一种移动式航空发动机多态尾气分析装置及其数采方法与流程

1.本发明属于航空发动机高空试验技术领域，尤其涉及一种移动式航空发动机多态尾气分析装置及其数采方法。


背景技术：

2.航空发动机是当今世界上最复杂的、多学科集成的工程机械系统之一，具有研制周期长、资金投入大等特点，被誉为现代工业的“皇冠”。随着技术的逐步发展和战术要求指标的不断提升，航空发动机的结构越来越复杂，研发风险越来越高，这使得研制过程中模拟试验的重要性越来越突出。通过试验不仅可以在设计阶段提前暴露发动机的设计缺陷，在定型阶段考核和验证发动机的实际性能是否符合设计预期，还可以通过试验过程中测取的数据建立发动机及其试验测试流程的的仿真模型，并对模型进行校核和迭代，为无实物仿真试验做技术储备，可节省大量人力物力财力。从某种意义上来讲，试验测试的能力和水平在一定程度上体现和决定了航空发动机的研制水平。
3.测试航空发动机的空中性能主要包括实际空中飞行试验和地面高空模拟试验两种方式。相较于前者，高空模拟试验模拟范围更宽、可得参数更多、可重复性强、省时省力、同时安全系数更高。所以目前更多采用地面高空模拟试验作为主要测试方式。因此试验舱的设计和改进对试验能力的提升有着重要而独特的作用。
4.然而，目前航空发动机高空模拟试验中对尾气分析方面研究成果较少，已难以适应日益增长的试验能力需要，因此亟需一种新的分析装置用于解决航空发动机燃烧室内航空煤油燃烧情况的了解分析。


技术实现要素：

5.针对相关技术中存在的不足之处，本发明提供了一种移动式航空发动机多态尾气分析装置及其数采方法，其中，移动式航空发动机多态尾气分析装置具有结构设计合理、检测效率高、精度高等特点，能够解决目前尚无相对成熟的航空发动机尾气分析装置的技术问题。
6.本发明提供一种移动式航空发动机多态尾气分析装置，包括烟气分析仪校验模块、数据采集分析模块、plc控制器和多台上位机，plc控制器与烟气分析仪校验模块通信连接，多台上位机分别连接plc控制器和航空发动机，其中，烟气分析仪校验模块进一步包括：
7.标准气瓶组，其瓶口处连接输送气路，用于提供多种标准气体，
8.真空泵，连接标准气瓶组，用于控制气瓶内的标准气体输出，
9.压缩反吹阀，设置于标准气瓶组与真空泵之间，与真空泵配合将标准气体排空，
10.烟气分析仪，经输气管路连接所述标准气瓶组的出气端，通过标准气体进行浓度标定，
11.第一控制阀门组，设置于标准气瓶组与烟气分析仪之间的输送气路上，用于控制输送气路的通断。
12.在其中一些实施例中，标准气瓶组中至少包括8个标准气瓶，每个气瓶瓶口处连接第一输送气路，并在每个第一输送气路上安装手阀，各个第一输送气路连通第二输送气路，用于提供多种标准气体；
13.第一控制阀门组包括依次设置于所述标准气瓶组与烟气分析仪之间的输送气路上排空阀、手阀和减压阀。
14.在其中一些实施例中，标准气瓶组内的标准气体为氮中氧气、氮中一氧化碳、氮中二氧化碳、氮中一氧化氮、氮中二氧化氮、氮中甲烷、氮中二氧化碳+氧化氮；
15.其中，氮中氧气的含量分别为6％、10％和18％，氮中一氧化碳的含量分别为100ppm、300ppm和800ppm，氮中二氧化碳的含量分别为5％、10％和20％，氮中一氧化氮的含量分别为100ppm、300ppm和800ppm，氮中二氧化氮的含量分别为100ppm和800ppm，氮中甲烷的含量分别为1％，氮中二氧化碳+氧化氮中氮中二氧化碳的含量为30％、氧化氮的含量800ppm。
16.在其中一些实施例中，数据采集分析模块进一步包括：
17.高温气流测头装置，固定于高空试验舱室内，用于采集航空发动机的尾气，
18.真空泵，连接高温气流测头装置，用于控制尾气输出，
19.压缩反吹阀，设置于高温气流测头装置与真空泵之间，用于与真空泵配合将尾气排空，
20.烟气分析仪，经输气管路连接高温气流测头装置的气体出口，用于分析尾气成分，并将尾气数据传输至plc控制器，
21.第二控制阀门组，设置于高温气流测头装置与烟气分析仪之间的输送气路上，用于控制输送气路的通断。
22.在其中一些实施例中，高温气流测头装置为耙式高温气流测头装置，其为头部锥形、杆身l型的12孔气动探针，经螺栓固定于高空试验舱室内，其位置设置于距离航空发动机尾喷管排气出口10cm处，且孔口与航空发动机尾喷管出口相对设置且气动中心方向与气流轴线方向保持一致。
