一种常规高超声速风洞气流余热利用系统的制作方法

本实用新型涉及高超声速风洞余热利用领域，具体涉及一种常规高超声速风洞气流余热利用系统。

背景技术：

常规高超声速风洞是以纯净空气为工作介质和以对流方式加热的高超声速风洞，是高超声速飞行器研制必备的试验设备。上世纪50年代，为了满足高超声速飞行器研制需要，人们开始建造常规高超声速风洞，自此以后，随着高超声速飞行器的不断发展，常规高超声速风洞一直处于改造和建设之中，设备的规模越来越大。以风洞喷管的出口尺寸计，常规高超声速风洞从最初的200～300mm量级，发展到目前的1000～1200mm量级。展望今后高超声速飞行器的发展，美国已经对2400～3000mm量级常规高超声速风洞提出建设需求。

但是，随着风洞尺寸的增加，风洞运行所耗费的能源迅速增加。以常规高超声速风洞在马赫数5至8时所需的加热功率为例，不同尺寸的风洞所需加热功率为：500～700mm量级，所需加热功率约6～8兆瓦；2400～3000mm量级，所需加热功率约250～320兆瓦。

如何在满足高超声速飞行器试验对风洞尺寸要求的条件下，节省风洞运行时的能量消耗，已成为常规高超声速风洞设计技术发展必须考虑的重要问题。

目前，国内外的常规高超声速风洞设计中均未考虑气流余热的利用。对于采用蓄热式加热的常规高超声速风洞，王铁进等在2016年发表的关于未来大型常规高超声速风洞的方案研究中，对于2400～3000mm量级的风洞，提出了一种余热回收的方法，如图1所示，其过程如下：低温的风洞气流沿箭头方向首先经过风洞换热器，然后通过加热器加热，气流达到一定温度，满足实验要求，接着气流进过风洞本体，完成试验功能，但实验过程中气流流量不变，只消耗部分动能和热能，然后，气流流出风洞本体，经过风洞换热器时，将部分热能转换给刚进入风洞换热器的低温的风洞气流。经过风洞换热器后，气流被排入大气。该方案仅仅实现了风洞工作时，气流中剩余热量的回收，而无法实现风洞停止工作后，加热器内剩余热量的回收。风洞加热器中剩余的热量与风洞运行时所消耗的热量相当，但在目前的风洞设计中，为了保护加热器，在试验结束后，通常采用通气冷却的方式，将加热器内的热量排入大气中散发掉。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种常规高超声速风洞气流余热利用系统，其对常规高超声速风洞设备的改动最小，不影响原设备的性能；实现了对风洞加热器和风洞本体的冷却，不但充分利用了加热器的余热，而且利用了风洞其他部件的剩余热量。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种常规高超声速风洞气流余热利用系统，所述余热利用系统包括余热存储系统、循环换热系统、测量控制系统以及两个截止阀；两个所述截止阀分别设置在风洞进气管道上风洞换热器前以及风洞排气管道上风洞换热器后；所述余热存储系统包括换热器以及与所述换热器连接的存储容器和介质；所述循环换热系统包括动力系统、传输介质、介质补充器、阀门和管路；所述介质补充器、换热器以及所述动力系统通过所述管路依次连接，形成所述循环换热系统的气流通道，将此通道的两端分别通过所述阀门与风洞进气管道和排气管道相连，与风洞进气管道相连的接口在风洞换热器前，和排气管道相连的接口在风洞换热器后；所述测量控制系统包括主机、可编程控制器、测控软件、显示器、控制柜、传感器以及连接线路，用于状态监测、状态转换的控制、安全控制以及状态数据的测量、处理。

进一步，所述循环换热系统的气流通道和风洞进气管道及排气管道连接的接口处分别采用三通连接，各处管道的连接均采用法兰连接。

进一步，在所述循环换热系统运行前，两个所述阀门关闭，气流通道充入所述传输介质。

本实用新型具有以下有益技术效果：

(1)本申请对常规高超声速风洞设备的改动最小，不影响原设备的性能；

(2)实现了对风洞加热器和风洞本体的冷却，不但充分利用了加热器的余热，而且利用了风洞其他部件的剩余热量；

(3)保护了设备的安全，减少了维护成本，延长了维护时间及其使用寿命；

(4)实现了节能和冷却两种功能的结合。

附图说明

图1为现有技术中常规高超声速风洞余热利用系统的结构示意图；

图2为本实用新型中常规高超声速风洞余热利用系统的结构示意图。

具体实施方式

下面，参考附图，对本实用新型进行更全面的说明，附图中示出了本实用新型的示例性实施例。然而，本实用新型可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本实用新型全面和完整，并将本实用新型的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

由于大型常规高超声速风洞是一种复杂的多系统紧密配合的综合设备，参数多且指标高，建设和运行费用高。一般情况下，风洞建成后，经过运行调试，性能确定以后，不允许进行与性能无关的改动。因此，余热利用要保证对于风洞设备的性能影响最小。

在分析、总结现有余热利用技术的基础上，本专利结合运行时气流余热利用方法和常规高超声速风洞通常采用的设备冷却方法，提出了一套对加热器余热利用的新系统。

如图2所示，本实用新型提供了一种常规高超声速风洞气流余热利用系统，该余热利用系统包括余热存储系统、循环换热系统、测量控制系统以及两个截止阀；两个截止阀分别设置在风洞进气管道上风洞换热器前以及风洞排气管道上风洞换热器后；余热存储系统包括换热器以及与换热器连接的存储容器和介质；循环换热系统包括动力系统、传输介质、介质补充器、阀门和管路；介质补充器、换热器以及动力系统通过管路依次连接，形成循环换热系统的气流通道，将此通道的两端分别通过阀门与风洞进气管道和排气管道相连，与风洞进气管道相连的接口在风洞换热器前，和排气管道相连的接口在风洞换热器后；测量控制系统包括主机、可编程控制器、测控软件、显示器、控制柜、传感器以及连接线路，用于状态监测、状态转换的控制、安全控制以及状态数据的测量、处理。

本申请的循环换热系统的气流通道和风洞进气管道及排气管道连接的接口处分别采用三通连接，各处管道的连接均采用法兰连接。在循环换热系统运行前，两个阀门关闭，气流通道充入传输介质。

本实用新型的常规高超声速风洞气流余热利用系统的工作过程如下：

(1)测量控制系统监测风洞运行状态，风洞停止运行后，关闭风洞主管道上新增加的两个截止阀门；这时加热器，风动本体和风洞换热器及其连接管道组成一个封闭的气流通道；由于风洞已停止工作，管道内没有流动；加热器还有大量的余热。(2)主管道两个阀门关闭后，打开循环换热系统的气流通道上的两个阀门；这时，加热器，风动本体和风洞换热器及其连接管道组成一个封闭的气流通道，与循环换热系统的气流通道连通；传输介质逐渐充满整个通道。(3)启动动力系统，使循环换热系统工作；传输介质在整个通道内形成流动，将加热器上的剩余热量带走，经过余热存储系统的换热器时，放出热量，变成低温气流，从而实现加热器余热的回收。(4)控制系统监控余热存储系统和风洞加热器的状态，判断是否增加余热存储系统和风洞加热器的余热是否达到设定值。(5)风洞加热器的余热达到设定值后，关闭动力系统，关闭循环换热系统阀门。

本申请中涉及的测量控制系统属于本领域的常规测控系统，在此不再赘述。

上面所述只是为了说明本实用新型，应该理解为本实用新型并不局限于以上实施例，符合本实用新型思想的各种变通形式均在本实用新型的保护范围之内。