CN105606386B - 一种适用于强预冷紧凑快速换热器的试验台 - Google Patents
一种适用于强预冷紧凑快速换热器的试验台 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种适用于强预冷紧凑快速换热器的试验台：包括高温高压空气系统和高压大流量换热介质循环系统，这两个系统为强预冷紧凑快速换热器空气及换热介质流路分别提供试验所需要的压力、温度、流量等来流条件，其特征在于：高温高压空气系统利用高压容器或多级离心/轴流风机加压、换热器或燃烧器加热的方式，提供高温高压气流；高压大流量换热介质循环系统利用高压容器或循环泵的方式提供高压大流量换热介质来流。高温高压空气系统的高温段可以使用高温合金材料，能够在高温高压下可靠工作；换热介质循环系统可以自动地对流量及压力进行高精度的调节与控制，在高压及低压、大流量及小流量工况下均能稳定工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于强预冷紧凑快速换热器的试验台，属于试验技术领域。
背景技术
随着飞行器飞行马赫数的增大，发动机进口来流温度不断提高，高压压气机工作温度也随之提高，压气机压缩能力受到很大影响，同时对压气机材料和工艺的要求更高；在民用方面，为减小耗油率，需要不断提高涡轮前温度和总增压比，涡轮前温度的提高使得发动机热端部件的冷却需求增大，而增压比的提高使得冷却空气的冷却品质降低。因此，军、民用发动机均有着对高压压气机进口气流进行冷却的迫切需求。目前主要的手段是在高压压气机前加入换热器对来流进行冷却，但常规的换热器存在着单位体积/质量的换热量小、换热响应慢、换热强度和换热效率低等很多缺陷，并未在航空发动机上得到广泛应用。
强预冷紧凑快速换热器使用高温高压换热介质，使得换热介质热容大、换热效率高，响应速度快，同时结合微小尺度几何结构实现微小尺度流动换热，使换热面积增加，同时保持低的重量，最终实现超高的换热效率，有结构紧凑、重量轻、换热效率高、换热强度大、对温度变化响应快、耐高温高压、安全无污染等特点。
尽管强预冷紧凑快速换热器在在高速飞行器动力方面具有广泛的应用前景，由于强预冷紧凑快速换热器设计工况压力高、温度高、流量大，目前现有的试验台通常都只能满足上述三个条件中的一个，无法同时满足高压高温大流量的要求。
发明内容
本发明技术解决问题：将不同的增压、加热、循环技术相结合，实现一种可用于强预冷紧凑快速换热器的试验台，所设计试验台具有温度高、压力高、流量大、自动控制、工作范围广、模块化等特点，既满足强预冷紧凑快速换热器的试验要求，又能广泛应用在其它各领域中。
本发明技术解决方案：高温高压空气系统利用高压容器或多级离心/轴流风机加压、换热器或燃烧器加热的方式，提供高温高压气流；高压大流量换热介质循环系统利用高压容器(针对开式循环)或循环泵(针对闭式循环)的方式提供高压大流量换热介质来流。高温高压空气系统的高温段可以使用高温合金材料，能够在高温高压下可靠工作；换热介质循环系统可以自动地对流量及压力进行高精度的调节与控制，在高压及低压、大流量及小流量工况下均能稳定工作；本发明能够实现一种适用于强预冷紧凑快速换热器的试验台，既满足强预冷紧凑快速换热器的试验要求，又能广泛应用在其他各领域中。
本发明的一种适用于强预冷紧凑快速换热器的试验台，包括高温高压空气系统和高压大流量换热介质循环系统，这两个系统为强预冷紧凑快速换热器空气及换热介质流路分别提供试验所需要的压力、温度、流量来流条件；高温高压空气系统利用高压容器或多级离心或轴流风机加压、换热器或燃烧器加热的方式，提供高温高压气流；高压大流量换热介质循环系统利用高压容器即针对开式循环，或循环泵即针对闭式循环的方式提供高压(＞10MPa)大流量(＞5000Nm3/h)换热介质来流。
