一种射流预冷装置水系统及其供水控制方法与流程

1.本技术属于航空发动机射流预冷技术领域，特别涉及一种射流预冷装置水系统及其供水控制方法。


背景技术：

2.射流预冷装置水系统的功能是为射流预冷装置提供满足一定射流流量、射流压力、射流温度和清洁度的水介质。水系统能否稳定、可靠工作将会对射流预冷装置的功能产生重要影响。
3.现有技术中，在文献场景分析在射流预冷水系统方案设计中的应用中通过引入场景分析技术，可以获得较为完备的射流预冷水系统功能指标，设计的水系统流量调节范围为0.5kg/s～2kg/s，供水压力为0.5mpa～3mpa；在文献射流预冷装置温降与流阻特性试验研究中通过设计水介质增压系统，可向预冷装置提供0.7kg/s～2.7kg/s的水介质。然而现有技术还存在以下缺陷：现有射流预冷水系统普遍采用单供水支路，直接通过调节水压的方式控制水流量，这将导致水系统功率消耗巨大，远远超过飞机提取功率的限制要求；现有射流预冷水系统由于受到提取功率的限制，流量和压力调节范围普遍偏小，所能提供的水压力偏小，无法向装置提供足够的水介质和保证良好的雾化效果；现有射流预冷水系统不具备协同应急断水能力，断水后憋压可能对水泵造成损伤；另外，现有射流预冷水系统不具备防/除冰措施，无法在寒冷条件下开展射流预冷作业。
4.因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。


技术实现要素：

5.本技术的目的是提供了一种射流预冷装置水系统及其供水控制方法，以解决现有技术存在的至少一个问题。
6.本技术的技术方案是：
7.本技术的第一个方面提供了一种射流预冷装置水系统，射流预冷装置沿进气方向设置有三个喷水截面，前喷水截面、中间喷水截面以及后喷水截面，所述射流预冷装置水系统包括：
8.供水主管路，所述供水主管路的第一端与电加热水箱连接，所述供水主管路由第一端至第二端依次设置有电动球阀以及离心变频水泵；
9.前供水支路，所述前供水支路的第一端与所述供水主管路的第二端连接，所述前供水支路的第二端与射流预冷装置的前喷水截面对应的供水管路连接，所述前供水支路由第一端至第二端依次设置有第一电动调节阀以及第一电动截止阀；
10.中间供水支路，所述中间供水支路的第一端与所述供水主管路的第二端连接，所述中间供水支路的第二端与射流预冷装置的中间喷水截面对应的供水管路连接，所述中间供水支路由第一端至第二端依次设置有第二电动调节阀以及第二电动截止阀；
11.后供水支路，所述后供水支路的第一端与所述供水主管路的第二端连接，所述后
供水支路的第二端与射流预冷装置的后喷水截面对应的供水管路连接，所述后供水支路由第一端至第二端依次设置有第三电动调节阀以及第三电动截止阀；
12.第一回水支路，所述第一回水支路的第一端与所述电加热水箱连接，所述第一回水支路的第二端与所述供水主管路的第二端连接，所述第一回水支路上设置有第四电动调节阀；
13.第二回水支路，所述第二回水支路的第一端与所述电加热水箱连接，所述第二回水支路的第二端与所述供水主管路的第二端连接，所述第二回水支路上设置有第四电动截止阀；
14.排水管路，所述排水管路的第一端与所述供水主管路的第二端连接，所述排水管路上设置有手动球阀；
15.测量单元，所述测量单元设置在各个管路上；
16.控制单元，所述控制单元用于接收各个所述测量单元的测量信号，并根据所述测量信号实现对各个电动阀门的控制。
17.在本技术的至少一个实施例中，还包括吹扫管路，所述吹扫管路的第一端与进气管道连接，所述吹扫管路的第二端与所述离心变频水泵上游的所述供水主管路连接，所述吹扫管路由第一端至第二端依次设置有过滤减压阀以及第五电动截止阀。