23.在其中一些实施例中，第二控制阀门组包括依次设置于高温气流测头装置与烟气分析仪之间的输送气路上排空阀和手阀。
24.在其中一些实施例中，上位机中还包括数据采集分析软件，分别与所述烟气分析仪校验模块、数据采集分析模块和上位机通信连接，所述数据采集分析软件中添加修正参数，用于减小试验误差；
25.多台上位机包括连接所述plc控制器的第一上位机、与航空发动机通信连接的第二上位机，所述第一上位机和第二上位机之间通信连接。
26.本发明还提供了一种数据采集方法，利用上述任一实施例所述的的移动式航空发动机多态尾气分析装置进行，包括以下步骤：
27.校验阶段：采用烟气分析仪校验模块通过标准气体检验烟气分析仪是否存在检测偏差，得到校验数据；
28.尾气分析阶段：采用数据采集分析模块对航空发动机尾气进行测定与成分分析，得到实际尾气成分数据；
29.拟合分析阶段：将校验数据与实际尾气成分数据进行拟合分析，从而实现航空发
动机尾气分析。
30.在其中一些实施例中，校验阶段进一步包括以下步骤：
31.试验开始，关闭压缩反吹阀；
32.根据行业标准，设计标准气体浓度参数；
33.利用减压装置调节所述烟气分析仪入口的压力，并对烟气分析仪进行气体浓度标定；
34.标定后，进行烟气分析仪偏差检测，得到校验数据；
35.检测结束后，将压缩反吹阀打开，同时关闭手阀，利用真空泵产生的压力将管路内的气体吹出，以防止管路内残留气体对下个气瓶的校验产生影响；
36.其中，在所述偏差检测过程中，当存在偏差时，利用烟气分析上位机进行测量曲线拟合、参数整定，直至不存在偏差后，再切换至高空台尾气入口进入尾气分析阶段；
37.当不存在偏差时，直接切换高空台尾气入口进入尾气分析阶段。
38.在其中一些实施例中，尾气分析阶段进一步包括以下步骤：
39.试验开始，关闭所述压缩反吹阀，利用高温气流测头装置进行航空发动机尾气收集；
40.利用真空泵产生负压环境将收集到的尾气送入烟气分析仪中进行检测，得到实际尾气成分数据；
41.将校验数据与实际尾气成分数据进行拟合分析，从而实现航空发动机尾气分析。
42.与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：
43.1、本发明提出的移动式航空发动机多态尾气分析装置及数采方法，主要包括烟气分析仪校验模块和数据采集分析模块两大模块，以及与其相配合的plc控制器和上位机等，能在非试验时对整个烟气分析仪进行校准测试，通过拟合算法将拟合值(即修正参数)写入软件进行补偿，从而减小试验误差；
44.2、本发明提出的移动式航空发动机多态尾气分析装置及数采方法，在试验时可以将航空发动机在高空模拟环境下的燃油燃烧情况进行尾气分析，对关键数值进行可设置的均值计算，结合测试的其他关键数据进行数据存储及分析；
45.3、本发明提出的移动式航空发动机多态尾气分析装置为可移动式的设置也极大的提高了对各类不同试验进行分析的能力，填补了航空发动机高空模拟试验对燃油燃烧状况分析判断的空白；
46.4、本发明提出的移动式航空发动机多态尾气分析装置具有结构设计合理、检测效率高、精度高等特点，能够解决目前尚无相对成熟的航空发动机尾气分析装置的技术问题。
附图说明
47.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
48.图1为本发明移动式航空发动机多态尾气分析装置一个实施例中烟气分析仪校验模块的结构示意图；
49.图2为本发明移动式航空发动机多态尾气分析装置一个实施例中数据采集分析模块的结构示意图；
50.图3为本发明移动式航空发动机多态尾气分析装置一个实施例中的整体结构示意图；
51.图4为利用本发明移动式航空发动机多态尾气分析装置进行数据采集的工作流程示意图。
52.以上各图中：
53.1、标准气瓶组；2、真空泵；3、压缩反吹阀；4、烟气分析仪；5、排空阀；6、手阀；7、减压阀；8、高温气流测头装置；9、三通快插；10、探针毛细管；11、热电偶；12、压力变送器；13、发动机尾喷管；14、速度、压力传感器；15、plc控制器；16、第一上位机；17、第二上位机。
具体实施方式
54.下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
