容積式及蒸發(fā)式機載電負載系統(tǒng)研究

摘 要：在飛機動力裝置定型試飛中，往往需要在載機上加裝電負載系統(tǒng)進行模擬加載，以完成對其工作性能考核。文章分別從設(shè)計方案和工作特點兩個方面對容積式及蒸發(fā)式機載電負載系統(tǒng)進行比較，分析其在飛機上實現(xiàn)的各種關(guān)鍵技術(shù)及各自優(yōu)缺點。

關(guān)鍵詞：動力裝置定型試飛；容積式電負載系統(tǒng)；蒸發(fā)式電負載系統(tǒng)；模擬加載

1 概述

在飛機動力裝置定型試飛中，必須進行電氣負載和電源容量測試，同時檢測發(fā)電機過載對發(fā)動機性能的影響，通常使用的測試方式就是在載機上加裝電負載系統(tǒng)進行模擬加載。目前國內(nèi)比較成熟的電負載方案有四種：蒸發(fā)式電負載系統(tǒng)、容積式電負載系統(tǒng)、液冷式電負載系統(tǒng)以及風冷式電負載系統(tǒng)。這幾種負載系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，本文通過重點闡述容積式電負載系統(tǒng)和蒸發(fā)式電負載系統(tǒng)的設(shè)計方案，然后進行比較，分析其在飛機上實現(xiàn)的各種關(guān)鍵技術(shù)及各自特點。

2 容積式電負載系統(tǒng)

容積式電負載系統(tǒng)是一種通過負載單元加熱容積罐內(nèi)液體的方式將電能轉(zhuǎn)換為熱能完全存儲于工作液中的耗能系統(tǒng)。

2.1 設(shè)計方案

容積式電負載系統(tǒng)由采集控制子系統(tǒng)、負載子系統(tǒng)及地面保障子系統(tǒng)組成。

容積式電負載系統(tǒng)工作原理：采集控制系統(tǒng)將輸入的指定值傳送至容積罐內(nèi)的負載單元，負載元件啟動后開始提取飛機動力裝置的電能，同時將信息反饋給采集控制系統(tǒng)，使其以發(fā)電機（或APU發(fā)電機）輸出電流為依據(jù)調(diào)節(jié)負載系統(tǒng)。

采集控制子系統(tǒng)主要由工控機、PLC控制器、接觸器及各類傳感器等構(gòu)成，這些設(shè)備器件集成于貨艙的控制柜內(nèi)，以工控機為核心通過采集壓力、溫度、電流、電壓及液位等信息，對系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控。

負載子系統(tǒng)主要由容積罐組、負載單元以及電動無級可調(diào)的變壓器等組成。該系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)換為熱能，同時對電阻絲溫升帶來的負載變化進行實時微調(diào)，滿足負載加載的精度要求。

負載子系統(tǒng)各個元器件如圖1所示，容積罐組安裝在載機地板上，負載單元安裝于容積罐內(nèi)，罐組間通過管路連通。負載子系統(tǒng)還包含閥門、溫度傳感器、壓力傳感器、注水組件、排水組件等，主要完成蒸餾水存儲、加注、排放、管內(nèi)壓力的保持以及其他輔助功能。

地面保障子系統(tǒng)主要完成任務(wù)開始前蒸餾水的補給及任務(wù)結(jié)束后高溫蒸餾水的排放工作，同時具備再次快速補給室溫蒸餾水的能力。該系統(tǒng)由地面補液罐、地面泵、閥門、控制面板以及相關(guān)運載工具構(gòu)成。

2.2 容積式電負載系統(tǒng)特點

容積式電負載系統(tǒng)將容積罐內(nèi)的蒸餾水加熱來實現(xiàn)能量的消耗，但是由于水的比熱容較低，散熱效果差，整個系統(tǒng)需水量大的驚人。例如，一個功率為100KVA的負載系統(tǒng)安全運行4小時，可以容積罐內(nèi)7噸蒸餾水由25℃加熱至75℃，考慮到低壓沸騰及設(shè)計安全余度等因素，需水量要超出10噸，占用空間大，這在一般的飛機試飛中是不可取的，針對這一特點，我們研制了另一套電負載系統(tǒng)——蒸發(fā)式電負載系統(tǒng)。

3 蒸發(fā)式電負載系統(tǒng)