18.在本技术的至少一个实施例中，所述测量单元包括流量测量单元、压力测量单元、温度测量单元，其中，
19.所述流量测量单元包括分别设置在所述供水主管路、所述前供水支路、所述中间供水支路以及所述后供水支路上的多个流量计；
20.所述压力测量单元包括分别设置在所述供水主管路、所述前供水支路、所述中间供水支路以及所述后供水支路上的多个压力传感器；
21.所述温度测量单元包括设置在所述供水主管路上的温度传感器。
22.在本技术的至少一个实施例中，还包括过滤器，所述过滤器包括：
23.设置在所述离心变频水泵上游的所述供水主管路上的50μm过滤器，以及所述离心变频水泵下游的所述供水主管路上的30μm过滤器；
24.设置在所述第一电动截止阀下游的所述前供水支路上的第一10μm过滤器；
25.设置在所述第二电动截止阀下游的所述中间供水支路上的第二10μm过滤器；
26.设置在所述第三电动截止阀下游的所述后供水支路上的第三10μm过滤器。
27.在本技术的至少一个实施例中，所述第四电动截止阀与所述第一电动截止阀、所述第二电动截止阀、所述第三电动截止阀通过所述控制单元进行关联，当紧急停止供水时，通过所述控制单元同时控制所述第一电动截止阀、所述第二电动截止阀、所述第三电动截止阀关闭，所述第四电动截止阀打开。
28.本技术的第二个方面提供了一种射流预冷装置供水控制方法，基于如上所述的射流预冷装置水系统，包括：
29.通过所述控制单元实现对各个喷水截面的开启以及流量分配控制：
30.当总供水流量在以下时，仅开启前喷水截面喷水
31.当总供水流量在时，开启前喷水截面以及中间喷水截面喷水，在总供水流量持续增大过程中，维持前喷水截面喷水流量不变，中间喷水截面喷水流量为总供水流量与前喷水截面喷水流量的差值；
32.当总供水流量在时，开启前喷水截面、中间喷水截面以及后喷水截面喷水，在总供水流量持续增大过程中，维持前喷水截面和中间喷水截面喷水流量不变，后喷水截面喷水流量为总供水流量与前喷水截面喷水流量和中间供水截面喷水流量的差值；
33.当总供水流量在以上时，保持前喷水截面、中间喷水截面以及后喷水截面喷水，各个喷水截面喷水流量均为
34.其中，q
max
为水系统最大供水能力，q
总
为总供水流量。
35.发明至少存在以下有益技术效果：
36.本技术的射流预冷装置水系统，
37.a)设计多支路供水方案，配合供水控制方法可显著降低射流预冷水系统的功率消耗；
38.b)能够有效拓宽水系统流量调节范围，增强射流预冷装置的工作性能，同时在全流量范围内均可保证良好雾化效果；
39.c)具备良好的协同应急断水功能，保证射流预冷作业的安全；
40.d)兼具防/除冰功能，使射流预冷装置不受环境因素(温度)限制，具备在冬季开展射流预冷作业的能力。
附图说明
41.图1是本技术一个实施方式的射流预冷装置水系统示意图；
42.图2是本技术一个实施方式的射流预冷装置供水控制流程图。
43.其中：
44.1-电加热水箱；2-电动球阀；3-50μm过滤器；4-第四电动调节阀；5-第四电动截止阀；6-第四流量计；7-第二流量计；8-第一流量计；9-第二电动调节阀；10-第一电动调节阀；11-第二电动截止阀；12-第一电动截止阀；13-第一10μm过滤器；14-第二10μm过滤器；15-第三10μm过滤器；16-第三电动截止阀；17-第三电动调节阀；18-第三流量计；19-手动球阀；20-30μm过滤器；21-离心变频水泵；22-第五电动截止阀；23-过滤减压阀。
具体实施方式
45.为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本技术
