CN105628331B - 大型常规高超声速风洞的节能环保系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大型常规高超声速风洞的节能环保系统，其包括气罐、加热器、稳定段、喷管、试验段、超扩段、换热器，所述稳定段、喷管、试验段、超扩段顺次相连组成主要试验风洞组件、所述换热器包括中间通道和环绕中间通道的外围通道，所述超扩段的出口与所述换热器的中间通道连通，所述气罐与所述换热器的外围通道连通，所述气罐中的高压气体经由所述换热器的外围通道借助输气管道送入所述加热器中，通过所述加热器后被送入所述稳定段，在所述试验风洞主要组件中完成试验后流过所述换热器的中间通道被排出。本发明节省能量消耗，降低运行成本，同时减少对环境的影响，解决现有常规高超声速风洞排气噪声大，余热浪费的问题。

Description

大型常规高超声速风洞的节能环保系统

技术领域

本发明涉及一种大型常规高超声速风洞的节能环保系统。

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。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，需要2400-3000mm量级常规高超声速风洞。

常规高超声速风洞技术的发展，除了表现在风洞喷管的出口尺寸不断增大外，还表现在风洞模拟能力的不断增加，今后，常规高超声速风洞不仅应具有以往的常规气动力、部分气动热试验的模拟能力外，还要具有热结构、超燃冲压发动机研制试验所需的模拟能力，气流的总温要达到或接近飞行时的总温。

随着风洞尺寸的增加，气流温度的提高，风洞运行所耗费的能源剧增，同时，排放的废气和由排放产生的噪声对环境的影响也越来越大。

现有的绝大部分常规高超声速风洞的布局分为3种，即压力-引射布局、压力-真空布局和压力-引射/真空组合布局，分别见图1、图2和图3

上述布局形式的常规高超声速风洞的运行方式是压缩机系统压缩空气至气罐中，气罐中的压缩空气，经过加热器加热后，达到所需的温度，然后通过喷管，在试验段形成试验所需的高超声速流场，最后经由超扩段升压后，进入引射器排入大气，或经过冷却器，进入真空球，然后由真空泵系统排入大气。

在现有的常规高超声速风洞布局中，未考虑回收热量和降低排气噪音。其中，在压力-引射布局中，气流直接排入大气中，流量大时，造成的噪声污染大，而且剩余的热能也大，造成余热污染大。在压力-真空式布局中，流量进入真空系统排出，变为该系统的机器噪音，由于真空式布局的余热经过冷却器消耗掉，不但余热损失掉，还要再损失冷却器运行所需的能量。未考虑回收余热和降噪的布局方案，在设备规模小时，污染不明显。当设备规模增大，加热设备已经非常庞大，加热成本成为运行成本的主要部分，热量流失造成巨大浪费，而且排气噪声巨大。

发明内容

本发明的大型常规高超声速风洞节能环保布局方案，既能满足高超声速飞行器发展对风洞尺寸和气流温度的要求，又能节省能量消耗，降低运行成本，同时减少对环境的影响，解决现有常规高超声速风洞排气噪声大，余热浪费的问题。

本发明大型常规高超声速风洞的节能环保系统包括气罐、加热器、稳定段、喷管、试验段、超扩段、换热器，所述稳定段、喷管、试验段、超扩段顺次相连组成主要试验风洞组件、所述换热器包括中间通道和环绕中间通道的外围通道，所述超扩段的出口与所述换热器的中间通道连通，所述气罐与所述换热器的外围通道连通，所述气罐中的高压气体经由所述换热器的外围通道借助输气管道送入所述加热器中，通过所述加热器后被送入所述稳定段，在所述试验风洞主要组件中完成试验后流过所述换热器的中间通道被排出。

优选还包括引射器和水环泵组，所述引射器一端与所述换热器的中间通道相连通，另一端与所述水环泵组连通。

优选还包括真空球和真空泵系统，所述真空球与所述中间通道连通，从中间通道被排出的气体通过真空泵系统被排出到大气中。

这种布局形式与比现有布局的区别在于本发明节能和环保。在相同模拟条件下，第一，风洞运行所需的能耗大大降低。第二，对于引射运行方式，采用水环泵代替消声塔，不但降低排放噪声，还将减少余热污染的排放，同时可提高引射器的抽吸能力，降低风洞需要的压力比。对于真空运行方式，从超扩段排出的热气流在交换器与冷的进气流进行热量交换，热气流温度下降，进入真空系统时无需单独设置冷却器对热气流进行冷却，从而减掉冷却器及其配套设施和冷却器的能量需求。第三，风洞冷的进气流预先通过换热器进行预热升温，运行所需的加热设备规模减小。

附图说明

图1为现有的压力-引射布局示意图。

图2为现有的压力-真空布局示意图。

图3为现有压力-引射/真空组合布局示意图。

图4为本发明的大型常规高超声速风洞的节能环保布局示意图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明进一步详细说明。

本发明的布局方案如图4所示。换热器7包括中间通道和环绕中间通道的外围通道，首先气罐1的高压气体先送入换热器7外围通道，然后再借助输气管道送入加热器2中，在加热器2中被加热的高压气体被送入稳定段3，依次流过喷管4、试验段5和超扩段6、流进换热器7的中间通道，再经由引射器8和水环泵组9被排出到大气中。或者，经由真空球10，通过真空泵系统11被排出到大气中。

这种布局形式是对现有布局形式的改进，主要改变是，第一，在引射分支和真空分支前、超扩段后增设换热器，第二，气罐出来的压缩空气不是直接进入加热系统，而是先经过换热器，再进入加热系统，第三，去掉引射器分支的消音塔，增加水环泵组，有效降低排气噪声，同时可提高引射器的抽吸能力，降低风洞需要的压力比。第四，去掉真空分支的冷却器。

压缩机系统压缩空气至气罐中，气罐中的压缩空气，流过换热器初步加热，再输送到加热器进一步加热，达到相应马赫数所需的温度，然后通过喷管，在试验段形成试验所需的高超声速流场，最后经由超扩段升压后，进入换热器，在换热器中与冷的进气流进行热量交换，气流温度大大降低，进入引射器或真空球，排入大气。

Claims (3)

1.一种大型常规高超声速风洞的节能环保系统，其特征在于：包括气罐、加热器、稳定段、喷管、试验段、超扩段、换热器，所述稳定段、喷管、试验段、超扩段顺次相连组成主要试验风洞组件、所述换热器包括中间通道和环绕中间通道的外围通道，所述超扩段的出口与所述换热器的中间通道连通，所述气罐与所述换热器的外围通道连通，所述气罐中的高压气体经由所述换热器的外围通道借助输气管道送入所述加热器中，通过所述加热器后被送入所述稳定段，在所述试验风洞主要组件中完成试验后流过所述换热器的中间通道被排出。

2.如权利要求1所述的大型常规高超声速风洞的节能环保系统，其特征在于：还包括引射器和水环泵组，所述引射器一端与所述换热器的中间通道相连通，另一端与所述水环泵组连通。

3.如权利要求1所述的大型常规高超声速风洞的节能环保系统，其特征在于：还包括真空球和真空泵系统，所述真空球与所述中间通道连通，从中间通道被排出的气体通过真空泵系统被排出到大气中。