所述高温高压空气系统包括：高压容器，或多级离心，或轴流风机(1)、减压阀(2)、换热器或燃烧器(3)、整流段(4)、测量段(5)、导流段(6)、进口整流段(7)、试验段(8)、空气调节阀(9)、空气排空装置(10)；高压容器或多级离心风机或多级轴流风机(1)布置在最前方，通过管路与减压阀(2)相连，之后依次为换热器或燃烧器(3)、整流段(4)、测量段(5)、导流段(6)、进口整流段(7)，之后通过管路同试验段(8)相连，再通过管路依次同空气调节阀(9)、空气排空装置(10)相连，形成高温高压空气系统。
所述高压大流量换热介质循环系统利用高压容器即针对开式循环的方式提供高压大流量换热介质来流时，包括：高压气源(11)、过滤器(12)、减压器(13)、第一截止阀(14)、安全阀(15)、流量计(16)、前后测量段(17)、换热器接口(18)、换热介质调节阀(19)、第二截止阀(20)、防激波装置(21)和换热介质排空装置(22)；高压气源(11)布置在最前方，通过管路同过滤器(12)相连，之后依次是减压器(13)、第一截止阀(14)，第一截止阀(14)同流量计(16)由管路相连，安全阀(15)布置于管路的支路上，流量计(16)后依次是测量段(17)、换热器接口(18)、换热介质调节阀(19)、第二截止阀(20)、防激波装置(21)、排空装置(22)，由此构成换热介质开式循环系统。
所述高压大流量换热介质循环系统利用循环泵即针对闭式循环的方式提供高压大流量换热介质来流时，包括高压气源(11)、充气阀门(23)、换热介质循环泵(24)、溢流阀(25)、稳压器(26)、换热介质调节阀(19)、流量计(16)、前后测量段(17)、换热器接口(18)、冷却器(27)、冷却塔(28)、冷却介质循环泵(29)、安全阀(15)；在换热介质闭式循环系统中，高压气源(11)通过支路管路同主循环管路相连，在该支管路上设置充气阀门(23)，在主循环管路中，介质循环泵(24)之后依次是安全阀(15)、换热介质调节阀(19)，在介质循环泵(24)之前与安全阀(15)之间的支管路上布置溢流阀(25)，换热介质调节阀(19)通过管路同稳压器(26)相连，之后通过管路连接至流量计(16)，之后依次是前后测量段(17)、换热器接口(18)，换热器接口(18)通过管路同冷却器(27)的介质测流路相连，在冷却器(27)的冷却介质流路，冷却塔(28)、冷却介质循环泵(29)通过管路相连并同冷却器(27)冷却介质流路构成冷却循环，冷却器(27)介质流路通过管路与介质循环泵相连，由此组成换热介质闭式循环系统。
所述的高压大流量换热介质循环系统结构可以兼具开式及闭式的特点，必要时可以实现开式/闭式系统的切换。
所述的高压大流量换热介质循环系统采用模块化设计，实现子系统灵活拆、装、组合功能。
所述高温高压空气系统的加热形式可以是换热器换热或燃烧器加热。
所述的换热介质循环系统的循环形式可以是开式或闭式。
所述的空气从高压容器流出或经多级离心/轴流风机(1)增压后经过减压阀(2)后压力降低并保持稳定，进入换热器/燃烧器(3)加热后流经带有多层纱网及蜂窝器的整流段(4)整流，空气气流变得均匀，通过测量段(5)测得压力、温度、流量等参数，进入导流段(6)改变气流方向，流经换热器空气进口前的进口整流段(7)，气流更加均匀并具有一定的湍流度(以模拟换热器的真实工况)，进入试验段(8)同换热器内部的换热介质进行换热，经空气调节阀(9)后通过空气排空装置(10)排出，高温高压空气系统的压力通过减压阀(2)控制、温度通过换热器/燃烧器(3)控制、流量通过空气调节阀(9)控制。在开式的换热介质循环系统内，所述换热介质从高压气源(11)流出，通过过滤器(12)滤去颗粒物杂质，经减压器(13)减压稳压，由流量计(16)测算流量，前后测量段(17)测量出压力温度参数，通过换热器接口(18)进入换热器内部同空气换热，流经换热介质调节阀(19)、第二截止阀(20)、防激波装置(21)、换热介质排空装置(22)后排出，开式介质循环系统的压力由减压阀(13)直接控制，流量由换热介质调节阀(19)直接控制，减压器(13)与换热介质调节阀(19)都具有执行机构，可直接接受压力、流量传感器的反馈信号自动地对减压器(13)、换热介质调节阀(19)的工作状态进行调节。