一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。下面结合附图对本技术的实施例进行详细说明。
46.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。
47.下面结合附图1至图2对本技术做进一步详细说明。
48.本技术的第一个方面提供了一种射流预冷装置水系统，其中，射流预冷装置沿进气方向设置有三个喷水截面，前喷水截面、中间喷水截面以及后喷水截面，本技术的射流预冷装置水系统用于为该射流预冷装置的三个喷水截面对应的供水管路供水。
49.如图1所示，射流预冷装置水系统包括供水主管路、三个供水支路、两个回水支路、排水管路，还优选设置有吹扫管路。另外，还包括设置在各个管路上的测量单元，以及用于接收各个测量单元的测量信号，并根据测量信号实现对各个电动阀门的控制的控制单元。
50.具体的，供水主管路的第一端与电加热水箱1连接，供水主管路由第一端至第二端依次设置有电动球阀2以及离心变频水泵21。电加热水箱1底部布置了电加温器，冬季作业开始前开启电加温器将水箱内纯水加热。
51.前供水支路的第一端与供水主管路的第二端连接，前供水支路的第二端与射流预冷装置的前喷水截面对应的供水管路连接，前供水支路由第一端至第二端依次设置有第一电动调节阀10以及第一电动截止阀12；中间供水支路的第一端与供水主管路的第二端连接，中间供水支路的第二端与射流预冷装置的中间喷水截面对应的供水管路连接，中间供水支路由第一端至第二端依次设置有第二电动调节阀9以及第二电动截止阀11；后供水支路的第一端与供水主管路的第二端连接，后供水支路的第二端与射流预冷装置的后喷水截面对应的供水管路连接，后供水支路由第一端至第二端依次设置有第三电动调节阀17以及第三电动截止阀16。
52.进一步，第一回水支路的第一端与电加热水箱1连接，第一回水支路的第二端与供水主管路的第二端连接，第一回水支路上设置有第四电动调节阀4；第二回水支路的第一端与电加热水箱1连接，第二回水支路的第二端与供水主管路的第二端连接，第二回水支路上设置有第四电动截止阀5。
53.以及，排水管路的第一端与供水主管路的第二端连接，排水管路上设置有手动球阀19，其中，在整个水系统最低点设置手动球阀19，方便排净水系统剩余水介质。
54.吹扫管路的第一端与进气管道连接，吹扫管路的第二端与离心变频水泵21上游的供水主管路连接，吹扫管路由第一端至第二端依次设置有过滤减压阀23以及第五电动截止阀22。通过过滤减压阀23将由工艺进气管道的高压气体减压，射流预冷试验结束后，打开第四电动截止阀5，工艺气体将离心变频水泵21及其后端管路内的水介质吹出水系统，防止水介质在管路内结冰，从而使水系统兼具防/除冰功能。
55.本技术的射流预冷装置水系统，采用离心变频水泵21供水，供水主管路位于变频
水泵后端分为三个供水支路和两个回水支路，三个供水支路管径相同，分别用于对应射流段的前喷水截面、中间喷水截面、后喷水截面的供水，每个供水支路具有相同压力、流量调节范围。两个回水支路分别由第四电动调节阀4和第四电动截止阀5控制，第四电动调节阀4主要是配合变频水泵进行系统压力调节，同时防止不供水或小流量供水状态下变频水泵内水温过高引起水泵损坏。
