连续式高速风洞液氮降温供配气系统的制作方法

本发明涉及低温液体输运驱动与控制系统的设计领域，具体是一种用于连续式高速风洞的液氮降温供配气系统。
背景技术：
：雷诺数是风洞实验模拟飞行器实际飞行能力的重要相似参数。从理论上来讲，要使风洞实验能完全模拟真实的飞行状态，就必须使风洞实验和实际飞行的雷诺数保持一致。然而，由于受到模型尺寸、风洞动力设备、能源系统等因素的限制，目前的风洞实验雷诺数还难以达到实际的飞行雷诺数。研制高雷诺数风洞对我国航空工业和国防科技的发展具有重要战略意义和工程应用价值。连续式高速风洞是由轴流压缩机驱动的可连续长时间运行的回流式高速空气动力学实验平台，其流场品质和实验效率远高于常规暂冲式风洞。但由于连续式高速风洞由大功率电机驱动，受能源系统的限制，其实验段雷诺数与实际飞行雷诺数仍有一定差距，不能很好地满足战斗机和大型高速民机模型实验的需求。雷诺数由流体密度、温度、速度和模型尺寸决定，在实验段尺寸与流体介质不易改变的情况下，降温可增大流体密度，减小粘性系数，是一种提高实验雷诺数有效途径。我国目前在低温连续式高速风洞方面尚属空白，因此，研制适用于连续式高速风洞的液氮降温系统及其相关低温实验技术对我国风洞技术创新与武器装备研制具有重要意义。连续式高速风洞降温系统由液氮存储装置、供配气系统、测量系统和控制系统及液氮喷注装置五大子系统组成，其中供配气系统是整体降温系统的核心组成部分，用于气控气与挤推气的制备、存储、调压及供给，为气动电磁阀和液氮储罐提供稳定的控制气源和挤推压力，形成液氮喷入风洞的驱动源。从技术角度讲，挤推方式或液氮泵增压方式均可作为液氮喷入的驱动源。挤推方式的特点是响应快，可以提供稳定的喷前压，不需要较大的驱动动力，适合于短时间间隙工作。由于液氮流量较大，液氮罐自备蒸发器的蒸发量无法满足液氮挤推气量需求，需要在系统运行之前预先储备挤推气；挤推方式驱动要求液氮储罐和管路系统具有较高的工作压力。液氮泵输送方式适合长时间连续工作，但最主要问题是响应较慢，且需要较大的驱动功率。因此，根据连续式高速风洞的结构特点和运行模式，针对挤推输运方案，需要研制一套适用于连续式高速风洞的液氮供配气系统，通过高压气瓶组向液氮储罐提供挤推压力，在储罐与喷嘴间的压差驱动下，将液氮送入风洞。技术实现要素：针对连续式高速风洞的结构特点和运行模式，本发明通过建立液氮喷入量与挤推气压力及流量的匹配关系，提出一套用于连续式高速风洞的液氮供配气系统，解决高压氮气制备与存储、液氮储罐预增压、气控气与挤推气压力、流量控制的技术问题，形成稳定、可靠的阀门控制气源与液氮驱动源。本发明的技术方案为：所述一种连续式高速风洞液氮降温供配气系统，其特征在于：包括液氮低温泵、汽化器、高压气瓶组、配气系统、连接管道和配套阀门；液氮低温泵将储罐内的液氮输送至汽化器，液氮在汽化器内蒸发增压，而后进入高压气瓶组；所述高压气瓶组分为气控气瓶组和挤推气瓶组；所述高压气瓶组总容积满足气控气、储罐预增压和挤推气需要的气量要求；高压气瓶组连接配气系统，配气系统对共计四路气进行压力设定，形成四路出口；其中气控气瓶组对应配气系统两路出口：低压控制气口和高压控制气口；挤推气瓶组对应配气系统两路出口：预增压气口和挤推供气口。进一步的优选方案，所述一种连续式高速风洞液氮降温供配气系统，其特征在于：液氮低温泵排量为250l/h，出口压力为15mpa；汽化器蒸发量为200nm3/h，工作压力为15mpa，出口温度等级：≥5℃；高压气瓶组压力达到目标压力值15mpa后，液氮低温泵停止运行，氮气制备工作完成。进一步的优选方案，所述一种连续式高速风洞液氮降温供配气系统，其特征在于：高压气瓶组由27只相同的分层堆叠式布置的高压气瓶组成，单只气瓶的容积为0.12m3，总容积为3.24m3，工作压力为15mpa；其中气控气瓶组由2只气瓶构成，容积为0.24m3，用于向多个气动阀汽缸供气，实现气动阀阀门的快速启闭，对应的汇流后的出气总管通径为15mm；挤推气瓶组由25只气瓶构成，容积为3m3，用于向液氮储罐预增压和挤推液氮，对应的出气总管通径为25mm。