在闭式换热介质循环系统中，所述换热介质由高压气源(11)注入到闭式系统的主管路中，待压力接近试验试验工况，关闭充气阀门(23)，断开闭式系统同高压气源组(11)之间的流通，换热介质在换热介质循环泵(24)的驱动下在图中以逆时针方向循环流动，换热之后，通过冷却器(27)冷却至常温附近，闭式系统的压力通过换热介质循环泵(24)及支路溢流阀(25)来控制，流量通过换热介质调节阀(19)控制，温度通过流经冷却塔(28)冷却介质的温度及冷却介质循环泵(29)控制，同开式系统一样，换热介质循环泵(24)、溢流阀(25)、换热介质调节阀(19)、冷却介质循环泵(29)这些调节部件都通过压力、温度、流量传感器的反馈信号来执行相应的动作。
在上述的换热介质循环系统的两种形式中，高压气源(11)的形式根据具体的使用场合可以变动，可以是类似高压气瓶组的高压储气形式，当流量较小时，也可以是类似使用压缩机、气泵的增压形式。
流量计(16)可以是类似于科氏流量计的质量流量直接测量仪器，也可以是包含涡街、转子、孔板等形式的体积流量计的测量模块。
上述所提到所有的截止阀的形式可以是旋塞阀也可以是直行程阀。
上述所以到的所有的截止阀和调节阀可以采用执行机构也可以不采用执行机构，执行机构可以是气动型的也可以是电动机型的。
换热介质循环系统闭式形式中的换热介质循环泵(24)可以是单级的也可以是多级的，每一级可以是叶轮泵也可以是容积泵。
在换热介质循环系统闭式形式中，可以采用其他形式的冷却模块替代包含冷却器(27)、冷却塔(28)、冷却介质循环泵(29)形式的冷却模块，其他形式的冷却模块可以是包含液氮蒸发装置的冷却模块，也可以是其他任何适用的模块形式。
本发明与现有试验台相比的优点：性能全面，能同时满足高温高压大流量的要求(现有常规试验台通常只能满足其中的一个要求)；运行压力高，最高可达现有常规设施工作压力两倍以上；高压下流量大，最高可达现有常规设施工作流量两倍以上；自动化程度高，流量、压力、温度的调控无需人工干预；响应快，系统启动时间短，系统传感器响应时间短；工作范围广，可正常工作流量、压力范围大；应用领域广阔，具有很强的适应性。
附图说明
图1为高温高压空气示意图；
图2为换热介质循环系统的一种典型开放形式示意图；
图3为换热介质循环系统的一种典型闭式系统的示意图；
图4为适用于某型强预冷紧凑快速换热器的试验台具体实施方案图。
具体实施方案
本发明是一种可用于强预冷紧凑快速换热器的试验台。该试验台具有温度高、压力高、流量大、自动控制、工作范围广、模块化等特点，既满足强预冷紧凑快速换热器的试验要求，又能广泛应用在其它各领域中，其具体实施例如图4。某型强预冷紧凑快速换热器试验工况要求空气来流压力0.5MPa，温度800K，流量3kg/s，换热介质来流压力15MPa，温度常温、流量5500Nm3/h。试验台由高温高压空气系统(图4中的(a)粗实线框内)及换热介质开式循环系统(图4中的(a)细实线框内)或换热介质闭式循环系统(图4中的(b)细实线框内)构成。
如图1所示，高温高压空气系统包括：高压容器，或多级离心，或轴流风机1、减压阀2、换热器或燃烧器3、整流段4、测量段5、导流段6、进口整流段7、试验段8、空气调节阀9、空气排空装置10；高压容器或多级离心风机或多级轴流风机1布置在最前方，通过管路与减压阀2相连，之后依次为换热器或燃烧器3、整流段4、测量段5、导流段6、进口整流段7，之后通过管路同试验段8相连，再通过管路依次同空气调节阀9、空气排空装置10相连，形成高温高压空气系统。空气从高压容器流出或经多级离心/轴流风机1增压后经过减压阀2后压力降低并保持稳定，进入换热器/燃烧器3加热后流经带有多层纱网及蜂窝器的整流段4整流，空气气流变得均匀，通过测量段5测得压力、温度、流量等参数，进入导流段6改变气流方向，流经换热器空气进口前的进口整流段7，气流更加均匀并具有一定的湍流度以模拟换热器的真实工况，进入试验段8同换热器内部的换热介质进行换热，经空气调节阀9后通过空气排空装置10排出，高温高压空气系统的压力通过减压阀2控制、温度通过换热器/燃烧器3控制、流量通过空气调节阀9控制。