56.在本技术的优选实施方式中，测量单元包括流量测量单元、压力测量单元、温度测量单元，在各个管路上安装测量单元，对射流流量、压力、温度进行监测。其中，流量测量单元包括分别设置在供水主管路、前供水支路、中间供水支路以及后供水支路上的多个涡轮流量计；压力测量单元包括分别设置在供水主管路、前供水支路、中间供水支路以及后供水支路上的多个压力传感器；温度测量单元包括设置在供水主管路上的温度传感器。本实施例中，如图1所示，各个流量计包括设置在第一电动调节阀10上游的前供水支路上的第一流量计8、设置在第二电动调节阀9上游的中间供水支路上的第二流量计7、设置在第三电动调节阀17上游的后供水支路上的第三流量计18，以及设置在供水主管路上能够测量三个供水支路的总供水流量的第四流量计6。另外，压力传感器以及温度传感器的布置详见图1，此处不再赘述。
57.在本技术的优选实施方式中，在离心变频水泵21前、后及射流段前端安装过滤器，其中泵后及射流段前端的过滤器应具有较高的过滤精度和较强的承压能力。过滤器具体包括设置在离心变频水泵21上游的供水主管路上的50μm过滤器3，以及离心变频水泵21下游的供水主管路上的30μm过滤器20；设置在第一电动截止阀12下游的前供水支路上的第一10μm过滤器13；设置在第二电动截止阀11下游的中间供水支路上的第二10μm过滤器14；设置在第三电动截止阀16下游的后供水支路上的第三10μm过滤器15。
58.在本技术的优选实施方式中，第四电动截止阀5与第一电动截止阀12、第二电动截止阀11、第三电动截止阀16通过控制单元进行关联，当工作过程中遇到突发情况，需要紧急停止供水时，通过控制单元同时控制第一电动截止阀12、第二电动截止阀11、第三电动截止阀16关闭，第四电动截止阀5打开，从而使水系统具备协同应急断水能力。
59.基于上述的射流预冷装置水系统，本技术的第二个方面提供了一种射流预冷装置供水控制方法，包括：
60.通过控制单元实现对各个喷水截面的开启以及流量分配控制：
61.当总供水流量在以下时，仅开启前喷水截面喷水；
62.当总供水流量在时，开启前喷水截面以及中间喷水截面喷水，在总供水流量持续增大过程中，维持前喷水截面喷水流量不变，中间喷水截面喷水流量为总供水流量与前喷水截面喷水流量的差值；
63.当总供水流量在时，开启前喷水截面、中间喷水截面以及后喷水截面喷水，在总供水流量持续增大过程中，维持前喷水截面和中间喷水截面喷水流量不
变，后喷水截面喷水流量为总供水流量与前喷水截面喷水流量和中间供水截面喷水流量的差值；
64.当总供水流量在以上时，保持前喷水截面、中间喷水截面以及后喷水截面喷水，各个喷水截面喷水流量均为
65.其中，q
max
为水系统最大供水能力，q
总
为总供水流量。
66.本技术的射流预冷装置供水控制方法，三个喷水截面根据总供水流量分别开启并分别调压，保证射流介质在全流量范围内连续可调并具有较好的雾化效果。为了实现水系统在全流量范围内的连续调节，新开启的喷水截面在开启过程中应通过逐渐增大调节阀开度直至完全开启，同时配合提高离心变频水泵21转速降的方式避免引起总供水流量波动过大。各控制变量中q
总
为总供水流量，q
前
为前喷水截面喷水流量，q
中
为中间喷水截面喷水流量，q
后
为后喷水截面喷水流量，q
max
为水系统最大供水能力，三个供水支路最大供水能力均为
67.本技术的射流预冷装置供水控制方法，根据对射流预冷装置水系统的调试经验，当前供水支路压力达到供水支路最大供水能力时压力的三分之一即前喷水截面喷水流量达到时，中间喷水截面喷水开启；在该压力下开启中间喷水截面喷水是从保证雾化效果和降低操控复杂性两个维度考虑；同理当总供水流量达到时，后喷水截面喷水开启。可以理解的是，上述涉及到的参数仅为理论计算值，由于各个供水支路的当量面积在加工过程中存在偏差不尽相同，因此具体参数还应根据实际调试过程确定。
