一种用于超声速燃烧直联台的异丁烷供给系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及异丁烷供给系统，特别涉及一种用于超声速燃烧直联台的异丁烷供给 系统。
【背景技术】
[0002] 为了能够在地面进行高超声速飞行器的实验模拟研宄，需要建立一套高超声速飞 行器的实验设备，该设备能够为高超声速飞行器或者超燃冲压发动机提供模拟飞行状态中 的总焓、马赫数以及组分相似的空气流场。高超声速飞行器在高空的飞行中，空气来流具有 高焓、高马赫数、高压等特点，其马赫数通常在6以上，总温可达1800K。目前针对高超声速 飞行的超燃冲压发动机的研宄实验平台主要自由射流实验系统与直联式超声速燃烧实验 系统，二者都需要提供一个能够模拟高焓、高压、高马赫数的组分类似的空气来流。其中，高 马赫数的气流可通过超声速喷管将气流加速获得，高焓气流需要对空气进行加热。常见的 空气加热方法有电阻电热、电弧加热、燃烧加热、激波加热与蓄热式加热等。在这些加热方 式中，激波加热的实验时间非常短。电阻加热能够连续加热，得到纯净空气，但是加热温度 较低，通常在1000K以下。电弧加热受限制于加热功率而无法获得高温、大流量的空气。蓄 热式加热能够获得纯净空气但是的温度较低且无法持续加热。燃烧加热的方法常见的有氢 气燃烧、酒精燃烧等。目前，中科院力学所拥有多套成熟的氢气和氧气燃烧加热空气的超声 速燃烧直联台。
[0003] 鉴于目前实验需求，需要开展长时间的超声速燃烧实验，为此需要大量的氢气和 氧气进行燃烧来持续对空气加热。但是，由于氢气密度很小，并且通常氢气用钢瓶存储，通 过计算发现一次长时间实验需要准备的氢气钢瓶数量约为200瓶，如此巨大的数目对于氢 气的存储、运输和使用都带来很大的不便。并且长时间在实验室里存放如此多的高压氢气 瓶也为实验室的安全带来隐患。考虑到以上原因，考虑采用液态燃料燃烧来替代氢气。在 标况下，液态燃料的密度比气态燃料的密度要高出3个数量级，将液态燃料用于超声速燃 烧直联台的空气加热系统便可以轻易解决使用氢气带来的上述不便。现有液态燃料超燃直 联台采用的是酒精，但是酒精燃烧密度较低，对空气加热的温度较低，故考虑选则燃烧热值 更高的碳氢燃料用于超燃烧直联台。异丁烷作为一种常见的碳氢燃料，在常温下为液态，其 分子结构也很稳定，是液化气的主要成分之一，在化工上比较容易获得纯净的异丁烷。鉴于 异丁烷的以上优点，选择异丁烷作为超声速燃烧直联台的新型燃料。然而，现有技术中尚不 存在在超声速燃烧直联台上使用异丁烷燃烧加热空气的异丁烷供给系统。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于超声速燃烧直联台的异丁烷供给系 统，所述系统包括异丁烷储罐、低温液体泵、管路与阀门配件和控制系统，其中，
[0005] 所述异丁烷储罐的接口包括进液口、出液口、气相口、回流口、放空口和排污口；
[0006] 所述低温液体栗包括单栗头和双栗头两台异丁fei栗；
[0007] 异丁烷从泵出来之后，所述管路与阀门配件共分成两路：第一路为在紧急情况下 将异丁烷排放出去，这一路主要包括两个阀门，阀门VI为一个截止阀，用于打开或者关闭 丁烷排放通道，阀门V3为一个压力调节阀，通过调整它的关闭度来改变压力；第二路为将 丁烷供给到超声速燃烧试验台进行点火实验；
[0008] 所述控制系统分为就地和远程二种控制模式：就地控制模式为泵及现场设备的运 行与监控由提供的控制系统单独完成操作；远程控制模式是指现场设备的运行与监控由提 供的设备的上位机或DCS进行操作。
[0009] 进一步地，所述异丁烷储罐还配有安全阀、液位计、压力表和温度表以监测罐内异 丁烷的状态并保证安全。