蒸發(fā)式電負載系統(tǒng)通過將蒸發(fā)罐組中的水加熱汽化排入飛機外部大氣中，由此將熱量帶走，實現(xiàn)負載電能的消耗。

3.1 設(shè)計方案

蒸發(fā)式電負載系統(tǒng)主要由控制子系統(tǒng)、補水排水子系統(tǒng)、負載子系統(tǒng)以及蒸發(fā)耗能子系統(tǒng)等4部分組成。蒸發(fā)式電負載系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

負載系統(tǒng)啟動后，蒸發(fā)罐中負載元件工作，將蒸發(fā)罐組中的水由常溫加熱至沸騰，負載元件繼續(xù)加熱，水吸收熱能后開始汽化由防冰排水口排出到飛機外部大氣中，將熱量帶走，實現(xiàn)負載電能的消耗。蒸發(fā)罐組中的水消耗后水位降低，低至設(shè)定水位后由補水排水子系統(tǒng)進行補水調(diào)節(jié)。整個過程在控制系統(tǒng)的控制下進行。

控制子系統(tǒng)主要由接觸器、繼電器、濾波器以及工控機等組成，工控機負責采集壓力、溫度、電流、電壓、流量等各個傳感器的實時數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析處理，判斷整個系統(tǒng)的實時狀態(tài)，接收用戶命令，實現(xiàn)負載的控制等功能。

補水排水子系統(tǒng)由補水罐、補水泵以及液位傳感器等組成。當液位傳感器采集到各個蒸發(fā)器的液位低于設(shè)定值時，則自動啟動補水泵，由補水箱向蒸發(fā)罐組輸水，使其達到設(shè)定的液位值。

負載子系統(tǒng)主要由安裝在電加熱器罐里面的多個負載元件組成，均分在三個電加熱器罐里。在出現(xiàn)負載不平衡時，系統(tǒng)具有自動切除功能。

蒸發(fā)耗能子系統(tǒng)主要由蒸發(fā)罐組、汽液分離器、壓力活門、壓力傳感器、單向閥以及安全閥等組成。蒸汽達到一定壓力經(jīng)壓力活門通過排放桿排出飛機；壓力活門用于調(diào)節(jié)蒸發(fā)器出口壓力，保持蒸發(fā)罐組內(nèi)外壓差在允許的范圍之內(nèi)，由壓力傳感器來實時檢測管路壓力。

3.2 蒸發(fā)式耗能電負載系統(tǒng)特點

蒸發(fā)式耗能電負載系統(tǒng)避免了容積式電負載系統(tǒng)占用空間龐大，系統(tǒng)后續(xù)試飛工作工程量大的缺點。同時整個系統(tǒng)與飛機本體界面清楚，不改變原機氣動外形、承載能力及艙內(nèi)環(huán)境，重量輕散熱效率高，可以長時間的進行地面和空中試驗。本系統(tǒng)的控制系統(tǒng)先進，所有的操作及系統(tǒng)狀態(tài)信息均在可視化的操作界面上，試飛工程師操縱方便，出現(xiàn)緊急情況時能夠發(fā)現(xiàn)和處理。

4 結(jié)束語

文章介紹了我國常用的容積式電負載系統(tǒng)和蒸發(fā)式電負載系統(tǒng)，通過分析這兩種系統(tǒng)的優(yōu)缺點，針對容積式電負載系統(tǒng)散熱效果差，整個系統(tǒng)需要儲水量大的缺點，引入蒸發(fā)式電負載系統(tǒng)。蒸發(fā)式耗能電負載系統(tǒng)不改變原機氣動外形、承載能力及艙內(nèi)環(huán)境，重量輕散熱效率高，是目前最先進缺點最少的電負載系統(tǒng)。

參考文獻

[1]吳曉輝，等.基于飛機發(fā)電機測試的電負載控制系統(tǒng)[J].航空制造技術(shù)，2011（3）：81-84.

[2]孫新川，仲秦，范蟠果.LabWindows/CVI和PLC技術(shù)下的飛機電負載系統(tǒng)設(shè)計[J].機械與電子，2012（2）：14-18.

作者簡介：蘭莎莎（1982-），女，工程師，本科，從事試驗機改裝設(shè)計與研究工作。

袁剛平（1987-），男，助理工程師，本科，從事試驗機改裝設(shè)計與研究工作。