调节各个电磁比例调节阀的开度，从而消除各个高压喷头之间的压力差值，使各个高压喷头的供水压力保持一致。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几点：

第一、本发明系统结构设计合理，总供水管从多级高压离心泵到喷雾耙管分为两个支路，一路给高压喷头供水，另一支路通过回水管循环进入加热水箱，能够实现加热水箱内部水温的均匀性；同时在回水管上设置流量阀和流量计，能够实现总供水管管口压力和供水量的动态调节；

第二、本发明选用多级高压离心泵为喷雾耙管供压，同时采用变频电机作为多级高压离心泵的动力源，使得多级高压离心泵的转速能够根据喷雾耙管的出水压力进行实时调节，保证了总供水管恒压供水，从而使得高压喷头的喷雾效果更加稳定；

第三、通过在各个喷雾支管上设置电磁比例调节阀，利用电磁比例调节阀消除各个喷雾支管之间的压力差值，实现了各个高压喷头供水压力的一致性，进而提高了高压喷头喷雾的均匀性；

第四、本发明的供水压力调节方式高效、便捷，对于进行短时长的飞机测试结冰试验具有显著的促进作用，从而有利于促进航天事业的发展。

附图说明

图1是本发明的供水方法流程图；

图2是本发明实施例1的结构示意图；

图3是本发明保温箱的内部结构示意图；

图4是本发明的加热翅片与加热水箱的连接示意图；

图5是本发明的喷头架与保温箱的连接示意图；

图6是本发明的高压喷头与调节板的连接示意图；

图7是本发明的高压喷头在调节板上的分布图；

图8是本发明的摆动盘、调节圈与调节板的连接示意图；

其中，1-保温箱、10-底板、11-移动轮、2-加热水箱、20-加热翅片、200-连接板、21-盖板、22-检修盖、23-升降电机、230-升降丝杠、24-定容板、240-阻尼弹簧、3-供水组件、30-进水管、31-总供水管、310-放空阀、311-排水支管、312-收集箱、313-循环管、314-微型吸泵、32-回水管、320-流量阀、321-流量计、322-螺纹伸缩管、33-多级高压离心泵、34-变频电机、4-喷雾组件、40-喷雾耙管、41-喷头架、410-调节板、411-齿条、42-高压喷头、420-渐变管、43-喷雾支管、430-电磁比例调节阀、44-供气管路、440-控制阀、45-微型电机、450-小齿轮、46-摆动盘、460-摆动电机、461-摆动凸轮、462-复位弹簧、47-调节圈、48-调节电机、5-控制柜。

具体实施方式

实施例1

如图2所示的用于飞机测试的结冰试验供水系统，包括保温箱1、加热水箱2、供水组件3、喷雾组件4和控制柜5；保温箱1下端设置有底板10，底板10下端设置有移动轮11；

如图2、3所示，加热水箱2内部设置有加热翅片20，加热水箱2顶端活动设置有盖板21，盖板21上活动铰接有检修盖22；

如图2、3、5所示，供水组件3包括进水管30、总供水管31、回水管32、多级高压离心泵33和变频电机34，多级高压离心泵33和变频电机34均设置在底板10上，且变频电机34为多级高压离心泵33提供动力，进水管30设置在加热水箱2侧壁靠下位置，且进水管30贯穿保温箱1；总供水管31一端与加热水箱2侧壁底端连接导通，另一端与多级高压离心泵33的输入端连接，回水管32一端与总供水管31连接导通，另一端与加热水箱2顶端连接导通，回水管32上设置有流量阀320和流量计321；

如图2、3、5所示，喷雾组件4包括喷雾耙管40、喷头架41和高压喷头42，喷雾耙管40一端与多级高压离心泵33的输出端连接，另一端与回水管32连接导通；喷雾耙管40上设置有9个喷雾支管43，各个喷雾支管43上均设置有电磁比例调节阀430，喷雾耙管40上连接有供气管路44，供气管路44的自由端贯穿保温箱1，且供气管路44上设置有控制阀440；喷头架41设置在保温箱1的侧壁上；高压喷头42的数量与喷雾支管43的数量对应一致，各个高压喷头42分别与各个喷雾支管43一一对应连接，且各个高压喷头42均活动卡接在喷头架41上；