55.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“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发明和简化描述，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发明的限制。
56.术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
57.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
58.如附图1-2所示，在本发明移动式航空发动机多态尾气分析装置的一个示意性实施例中，该移动式航空发动机多态尾气分析装置包括烟气分析仪校验模块、数据采集分析模块、plc控制器15和多台上位机，plc控制器15与烟气分析仪校验模块通信连接，多台上位机分别连接plc控制器15和航空发动机，其中，烟气分析仪校验模块进一步包括：
59.标准气瓶组1，其瓶口处连接输送气路，用于提供多种标准气体，
60.真空泵2，连接所述标准气瓶组，用于控制气瓶内的标准气体输出，
61.压缩反吹阀3，设置于标准气瓶组1与真空泵2之间，与真空泵1配合将标准气体排空，
62.烟气分析仪4，经输气管路连接标准气瓶组1的出气端，通过标准气体进行浓度标定，
63.第一控制阀门组，设置于标准气瓶组1与烟气分析仪4之间的输送气路上，用于控制输送气路的通断。
64.数据采集分析模块进一步包括：
65.高温气流测头装置8，固定于高空试验舱室内，用于采集航空发动机的尾气，
66.真空泵2，连接高温气流测头装置8，用于控制尾气输出，
67.压缩反吹阀3，设置于高温气流测头装置8与真空泵2之间，用于与真空泵2配合将尾气排空，
68.烟气分析仪4，经输气管路连接高温气流测头装置8的气体出口，用于分析尾气成分，并将尾气数据传输至plc控制器15，
69.第二控制阀门组，设置于高温气流测头装置8与烟气分析仪4之间的输送气路上，用于控制输送气路的通断。
70.在上述示意性实施例中，本发明提出一种移动式航空发动机多态尾气分析装置，该分析装置主要包括烟气分析仪校验模块和数据采集分析模块两大模块，以及与其相配合的plc控制器和多台上位机等，该分析装置能够完成以下几个方面的工作：(1)非试验阶段：该装置能在非试验时对整个烟气分析仪进行校准测试，通过拟合算法将拟合值(即修正参数)写入软件进行补偿，从而减小试验误差；(2)试验阶段：该装置能在试验时可以将航空发动机在高空模拟环境下的燃油燃烧情况进行尾气分析，对关键数值进行可设置的均值计算，结合测试的其他关键数据(第二上位机17用于接收航空发动机的其他关键数据)进行数据存储及分析。下面将针对上述提到的几大模块进行展开分析：
71.一方面，关于烟气分析仪校验模块：
72.在一些实施例中，标准气瓶组1中至少包括8个标准气瓶，每个气瓶瓶口处连接第一输送气路，并在每个第一输送气路上安装手阀，各个第一输送气路连通第二输送气路，用于提供多种标准气体；
73.进一步地，标准气瓶组1内的标准气体为氮中氧气、氮中一氧化碳、氮中二氧化碳、氮中一氧化氮、氮中二氧化氮、氮中甲烷、氮中二氧化碳+氧化氮；
74.其中，氮中氧气的含量分别为6％、10％和18％，氮中一氧化碳的含量分别为100ppm、300ppm和800ppm，氮中二氧化碳的含量分别为5％、10％和20％，氮中一氧化氮的含量分别为100ppm、300ppm和800ppm，氮中二氧化氮的含量分别为100ppm和800ppm，氮中甲烷的含量分别为1％，氮中二氧化碳+氧化氮中氮中二氧化碳的含量为30％、氧化氮的含量800ppm。此处需要说明的是，结合图1所示的结构示意图，本发明未对8个标准气瓶中具体存放何种标准气体进行明确限定，本领域技术人员可依据实际情况进行选择，这并不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
75.在一些实施例中，第一控制阀门组包括依次设置于标准气瓶组1与烟气分析仪4之间的输送气路上排空阀5、手阀6和减压阀7。
