CN106768811B - 高频感应风洞真空压力调节***及压力调节方法 - Google Patents
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Abstract
高频感应风洞真空压力调节***及压力调节方法，真空压力调节***包括200升/秒真空泵、300升/秒真空泵、600升/秒真空泵、1800升/秒真空泵、5000升/秒真空泵、低真空挡板阀、高真空挡板阀、真空计、掺气阀、第一压力传感器、第二压力传感器和电动截止阀。当高频感应风洞需要低真空度时(即20～100kpa)，前三组抽力较小的真空泵运行；当高频感应风洞需要高真空度时(即≤20kpa)，五组真空泵同时运行，实现最大抽力，满足风洞运行需要。本发明主要应用于高频感应风洞真空压力调节，实现高频感应加热风洞大功率点火、长时间运行等技术要求。
Description
技术领域
本发明涉及高频感应风洞真空压力调节***及压力调节方法，属于航天地面模拟试验风洞技术领域。
背景技术
高频感应加热风洞是为了满足高焓、高热流而研发的新型地面防热试验平台，它具有流场稳定、加热气体纯净、高焓值等特点，是一种新型航天地面防热模拟试验技术。为保证此风洞的运行，真空条件是决定性因素之一。高频感应风洞真空压力调节的控制方法正是保证试验点火和运行的关键技术。
由于高频感应风洞需要高真空启动，同时又需要在低真空环境中进行长时间试验，现有技术的高频感应风洞大多数满足不了100Pa以下高真空启动，会频繁损坏加热器主体器件，且点火成功率较低。当点火成功后，现有技术又不能及时调节真空环境(即在高真空与低真空之间自由切换)，使试验达不到所需的各项参数状态。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供高频感应风洞真空压力调节***及压力调节方法，实现高频感应加热风洞所需的真空试验环境，能够在高真空与低真空之间自由切换，保证其顺利点火和长时间试验的稳定运行。
本发明的技术解决方案是：高频感应风洞真空压力调节***，包括200升/秒真空泵、300升/秒真空泵、600升/秒真空泵、1800升/秒真空泵、5000升/秒真空泵、低真空挡板阀、高真空挡板阀、真空计、掺气阀、第一压力传感器、第二压力传感器和电动截止阀；
高频感应风洞通过管路和真空计一端连接，真空计另一端同时与掺气阀的一端和高真空挡板阀进口连接，高真空挡板阀的出口通过管路依次连接5000升/秒真空泵和1800升/秒真空泵，1800升/秒真空泵与低真空挡板阀的一个出口连接，掺气阀的另一端与低真空挡板阀的进口连接，低真空挡板阀的另一个出口通过管路依次连接600升/秒真空泵、300升/秒真空泵和200升/秒真空泵，200升/秒真空泵通过消音器与大气连接；
储水池通过进水管路与300升/秒真空泵和1800升/秒真空泵的进水口连接，所述进水管路上依次设置有第一压力传感器、电动截止阀和第二压力传感器，1800升/秒真空泵的出水口与600升/秒真空泵的进水口连接，300升/秒真空泵的出水口与200升/秒真空泵的进水口连接，600升/秒真空泵的出水口以及200升/秒真空泵的出水口通过出水管路与储水池连接。
还包括上位机控制***、PLC、温度传感器和压力传感器，PLC采集每一个真空泵的电流、电压数据，并传输给上位机控制***，温度传感器采集每一个真空泵的温度并传输给上位机控制***，压力传感器采集每一个真空泵的冷却水压力，上位机控制***在真空泵的电流、电压、温度或冷却水压力超过预设的阈值时进行报警。
所述真空压力调节***设计有防电磁干扰的屏蔽隔离措施，且在真空泵和PLC之间、PLC和温度传感器之间、PLC和压力传感器之间均设计有光电隔离模块。
还包括变频参数控制模块，用于设置或改变各个真空泵的变频参数。
利用所述真空压力调节***进行压力调节的方法，包括以下步骤：
(5.1)运行低真空模式时，打开低真空挡板阀，关闭高真空挡板阀，开启200升/秒真空泵，使试验段真空度到40～50Kpa，开启300升/秒真空泵，待试验段真空度达到20～30Kpa，开启600升/秒真空泵，使试验段静压稳定在20Kpa；
(5.2)运行高真空模式时，重复步骤(5.1)，待试验段静压稳定在20Kpa时，关闭低真空挡板阀，打开高真空挡板阀，开启1800升/秒真空泵，待试验段真空度达到0.8Kpa以下且稳定不变时，开启5000升/秒真空泵，真空泵组抽气到设备极限真空。
所述步骤(5.2)中设备极限真空压力小于等于100Pa。
本发明与现有技术相比的优点如下：
(1)本发明通过双通路设计，实现低真空运行和高真空运行两种模式，满足高频感应风洞各种要求下的静压要求。普通真空泵组只有单一的通路模式，不具备两种模式的互相切换，不能满足高频感应风洞的试验要求。