如图2所示，控制柜5设置在底板10上，控制管5内部设置有PLC控制器，PLC控制器分别与加热翅片20、流量阀320、流量计321、多级高压离心泵33、变频电机34、电磁比例调节阀430和控制阀440电性连接；PLC控制器、加热翅片20、流量阀320、流量计321、多级高压离心泵33、变频电机34、电磁比例调节阀430和控制阀440均为市售产品。

实施例2

本实施例记载的是实施例1的用于飞机测试的结冰试验供水系统的供水方法，包括以下步骤：

S1、将进水管30与实验室纯水设备连接，为加热水箱2内注水；然后将加热翅片20与外部电源连接，通过PLC控制器控制加热翅片20启动，对纯水进行加热；

S2、将多级高压离心泵33和变频电机34分别与外部电源连接；通过PLC控制器控制多级高压离心泵33和变频电机34启动，利用多级高压离心泵33使加热后的纯水依次通过总供水管31、喷雾耙管40和喷雾支管43进入高压喷头42；同时将供气管路44与外部气源连接，通过PLC控制器调节控制阀440的开度，对供气管路44的压力进行调节；开始进行飞机测试的结冰试验；

S3、试验过程中，经过总供水管31的纯水一部分通过回水管32进入加热水箱2内部；通过流量计321测定进入喷雾耙管40的供水流量，通过PLC控制器调节流量阀320的开度，从而实现喷雾耙管40供水压力的调节；同时，当喷雾耙管40供水压力不足时，PLC控制器控制多级高压离心泵33转速加快，增加供水量，迫使总供水管31压力上升；反之，当喷雾耙管40供水压力过高时，多级高压离心泵33转速减慢，减小供水量，迫使喷雾耙管40压力下降，以保持总供水管31供水压力恒定；

S4、通过PLC控制器调节各个电磁比例调节阀430的开度，从而消除各个高压喷头42之间的压力差值，使各个高压喷头42的供水压力保持一致。

实施例3

本实施例与实施例1不同之处在于：

如图2所示，加热水箱2内部设置有液位传感器和温度传感器，液位传感器和温度传感器分别与PLC控制器电性连接，液位传感器和温度传感器均为市售产品。

实施例4

本实施例记载的是实施例3的用于飞机测试的结冰试验供水系统的供水方法，与实施例2不同之处在于：

步骤S1中，利用液位传感器监测加热水箱2内注水高度，当注水高度达到设定值时，停止注水；利用温度传感器监测纯水温度，当纯水温度达到设定值时，通过PLC控制器控制加热翅片20关闭。

实施例5

本实施例与实施例1不同之处在于：

如图2、4所示，加热翅片20上下并列设置有两组，加热翅片20倾斜设置，且上下并列设置的两组加热翅片20的倾斜方向相反；两组加热翅片20的两端通过连接板200连接，底板10内部设置有升降电机23，加热水箱2内部两侧均转动卡接有升降丝杠230，两个升降丝杠230底端贯穿加热水箱2后延伸至底板10内部，且两个升降丝杠230底端均设置有连接带轮，升降电机23的输出轴上设置有主带轮，主带轮与连接带轮之间通过皮带传动，两个连接板200分别与两个升降丝杠230螺纹连接；升降电机23与PLC控制器电性连接，升降电机23为市售产品。