76.在上述实施例中，在试验过程中，压缩反吹阀4和排空阀5是关闭状态，当校验阶段的试验结束后(或完成一种气体的校验后)，打开压缩反吹阀4和排空阀5，在排空阀5与真空泵2相互配合之下，将残留在管路内的气体排空，以避免残留气体对后续试验的影响，减压阀7起到控制气体压力的作用，能够达到均压、稳流的目的。
77.另一方面，关于数据采集分析模块：
78.高温气流测头装置8为耙式高温气流测头装置，具体来说是一种头部锥形、杆身l型的12孔气动探针，经螺栓固定于高空试验舱室内，其位置设置于距离航空发动机尾喷管排气出口10cm处，且孔口与航空发动机尾喷管13出口相对设置且气动中心方向与气流轴线
方向保持一致。
79.第二控制阀门组包括依次设置于高温气流测头装置8与烟气分析仪4之间的输送气路上排空阀5和手阀6，同样，在试验过程中，压缩反吹阀4和排空阀5是关闭状态，当尾气分析阶段的试验结束后，打开压缩反吹阀4和排空阀5，在排空阀5与真空泵2相互配合之下，将残留在管路内的尾气气体排空，以避免残留气体影响后续试验。
80.此外，本发明所提供的移动式航空发动机多态尾气分析装置中的上位机中还包括数据采集分析软件，分别与烟气分析仪校验模块、数据采集分析模块和上位机通信连接，数据采集分析软件中添加修正参数，用于减小试验误差；
81.多台上位机包括连接plc控制器的第一上位机16(即图4中的烟气分析上位机)、与航空发动机通信连接的第二上位机17(即图4中的测试系统上位机)，且两台上位机之间通信连接，其中，第二上位机用于接收测定航空发动机的进口压力、进口温度、进口湿度、燃油流量、转速、排温空气流量、排温、推力以及大气压力等关键参数。
82.本发明还提供了一种数据采集方法，利用如上述实施例所述的移动式航空发动机多态尾气分析装置进行，其工作流程如图4所示，包括以下步骤：
83.(1)校验阶段：采用烟气分析仪校验模块通过标准气体检验烟气分析仪4是否存在检测偏差，得到校验数据；
84.(2)尾气分析阶段：采用数据采集分析模块对航空发动机尾气进行测定与成分分析，得到实际尾气成分数据；
85.(3)拟合分析阶段：将校验数据与实际尾气成分数据进行拟合分析，从而实现航空发动机尾气分析。
86.需要补充说明的是，本发明所提供的数采方法中配备了主动校准装置(即数据采集分析模块)，对应航空发动机尾气分析所需要的8种不同气体，分别配置了8种标准气进行烟气分析仪4的校验，得到校验数据，通过将标准器的校验数据与尾气实际数据进行拟合分析，在上位机软件中添加修正参数以减少误差。
87.此外，本发明进气流场通过耙式气流测头监测装置8采集航空发动机排气出口的尾气数，传输至烟气分析仪4，烟气分析仪4将数据通过bn25传输至plc控制器15，再由plc控制器15进行数据解析后通过tcp传输至第一上位机16的labview软件中，labview软件同时接受plc控制器15和其他测试机传来的航空发动机状态数据，关键数据可按需求取平均数，若存在尾气数据不佳的情况，labview软件会自动发出报警信号，以方便试验人员对高度、马赫数等一系列控制数据进行调整。
88.在一些实施例中，校验阶段进一步包括以下步骤：
89.试验开始，关闭压缩反吹阀3；
90.根据行业标准，设计标准气体浓度参数；
91.利用减压装置调节所述烟气分析仪4入口的压力，并对烟气分析仪4进行气体浓度标定；
92.标定后，进行烟气分析仪4偏差检测，得到校验数据；
93.检测结束后，将压缩反吹阀3打开，同时关闭手阀6，利用真空泵2产生的压力将管路内的气体吹出，以防止管路内残留气体对下个气瓶的校验产生影响；
94.其中，在偏差检测过程中，当存在偏差时，利用烟气分析上位机进行测量曲线拟
合、参数整定，直至不存在偏差后，再切换至高空台尾气入口进入尾气分析阶段；
95.当不存在偏差时，直接切换高空台尾气入口进入尾气分析阶段。
96.在一些实施例中，尾气分析阶段进一步包括以下步骤：
97.试验开始，关闭压缩反吹阀3，利用高温气流测头装置8进行航空发动机尾气收集；
98.利用真空泵2产生负压环境将收集到的尾气送入烟气分析仪4中进行检测，得到实际尾气成分数据；
99.将校验数据与实际尾气成分数据进行拟合分析，从而实现航空发动机尾气分析。
100.最后应当说明的是：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
101.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。