(2)本发明通过对真空泵进行防电磁干扰设计，满足在高频干扰环境下的正常工作，控制核心部位以及距离高频感应设备较近部位进行特殊防电磁屏蔽材料包裹。相比普通真空泵组，在无保护状态下被电磁干扰将导致控制模块失效或损坏，使机组无法正常运行。
(3)本发明中所用真空泵组通过高真空模式实测静压可达到100Pa以下，满足高频感应风洞的试验要求，此种真空压力调节控制设计针对高真空度需求，尤其在地面防热试验领域有很重要的实用价值。
附图说明
图1为本发明的设计示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明高频感应风洞真空压力调节***包括200升/秒真空泵1、300升/秒真空泵2、600升/秒真空泵3、1800升/秒真空泵4、5000升/秒真空泵5、低真空挡板阀6、高真空挡板阀7、真空计8、掺气阀9、第一压力传感器10、第二压力传感器11和电动截止阀12。
高频感应风洞通过管路和真空计8一端连接，真空计8另一端同时与掺气阀9的一端和高真空挡板阀7进口连接，高真空挡板阀7的出口通过管路依次连接5000升/秒真空泵5和1800升/秒真空泵4，1800升/秒真空泵4与低真空挡板阀6的一个出口连接，掺气阀9的另一端与低真空挡板阀6的进口连接，低真空挡板阀6的另一个出口通过管路依次连接600升/秒真空泵3、300升/秒真空泵2和200升/秒真空泵1，200升/秒真空泵1通过消音器与大气联通；
储水池通过进水管路与300升/秒真空泵2和1800升/秒真空泵4的进水口连接，所述进水管路上依次设置有第一压力传感器10、电动截止阀12和第二压力传感器11，1800升/秒真空泵4的出水口与600升/秒真空泵3的进水口连接，300升/秒真空泵2的出水口与200升/秒真空泵1的进水口连接，600升/秒真空泵3的出水口以及200升/秒真空泵1的出水口通过出水管路与储水池连接。
每个真空泵的电流、电压数据采集通过PLC连入上位机控制***，上位机控制***设置上限值进行预警。真空泵冷却水压力通过压力传感器采集后连入上位机控制***，真空泵温度通过温度传感器采集后连入上位机控制***，上位机控制***设置上限值进行预警。所有数据均实时采集形成文档保存。
每个真空泵采用防电磁干扰保护设计，且在真空泵和PLC之间、PLC和各传感器之间设计有光电隔离模块，信号通路采用金属屏蔽线，重要部位如各种传感器，数据采集设备以及控制芯片等采用特殊防电磁屏蔽材料包裹。
本发明还进一步设置有变频参数控制模块，用于设置或改变各个真空泵的变频参数，以保证高精准度调节。
本发明低真空模式运行指标为试验真空环境为20～100kpa；高真空模式运行指标：试验真空环境为≤20kpa。当高频感应风洞需要低真空度时(即20～100kpa)，前三组抽力较小的真空泵运行；当高频感应风洞需要高真空度时(即≤20kpa)，五组真空泵同时运行，实现最大抽力，满足风洞运行需要。具体来说，本发明的真空压力调节方法如下：
在运行低真空模式时，打开低真空挡板阀6，关闭高真空挡板阀7，开启200升/秒真空泵1，使试验段真空度到40～50Kpa区间，开启300升/秒真空泵2，待试验段真空度达到20～30Kpa区间，开启600升/秒真空泵3，试验段静压稳定在20Kpa，满足低真空模式条件。
在运行高真空模式时，重复低真空模式操作，待试验段静压稳定在20Kpa时，关闭低真空挡板阀6，打开高真空挡板阀7，开启1800升/秒真空泵4，待试验段真空度达到0.8Kpa以下且稳定不变，开启5000升/秒真空泵5。在不改变变频参数的情况下，真空泵组将抽气到设备极限真空(实测即≤100Pa)。
为了进一步提高***的自动化程度，本发明的真空压力调节***在高真空运行模式时除了上面提到的手动逐级启动方式，还有高真空自动控制方式。在高真空自动控制方式中，200升/秒真空泵、300升/秒真空泵、600升/秒真空泵、1800升/秒真空泵、5000升/秒真空泵每一组泵可以通过直接点击对应图标进行启停操作。也可通过点击高真空启动按钮，每组泵在完成自启动情况下，自动启动下一组真空泵组，依次完成五组泵的全部启动。每组泵的启停通过PLC连接控制面板，由上位机操作界面控制，同时试验现场设有操纵柜的直接机械控制。高真空自动控制模式，只需在停机状态下点击高真空自动控制8，***将自动完成高真空模式启动操作，达到极限真空度并稳定压力。在高真空模式下，改变变频参数，可以使真空机组在5Kpa以下范围任意参数保持真空压力值。