实施例6

本实施例记载的是实施例5的用于飞机测试的结冰试验供水系统的供水方法，与实施例2不同之处在于：

步骤S1中，加热翅片20加热过程中，利用升降电机23带动升降丝杠230旋转，从而使两组加热翅片20在连接板200的作用下沿加热水箱2的内壁上下移动。

实施例7

本实施例与实施例1不同之处在于：

如图2所示，加热水箱2内部靠上位置滑动卡接有定容板24，定容板24套设在两个升降丝杠230上，定容板24与加热水箱2内顶部之间设置有阻尼弹簧240；回水管32通过螺纹伸缩管322与定容板24连接。

实施例8

本实施例与实施例1不同之处在于：

如图2、3所示，总供水管31与加热水箱2连接处设置有放空阀310，底板10上设置有收集箱312，收集箱312与总供水管31之间通过排水支管311连接导通；收集箱312与加热水箱2之间通过循环管313连接导通，收集箱312与循环管313连接处设置有微型吸泵314，微型吸泵314与PLC控制器电性连接，放空阀310、微型吸泵314为市售产品。

实施例9

本实施例记载的是实施例8的用于飞机测试的结冰试验供水系统的供水方法，与实施例2不同之处在于，还包括S5，

S5、试验结束后，通过PLC控制器控制放空阀310关闭，控制微型吸泵314开启，利用排水支管311将总供水管31内部残留的水分吸入收集箱312，然后通过循环管313通入收集箱312内并对其进行收集。

实施例10

本实施例与实施例1不同之处在于：

如图5、6、8所示，喷头架41上滑动卡接有调节板410，高压喷头42活动卡接在调节板410上，高压喷头42与喷雾支管43连接处设置有补偿软管，调节板410靠近加热水箱2的一侧设置有两个齿条411，加热水箱2外壁上与调节板410位置对应处设置有微型电机45，微型电机45两侧的输出轴上均设置有小齿轮450，两个小齿轮450与两个齿条411一一对应啮合连接，微型电机45与PLC控制器电性连接，微型电机45为市售产品。

实施例11

本实施例记载的是实施例10的用于飞机测试的结冰试验供水系统的供水方法，与实施例2不同之处在于：

步骤S2中，根据试验件的高度，通过PLC控制器控制微型电机45启动，利用微型电机45带动小齿轮450转动，利用小齿轮450与齿条411啮的啮合作用实现调节板410在喷头架41上的移动，从而对高压喷头42的高度进行调节。

实施例12

本实施例与实施例1不同之处在于：

如图7所示，高压喷头42设置有9个，9个高压喷头42呈三阶矩阵分布在调节板410上，位于调节板410下方的三个高压喷头42分别与喷雾支管43连接，竖直方向上相邻的两个高压喷头42之间通过渐变管420连接。

实施例13

本实施例与实施例1不同之处在于：

如图6、8所示，调节板410靠近加热水箱2的一侧设置有摆动盘46，各个高压喷头42分别活动卡接在摆动盘46上，调节板410上设置有摆动电机460，摆动电机460上设置有摆动凸轮461，摆动凸轮461与摆动盘46抵接，调节板410上与摆动电机460相对的一侧设置有复位弹簧462，复位弹簧462与摆动盘46抵接，摆动电机460与PLC控制器电性连接，摆动电机460为市售产品；

如图6、8所示，调节板410上转动卡接有调节圈47，摆动电机460、复位弹簧462均设置在调节圈47上，调节板410上设置有调节电机48，调节电机48的输出轴上设置有调节齿轮，调节圈47边沿处设置有齿牙，调节齿轮与齿牙啮合连接；调节电机48与PLC控制器电性连接，调节电机48为市售产品。

实施例14

本实施例记载的是实施例13的用于飞机测试的结冰试验供水系统的供水方法，与实施例2不同之处在于：

步骤S3中，试验过程中，通过PLC控制器控制摆动电机460、调节电机48启动，利用摆动电机460带动摆动凸轮461旋转，从而使摆动盘46带动各个高压喷头42在水平面上往复摆动；利用调节电机48带动调节圈47转动，使摆动凸轮461能够在摆动盘46周向各个方向往复性推动摆动盘46，从而能够对高压喷头42的喷射方向进行全方位调节。