进一步的优选方案，所述一种连续式高速风洞液氮降温供配气系统，其特征在于：配气系统低压控制气口的压力配置为1mpa，高压控制气口的压力配置为5mpa，预增压气口的压力配置为2mpa，挤推供气口的压力配置为2.7mpa。有益效果本方案提出的供配气系统氮气需求量及其工作压力满足连续式高速风洞降温系统的使用要求，高压氮气制备装置运行稳定，液氮低温泵排量、汽化器蒸发量及出口压力达到设计要求；高压气瓶组设计合理，总容积与工作压力满足储罐预增压与液氮挤推技术要求；配气系统设计合理，气动阀门工作稳定，压力调节准确。供配气系统与风洞整体降温系统匹配良好。本技术方案为建成我国第一套连续式高速风洞降温系统提供了技术支撑。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。附图说明本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：附图1连续式高速风洞降温系统不同来流条件下的液氮需求流量；附图2是连续式高速风洞液氮降温供配气系统结构图；1-液氮低温泵，2-汽化器，3-高压气瓶组，4-配气系统，5-连接管道。附图3是高压氮气制备原理图；1-液氮低温泵，2-汽化器，6-压力表。附图4是高压气瓶组结构图；7-气控气瓶组，8-挤推气瓶组。附图5是配气系统工作原理图；9-气动阀，10-压力变送器，11-压力表，12-减压阀，13-截止阀，14-3m3高压气瓶组气路，15-0.24m3高压气瓶组气路，16-低压气动阀气路，17-高压气动阀气路，18-增压气路，19-挤推气路。附图6是nf-6连续式高速风洞降温系统；20-风洞本体，21液氮存储装置，22-供配气系统，23-控制系统，24-液氮喷注装置。附图7供配气系统测试结果；附图8是喷液氮降温试验过程中的参数变化；附图9是降温试验过程中的总温变化。具体实施方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。本实施例是一套用于连续式高速风洞降温系统的供配气系统，用于为降温系统提供稳定、可靠的阀门控制气源与液氮驱动源。系统由液氮低温泵、汽化器、高压气瓶组、配气系统、连接管道和配套阀门组成。nf-6风洞是我国第一座连续式高速风洞，也是国内目前唯一一座投入运行的连续式高速风洞。该风洞的总体性能达到国内领先、国际先进水平。为了验证本项发明的可行性及有益效果，以nf－6连续式高速风洞为实施平台，针对风洞降温系统的总体方案和主要技术要求，设计研制了nf－6连续式高速风洞降温系统的供配气系统，并进行了运行调试。nf-6连续式高速风洞降温系统由风洞本体20、液氮存储装置21、供配气系统22和控制系统23及液氮喷注装置24组成，如图6所示。其中液氮存储装置承担低温液氮的冲灌、自增压、超压保护、残夜排放任务。供配气系统用于解决高压氮气制备与存储、液氮储罐预增压、气控气与挤推气压力、流量控制的问题，以为风洞降温系统提供稳定、可靠的液氮存储与驱动条件。控制系统用于风洞运行中各参数的总体控制。在建立供配气系统之前，需对供配气系统的氮气需求量进行计算，从而确定高压气瓶组的容积、液氮增压泵的排量及汽化器的蒸发量。图1给出了连续式高速风洞不同来流条件下的液氮需求流量。可以看出，在马赫数小于0.3时，液氮流量都不大于2kg/s，稳定工况下的最大液氮流量需求为16kg/s。挤推气的流量计算见表1，在最大挤推压力(3mpa)和最大液氮流量下(16kg/s)挤推气的最大值质量流量为1kg/s。