本发明采用高真空模式与低真空模式的双通路设计，在600升/秒真空泵、1800升/秒真空泵之间设置分支通路，通过挡板阀隔离，低真空模式下开启挡板阀，高真空状态下关闭挡板阀；在5000升/秒真空泵后设置挡板阀，低真空模式下关闭挡板阀，高真空状态下开启挡板阀。两通路同时连接高频感应风洞洞体。在抽吸量较小的三组真空泵运行时，实现了低真空的稳定运行；通过两组挡板阀的操作，改变气路通道，实现五组真空泵同时运行，达到抽吸真空量最大，实现风洞高真空状态。在高真空模式下，通过调节5000升/秒真空泵的变频器，实现高真空度的精确调节。同时又加入了现代化设计，实现自动化控制和手动控制的自由切换。通过对每组真空泵电压、电流、冷却水温度等信号的监控，做到了运行状态的实时监控，也为试验运行提供了必要的运行保障。高频感应技术具有强电磁干扰特点，会对周围金属和导体产生加热和强型号干扰，此发明针对这一特点，在控制设计中采用了电磁屏蔽的保护，有效地隔离了高频感应风洞试验对真空设备的电磁干扰。
本发明能够实现高频感应加热风洞所需的真空试验环境，保证其顺利点火和长时间试验的稳定运行。同时根据试验需要对洞体内真空环境进行精确调整，并对运行过程中的各项真空参数进行监控和预警。针对高频感应风洞强电磁干扰的特点，设计中进行了防电磁干扰的屏蔽隔离措施，解决信号的干扰与失真。本发明已经经过试验验证，能满足高频感应风洞真空压力要求，在航天气动热试验领域具有重要用途。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
Claims (4)
1.高频感应风洞真空压力调节***，其特征在于：包括200升/秒真空泵(1)、300升/秒真空泵(2)、600升/秒真空泵(3)、1800升/秒真空泵(4)、5000升/秒真空泵(5)、低真空挡板阀(6)、高真空挡板阀(7)、真空计(8)、掺气阀(9)、第一压力传感器(10)、第二压力传感器(11)和电动截止阀(12)；
高频感应风洞通过管路和真空计(8)一端连接，真空计(8)另一端同时与掺气阀(9)的一端和高真空挡板阀(7)进口连接，高真空挡板阀(7)的出口通过管路依次连接5000升/秒真空泵(5)和1800升/秒真空泵(4)，1800升/秒真空泵(4)与低真空挡板阀(6)的一个出口连接，掺气阀(9)的另一端与低真空挡板阀(6)的进口连接，低真空挡板阀(6)的另一个出口通过管路依次连接600升/秒真空泵(3)、300升/秒真空泵(2)和200升/秒真空泵(1)，200升/秒真空泵(1)通过消音器与大气连接；
储水池通过进水管路与300升/秒真空泵(2)和1800升/秒真空泵(4)的进水口连接，所述进水管路上依次设置有第一压力传感器(10)、电动截止阀(12)和第二压力传感器(11)，1800升/秒真空泵(4)的出水口与600升/秒真空泵(3)的进水口连接，300升/秒真空泵(2)的出水口与200升/秒真空泵(1)的进水口连接，600升/秒真空泵(3)的出水口以及200升/秒真空泵(1)的出水口通过出水管路与储水池连接；
还包括上位机控制***、PLC、温度传感器和压力传感器，PLC采集每一个真空泵的电流、电压数据，并传输给上位机控制***，温度传感器采集每一个真空泵的温度并传输给上位机控制***，压力传感器采集每一个真空泵的冷却水压力，上位机控制***在真空泵的电流、电压、温度或冷却水压力超过预设的阈值时进行报警；
还包括变频参数控制模块，用于设置或改变各个真空泵的变频参数。
2.根据权利要求1所述的高频感应风洞真空压力调节***，其特征在于：所述真空压力调节***设计有防电磁干扰的屏蔽隔离措施，且在真空泵和PLC之间、PLC和温度传感器之间、PLC和压力传感器之间均设计有光电隔离模块。
3.利用权利要求1所述真空压力调节***进行压力调节的方法，其特征在于包括以下步骤：
(5.1)运行低真空模式时，打开低真空挡板阀(6)，关闭高真空挡板阀(7)，开启200升/秒真空泵(1)，使试验段真空度到40～50Kpa，开启300升/秒真空泵(2)，待试验段真空度达到20～30Kpa，开启600升/秒真空泵(3)，使试验段静压稳定在20Kpa；
(5.2)运行高真空模式时，重复步骤(5.1)，待试验段静压稳定在20Kpa时，关闭低真空挡板阀(6)，打开高真空挡板阀(7)，开启1800升/秒真空泵(4)，待试验段真空度达到0.8Kpa以下且稳定不变时，开启5000升/秒真空泵(5)，真空泵组抽气到设备极限真空。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤(5.2)中设备极限真空压力小于等于100Pa。
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