68.本技术的射流预冷装置水系统，假设喷嘴在不同流量状态下的流量系数相同，采用单支路供水方案，为满足一定当量开口面积喷嘴基本的雾化能力，最小喷水量需要的工作压力约为0.25mpa，本水系统最大喷水量为最小喷水量的15倍，根据公式计算得到最大喷水量和最小喷水量的工作压力将相差225倍，最大喷水量时的工作压力约为57mpa，根据公式可知水系统的功率消耗与工作压力成正比，当供水流量一定时，工作压力越大，功率消耗也将越大。
69.薄壁孔口的流量计算公式为：
[0070][0071]
其中，q为流量(m3/s)，δp为孔口前后压差(pa)，a为孔口面积(m2)，ρ为流体的密度(kg/m3)，μ为流量系数(取μ＝0.62)；
[0072]
水系统的功率消耗主要来源于水泵，系统内其它电器元器件消耗极小可以忽略，则水系统功率消耗计算公式为：
[0073]
[0074]
其中，n为水泵轴功率(kw)，qz为喷水质量流量(kg/s)，p为工作压力(mpa)，η为效率。
[0075]
本技术的射流预冷装置水系统及其供水控制方法，采用了宽流量域多支路供水设计方案，水系统各支路流量、压力分别可调，根据总供水流量大小依次开启前、中、后供水支路，最大供水时的工作压力仅为6mpa，大幅降低水系统的功率消耗，使其满足飞机提取功率的限制要求；可显著拓宽水系统流量调节范围，使其不受提取功率的约束，并在全流量范围内提供足够的供水压力，保证装置具备良好的雾化效果；通过将供水管路和回水管路上的电动截止阀关联控制的方式，使水系统具备良好的协同应急断水能力，确保在断水过程中水泵工作状态不受影响；设计有加热装置和吹扫管路，使射流预冷装置具备冬季开展工作的能力。
[0076]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术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技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种射流预冷装置水系统，射流预冷装置沿进气方向设置有三个喷水截面，前喷水截面、中间喷水截面以及后喷水截面，其特征在于，所述射流预冷装置水系统包括：供水主管路，所述供水主管路的第一端与电加热水箱(1)连接，所述供水主管路由第一端至第二端依次设置有电动球阀(2)以及离心变频水泵(21)；前供水支路，所述前供水支路的第一端与所述供水主管路的第二端连接，所述前供水支路的第二端与射流预冷装置的前喷水截面对应的供水管路连接，所述前供水支路由第一端至第二端依次设置有第一电动调节阀(10)以及第一电动截止阀(12)；中间供水支路，所述中间供水支路的第一端与所述供水主管路的第二端连接，所述中间供水支路的第二端与射流预冷装置的中间喷水截面对应的供水管路连接，所述中间供水支路由第一端至第二端依次设置有第二电动调节阀(9)以及第二电动截止阀(11)；后供水支路，所述后供水支路的第一端与所述供水主管路的第二端连接，所述后供水支路的第二端与射流预冷装置的后喷水截面对应的供水管路连接，所述后供水支路由第一端至第二端依次设置有第三电动调节阀(17)以及第三电动截止阀(16)；第一回水支路，所述第一回水支路的第一端与所述电加热水箱(1)连接，所述第一回水支路的第二端与所述供水主管路的第二端连接，所述第一回水支路上设置有第四电动调节阀(4)；第二回水支路，所述第二回水支路的第一端与所述电加热水箱(1)连接，所述第二回水支路的第二端与所述供水主管路的第二端连接，所述第二回水支路上设置有第四电动截止阀(5)；排水管路，所述排水管路的第一端与所述供水主管路的第二端连接，所述排水管路上设置有手动球阀(19)；测量单元，所述测量单元设置在各个管路上；控制单元，所述控制单元用于接收各个所述测量单元的测量信号，并根据所述测量信号实现对各个电动阀门的控制。