如图2所示，高压大流量换热介质循环系统利用高压容器即针对开式循环的方式提供高压大流量换热介质来流时，包括：高压气源11、过滤器12、减压器13、第一截止阀14、安全阀15、流量计16、前后测量段17、换热器接口18、换热介质调节阀19、第二截止阀20分第一截止阀和第二截止阀、防激波装置21和换热介质排空装置22；高压气源11布置在最前方，通过管路同过滤器12相连，之后依次是减压器13、第一截止阀14，截止阀14同流量计16由管路相连，安全阀15布置于管路的支路上，流量计16后依次是测量段17、换热器接口18、换热介质调节阀19、第二截止阀20、防激波装置21、换热介质排空装置22，由此构成换热介质开式循环系统。在开式的换热介质循环系统内，所述换热介质从高压气源11流出，通过过滤器12滤去颗粒物杂质，经减压器13减压稳压，由流量计16测算流量，前后测量段17测量出压力温度参数，通过换热器接口18进入换热器内部同空气换热，流经换热介质调节阀19、第二截止阀20、防激波装置21、换热介质排空装置22后排出，开式介质循环系统的压力由减压器13直接控制，流量由换热介质调节阀19直接控制，减压器13与换热介质调节阀19都具有执行机构，可直接接受压力、流量传感器的反馈信号自动地对减压阀13、换热介质调节阀19的工作状态进行调节。
如图3、4所示，所述高压大流量换热介质循环系统利用循环泵即针对闭式循环的方式提供高压大流量换热介质来流时，包括高压气源11、充气阀门23、换热介质循环泵24、溢流阀25、稳压器26、换热介质调节阀19、流量计16、前后测量段17、换热器接口18、冷却器27、冷却塔28、冷却介质循环泵29、安全阀15；在换热介质闭式循环系统中，高压气源11通过支路管路同主循环管路相连，在该支管路上设置充气阀门23，在主循环管路中，介质循环泵24之后依次是安全阀15、换热介质调节阀19，在介质循环泵24之前与安全阀15之间的支管路上布置溢流阀25，换热介质调节阀19通过管路同稳压器26相连，之后通过管路连接至流量计16，之后依次是前后测量段17、换热器接口18，换热器接口18通过管路同冷却器27的介质测流路相连，在冷却器27的冷却介质流路，冷却塔28、冷却介质循环泵29通过管路相连并同冷却器27冷却介质流路构成冷却循环，冷却器27介质流路通过管路与介质循环泵相连，由此组成换热介质闭式循环系统。号自动地对减压器13、换热介质调节阀19的工作状态进行调节。在闭式换热介质循环系统中，所述换热介质由高压气源11注入到闭式系统的主管路中，待压力接近试验试验工况，关闭充气阀门23，断开闭式系统同高压气源组11之间的流通，换热介质在换热介质循环泵24的驱动下在图中以逆时针方向循环流动，换热之后，通过冷却器27冷却至常温附近，闭式系统的压力通过换热介质循环泵24及支路溢流阀25来控制，流量通过换热介质调节阀19控制，温度通过流经冷却塔28冷却介质的温度及冷却介质循环泵29控制，同开式系统一样，换热介质循环泵24、溢流阀25、换热介质调节阀19、冷却介质循环泵29这些调节部件都通过压力、温度、流量传感器的反馈信号来执行相应的动作。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
显然，对于本领域的普通技术人员来说，参照上文所述的实施例还可能做出其它的实施方式。上文中的所有实施例都只是示例性的、而不是局限性的。所有的在本发明的权利要求技术方案的本质之内的修改都属于其所要求保护的范围。
Claims (5)
1.一种适用于强预冷紧凑快速换热器的试验台，其特征在于：包括高温高压空气系统和高压大流量换热介质循环系统，这两个系统为强预冷紧凑快速换热器空气及换热介质流路分别提供试验所需要的压力、温度、流量来流条件；高温高压空气系统利用高压容器或多级离心风机或多级轴流风机加压、换热器或燃烧器加热的方式，提供高温高压气流；高压大流量换热介质循环系统利用高压容器即针对开式循环，或循环泵即针对闭式循环的方式提供大于10MPa的高压、大于5000Nm3/h的大流量换热介质来流；