[0010] 进一步地，所述异丁烷储罐的容积为5m3。
[0011] 进一步地，所述单泵头和双泵头两台异丁烷泵的流量范围分别为：50~120g/s和 100 ~240g/s〇
[0012] 进一步地，所述第二路上面具有一个截止阀V2,用于控制打开或者关闭。
[0013] 进一步地，所有的管路外面首先包裹了一层泡沫塑料用于隔热（厚度约5cm)，发 泡剂外面再包裹一层白色的塑料薄膜（厚度〇. 1_)，用于防止辐射散热还能起到一定的保 护作用。
[0014] 进一步地，所述泡沫塑料的厚度约5cm，所述塑料薄膜的厚度为0. 1mm。
[0015] 进一步地，所述控制系统的控制流程为：
[0016] 首先启动完毕，VI将直接开启；
[0017] VI开启后2S运行所选择的低温液体泵，此时V2是关闭状态，泵将根据实际的流 量反馈进行反线性运行，即流量接近上限设定值时泵的运行频率接近"〇Hz"，当流量的实 际值接近下限的设定值时泵的运行频率接近50Hz，其中流量的实际控制数值的范围约在 ±2. 5% ;
[0018] 泵运行的同时，"V3-压力"线性控制将直接启动，该控制组合作用就是控制管路系 统中的压力保持在一定的范围之内，以上的控制逻辑运行后，泵便运行，VI将直接开启，V3 将控制管路中的压力，变频电机控制管路内的质量流量，系统整体运行进入待命状态；
[0019] 用户启动点火的信号被控制系统接受后，系统将延时20ms关闭VI，同时完全关闭 执行机构V3;
[0020] 控制系统选择停机后，首先将停止低温液体泵的运行，开启VI阀和V3,此时V3开 启为最大，10S延时后关闭V2阀，停机程序结束。
[0021] 一种所述用于超声速燃烧直联台的异丁烷供给系统的运行方法，所述方法包括如 下步骤：
[0022] (1)打开异丁烷储罐，利用异丁烷的自然流动，对异丁烷泵进行预冷，使得整个泵 体的温度降下来，持续15分钟，等到泵头处开始出现结霜现象，异丁烷泵预冷完毕；
[0023] (2)打开排放阀门VI与调压阀门V3,启动异丁烷泵，泵头开始供给异丁烧，对排放 管路进行预冷，排放管开始排放丁烷气体，等到排放管开始完全出液后，排放管预冷完成， 停止丁烷泵；
[0024] (3)关闭排放阀门VI，打开截止阀V2,启动异丁烷泵，对实验管路进行预冷，由于 异丁烷在温度一定的情况下压力较高时为液态，在管路中安装了压力传感器，当异丁烷压 力增加到1. 5MPa以上时，异丁烷流量稳定，压力不再上升，预冷完成；
[0025] (4)由于异丁烷属于易燃气体，为了防止扩散，在供给管路预冷完成之后，不用停 止异丁烷泵，直接进行点火实验，继续保持排放阀门VI关闭，打开供给阀门V2,通过控制系 统设定丁烷流量，向超声速燃烧试验台供给异丁烷，进行实验；
[0026] (5)实验完成后，停止异丁烷泵，关闭供给阀V2,打开排放阀门VI，将管路中剩余 的异丁烷排放出去，最后关闭所有的阀门，整套异丁烷系统运行完毕。
[0027] 本发明的优点在于，通过使用本系统的控制输出能够使得异丁烷流量与控制的模 拟电压信号呈现良好的线性关系，从而实现了超声速燃烧直联台实验中异丁烷流量的精确 供给，完成了采用异丁烷作为燃料的新型超声速燃烧直联台的研发。
【附图说明】
[0028] 图1为异丁烷储罐外形图。
[0029] 图2为单泵头异丁烷泵外形图。
[0030] 图3为双泵头异丁烷泵外形图。
[0031] 图4为异丁烧控制系统流程图。
[0032] 图5为实验测量异丁烷流量与电压关系曲线。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合附图对本发明提供的用于超声速燃烧直联台的异丁烷供给系统的具体 实施方式做详细说明。
[0034] 异丁