2.根据权利要求1所述的射流预冷装置水系统，其特征在于，还包括吹扫管路，所述吹扫管路的第一端与进气管道连接，所述吹扫管路的第二端与所述离心变频水泵(21)上游的所述供水主管路连接，所述吹扫管路由第一端至第二端依次设置有过滤减压阀(23)以及第五电动截止阀(22)。3.根据权利要求1所述的射流预冷装置水系统，其特征在于，所述测量单元包括流量测量单元、压力测量单元、温度测量单元，其中，所述流量测量单元包括分别设置在所述供水主管路、所述前供水支路、所述中间供水支路以及所述后供水支路上的多个流量计；所述压力测量单元包括分别设置在所述供水主管路、所述前供水支路、所述中间供水支路以及所述后供水支路上的多个压力传感器；所述温度测量单元包括设置在所述供水主管路上的温度传感器。4.根据权利要求1所述的射流预冷装置水系统，其特征在于，还包括过滤器，所述过滤器包括：设置在所述离心变频水泵(21)上游的所述供水主管路上的50μm过滤器(3)，以及所述离心变频水泵(21)下游的所述供水主管路上的30μm过滤器(20)；
设置在所述第一电动截止阀(12)下游的所述前供水支路上的第一10μm过滤器(13)；设置在所述第二电动截止阀(11)下游的所述中间供水支路上的第二10μm过滤器(14)；设置在所述第三电动截止阀(16)下游的所述后供水支路上的第三10μm过滤器(15)。5.根据权利要求1所述的射流预冷装置水系统，其特征在于，所述第四电动截止阀(5)与所述第一电动截止阀(12)、所述第二电动截止阀(11)、所述第三电动截止阀(16)通过所述控制单元进行关联，当紧急停止供水时，通过所述控制单元同时控制所述第一电动截止阀(12)、所述第二电动截止阀(11)、所述第三电动截止阀(16)关闭，所述第四电动截止阀(5)打开。6.一种射流预冷装置供水控制方法，基于权利要求1至5任意一项所述的射流预冷装置水系统，其特征在于，包括：通过所述控制单元实现对各个喷水截面的开启以及流量分配控制：当总供水流量在以下时，仅开启前喷水截面喷水；当总供水流量在时，开启前喷水截面以及中间喷水截面喷水，在总供水流量持续增大过程中，维持前喷水截面喷水流量不变，中间喷水截面喷水流量为总供水流量与前喷水截面喷水流量的差值；当总供水流量在时，开启前喷水截面、中间喷水截面以及后喷水截面喷水，在总供水流量持续增大过程中，维持前喷水截面和中间喷水截面喷水流量不变，后喷水截面喷水流量为总供水流量与前喷水截面喷水流量和中间供水截面喷水流量的差值；当总供水流量在以上时，保持前喷水截面、中间喷水截面以及后喷水截面喷水，各个喷水截面喷水流量均为其中，q
max
为水系统最大供水能力，q
总
为总供水流量。

技术总结
本申请属于航空发动机射流预冷技术领域，特别涉及一种射流预冷装置水系统及其供水控制方法。本申请的射流预冷装置水系统，采用离心变频水泵供水，供水主管路位于变频水泵后端分为三个供水支路和两个回水支路，三个供水支路管径相同，分别用于对应射流段的前喷水截面、中间喷水截面、后喷水截面的供水，每个供水支路具有相同压力、流量调节范围。本申请设计多支路供水方案，配合供水控制方法可显著降低射流预冷水系统的功率消耗；能够有效拓宽水系统流量调节范围，增强射流预冷装置的工作性能，同时在全流量范围内均可保证良好雾化效果；具备良好的协同应急断水功能，保证射流预冷作业的安全；具备在冬季开展射流预冷作业的能力。能力。能力。


技术研发人员：乔木 黄新禹 薛洪科 黄琨 宁英超 王则
受保护的技术使用者：中国航发沈阳发动机研究所
技术研发日：2023.02.13
技术公布日：2023/6/27