所述高温高压空气系统包括：高压容器，或多级离心风机，或多级轴流风机(1)、减压阀(2)、换热器或燃烧器(3)、整流段(4)、测量段(5)、导流段(6)、进口整流段(7)、试验段(8)、空气调节阀(9)、空气排空装置(10)；高压容器或多级离心风机或多级轴流风机(1)布置在最前方，通过管路与减压阀(2)相连，之后依次为换热器或燃烧器(3)、整流段(4)、测量段(5)、导流段(6)、进口整流段(7)，之后通过管路同试验段(8)相连，再通过管路依次同空气调节阀(9)、空气排空装置(10)相连，形成高温高压空气系统；
所述高压大流量换热介质循环系统利用高压容器即针对开式循环的方式提供高压大流量换热介质来流时，包括：高压气源(11)、过滤器(12)、减压器(13)、第一截止阀(14)、安全阀(15)、流量计(16)、前后测量段(17)、换热器接口(18)、换热介质调节阀(19)、第二截止阀(20)、防激波装置(21)和换热介质排空装置(22)；高压气源(11)布置在最前方，通过管路同过滤器(12)相连，之后依次是减压器(13)、第一截止阀(14)，第一截止阀(14)同流量计(16)由管路相连，安全阀(15)布置于管路的支路上，流量计(16)后依次是前后测量段(17)、换热器接口(18)、换热介质调节阀(19)、第二截止阀(20)、防激波装置(21)、换热介质排空装置(22)，由此构成换热介质开式循环系统；
所述高压大流量换热介质循环系统利用循环泵即针对闭式循环的方式提供高压大流量换热介质来流时，包括高压气源(11)、充气阀门(23)、换热介质循环泵(24)、溢流阀(25)、稳压器(26)、换热介质调节阀(19)、流量计(16)、前后测量段(17)、换热器接口(18)、冷却器(27)、冷却塔(28)、冷却介质循环泵(29)、安全阀(15)；在换热介质闭式循环系统中，高压气源(11)通过支路管路同主循环管路相连，在该支路管路上设置充气阀门(23)，在主循环管路中，换热介质循环泵(24)之后依次是安全阀(15)、换热介质调节阀(19)，在换热介质循环泵(24)之前与安全阀(15)之间的支管路上布置溢流阀(25)，换热介质调节阀(19)通过管路同稳压器(26)相连，之后通过管路连接至流量计(16)，之后依次是前后测量段(17)、换热器接口(18)，换热器接口(18)通过管路同冷却器(27)的介质侧流路相连，在冷却器(27)的冷却介质流路，冷却塔(28)、冷却介质循环泵(29)通过管路相连并同冷却器(27)冷却介质流路构成冷却循环，冷却器(27)介质流路通过管路与换热介质循环泵相连，由此组成换热介质闭式循环系统。
2.根据权利要求1所述的适用于强预冷紧凑快速换热器的试验台，其特征在于：所述的高压大流量换热介质循环系统结构可以兼具开式及闭式的特点，必要时可以实现开式/闭式系统的切换。
3.根据权利要求1所述的适用于强预冷紧凑快速换热器的试验台，其特征在于：所述的高压大流量换热介质循环系统采用模块化设计，实现子系统灵活拆、装、组合功能。
4.根据权利要求1所述的适用于强预冷紧凑快速换热器的试验台，其特征在于：所述高温高压空气系统的加热形式可以是换热器换热或燃烧器加热。
5.根据权利要求1所述的适用于强预冷紧凑快速换热器的试验台，其特征在于：所述的高压大流量换热介质循环系统的循环形式可以是开式或闭式。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zou Zhengping Inventor after: Chen Yiming Inventor after: Wang Hongwei Inventor after: Liu Huoxing Inventor before: Zou Zhengping Inventor before: Liu Huoxing Inventor before: Wang Hongwei Inventor before: Chen Yiming |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information |