根据设计挤推压力、运行时间及预增压耗气量，确定气控气需要的气量为0.24m3，储罐预增压和挤推气需要的气量为3.0m3，高压氮气总需求量为3.24m3，工作压力为16.5mpa。表1挤推气流量计算结果液氮流量，kg/s0.501.00235.0010.0015.0020.00挤推气体温度，k233.00233.00233.00233.00233.00233.00233.00233.00挤推气压力，mpa3.003.003.003.003.003.003.003.00挤推气密度，kg/m343.3543.3543.3543.3543.3543.3543.3543.35体积流量，m3/s0.00060.00120.00250.00370.00620.01240.01860.0248质量流量，kg/s0.030.050.110.160.270.540.801.07如图2所示，连续式高速风洞液氮降温供配气系统由液氮低温泵1、汽化器2、高压气瓶组3、配气系统4、连接管道5和配套阀门组成，系统通过高压氮气制备、存储及管路压力调节实现储罐预增压、气动电磁阀驱动及液氮挤推输运的目的。高压氮气制备通过液氮低温泵和汽化器配合完成。如图3所示，首先由液氮低温泵1将储罐内的液氮输送至汽化器2，进而液氮在汽化器内蒸发增压，最后进入高压氮气瓶组。其中液氮低温泵排量为250l/h，出口压力为15mpa；汽化器蒸发量为200nm3/h(2.5小时以内可将高压气瓶组充满)，工作压力为15mpa，出口温度等级：≥5℃。高压气瓶组压力达到目标压力值(15mpa)后，液氮低温泵停止运行，氮气制备工作完成。高压气瓶组由27只相同的分层堆叠式布置的高压气瓶组成，单只气瓶的容积为0.12m3，总容积为3.24m3，工作压力为15mpa。高压气瓶组布置结构如图4所示，其中气控气瓶组1由2只气瓶构成，容积为0.24m3，用于向多个气动阀汽缸供气，以实现阀门的快速启闭，对应的汇流后的出气总管通径为15mm；挤推气瓶组由25只气瓶构成，容积为3m3，用于向液氮储罐预增压和挤推液氮，对应的出气总管通径为25mm。配气系统的功能是利用调压阀对这四路气进行压力设定，其工作原理如图5所示。配气系统的出口分为四路，低压控制气口的压力配置为1mpa，高压控制气口的压力配置为5mpa，预增压气口的压力配置为2mpa，挤推供气口的压力配置为2.7mpa。供配气系统运行测试：图7给出了供配气系统的调试结果，可知：1)在整个试验过程中，液氮供应充足，挤推源压一直保持在2mpa以上，表明液氮存储量和驱动气源的能力满足系统需求；2)气动电磁阀动作灵敏，预增压装置工作正常，挤推压力控制平稳，配气系统达到设计要求；3)液氮输运管路设计合理，沿程压力损失小，喷前压达到1.2mpa，液氮量喷注量得到有效保障；4)电磁阀的启闭会造成喷前压出现微小跳动，压力波动时间持续2～3秒，但很快恢复平稳，不会对降温效果产生显著影响。风洞降温系统总体运行测试：其它子系统建设完成后，进行了风洞降温系统的总体运行与测试，风洞总压采用闭环控制，来流风速设定为m＝0.5。图8给出了其整个降温试验过程中总温、总压及马赫数的变化曲线，图9给出了风洞稳定段总温的变化情况，测试结果表明：1)供配气系统与其它子系统匹配良好，风洞降温系统工作正常，运行稳定。2)降温系统与风洞原测控系统取得很好兼容，风洞总压和马赫数控制未受明显影响，3)试验段9个总温测点的平均值达到-20℃，且满足4)试验段ma数的平均值达到0.5，马赫数偏差为|δma|≤0.003，满足σma≤0.003；5)稳定段总压的平均值为1.022bar，其变化幅度满足6)风洞降温运行的有效时间超过90s，达到设计要求。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。当前第1页12