CN107202675A - 连续式跨声速风洞喷液氮降温系统冷却器防结冰方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种连续式跨声速风洞喷液氮降温系统冷却器防结冰方法，首先关闭冷却器的进水管路阀门、出水管路阀门后，打开冷却器的残余水排水阀门，对每一组冷却器加注高压干燥空气，将残余水从冷却器内挤出；其次对冷却器内部管路进行抽真空，降低冷却器内水的饱和蒸汽压，使残余水在常温条件下持续汽化并排出；最后将防冻液吊至冷却器顶部，利用水泵把防冻液灌入冷却器内部管路，边灌边排，使防冻液布满冷却器内部管路，利用高压干燥空气实施吹扫，将防冻液排出冷却器。试验结果证明对风洞冷却器采取上述三个阶段三种办法处理后，风洞冷却器抗冻效果显著。试验过程中风洞冷却器没有出现爆管现象。上述三个阶段三种办法对冷却器抗冻处理缺一不可。

Description

连续式跨声速风洞喷液氮降温系统冷却器防结冰方法

技术领域

本发明涉及航空航天领域，是预防连续式跨声速风洞液氮降温系统冷却段结冰膨胀造成设备损坏的一种方法。

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。实验雷诺数与飞行雷诺数的不同会导致实验所得边界层转捩、分离位置、激波位置、强度等气动特性与实际飞行状态形成明显差异，结果使实验数据的工程应用价值大大降低，在某些情况下甚至无法使用。因此，研制高(变)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。

连续式跨声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，流体速度和模型尺寸受风洞固有条件的制约不易改变，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。因此，为了进一步拓宽该风洞的实验雷诺数范围，针对连续式高速风洞的结构特点和运行模式，在不改变实验段尺寸、流体介质及压力的情况下，通过喷洒液氮的方式，利用液氮的气化吸热效应，可实现连续式高速风洞的降温运行，从而达到提高实验雷诺数的目的。

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。通过配合喷液氮降温系统，能够实现拓展NF-6风洞的试验雷诺数范围的目的，通过向风洞内喷入液氮，能够实现稳定段最低气体温度约-20℃。

NF-6风洞冷却器抗冻处理是喷液氮降温系统调试过程中遇到的一个难题。技术人员采取三个阶段三种办法解决了这个问题。第一个阶段吹扫除水方法，吹扫除水是指在关闭冷却器的进水管路阀门、出水管路阀门后，打开冷却器的残余水排水阀门，对每一组冷却器加注压力为3bar高压干燥空气，利用了气流的挤推和引射作用，将残余水从冷却器内挤出。但实践表明，该方法并不能完全去除冷却器内的残余水，而冷却器内存在微量水或水蒸气也可能出现结冰膨胀导致冷却器爆管的风险。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种连续式跨声速风洞喷液氮降温系统冷却器防结冰方法，在进行吹扫除水的基础上，进一步采取抽真空的方法除水。抽真空方法主要是设法降低密闭冷却器内水的饱和蒸汽压，使残余水在常温条件下能够持续汽化，以便于排出。但申请人试验发现，当抽真空工作完成后，密闭的冷却器内的压力值小于2KPa，冷却器内仍存在微量水或水蒸气，这种情况还是不能被喷液氮降温试验接受的。因为，试验段流场温度为-20℃时，流经冷却器的液氮气流温度为-30℃～-40℃，即使冷却器内存在微量水或水蒸气也可能出现结冰膨胀导致冷却器爆管的风险。所以继续通过加注防冻液进行清洗方法。每组冷却器均清洗两次，每清洗一次，都用高压干燥空气实施吹扫。试验结果证明对风洞冷却器采取上述三个阶段三种办法处理后，风洞冷却器抗冻效果显著。试验过程中风洞冷却器没有出现爆管现象。上述三个阶段三种办法对冷却器抗冻处理缺一不可。

基于上述分析，本发明的技术方案为：

所述一种连续式跨声速风洞喷液氮降温系统冷却器防结冰方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：关闭冷却器的进水管路阀门、出水管路阀门后，打开冷却器的残余水排水阀门，对每一组冷却器加注高压干燥空气，将残余水从冷却器内挤出；

步骤2：对冷却器内部管路进行抽真空，降低冷却器内水的饱和蒸汽压，使残余水在常温条件下持续汽化并排出；

步骤3：将防冻液吊至冷却器顶部，利用水泵把防冻液灌入冷却器内部管路，边灌边排，使防冻液布满冷却器内部管路；而后利用高压干燥空气实施吹扫，将防冻液排出冷却器。

有益效果

试验结果证明对风洞冷却器采取上述三个阶段三种办法处理后，风洞冷却器抗冻效果显著。试验过程中风洞冷却器没有出现爆管现象。上述三个阶段三种办法对冷却器抗冻处理缺一不可。

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：

图1：NF-6风洞冷却器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本实施例中的续式跨声速风洞喷液氮降温系统冷却器防结冰方法分为三个阶段：

步骤1：关闭冷却器的进水管路阀门、出水管路阀门后，打开冷却器的残余水排水阀门，对每一组冷却器加注压力为3bar高压干燥空气，利用了气流的挤推和引射作用，将残余水从冷却器内挤出。但实践表明，该方法并不能完全去除冷却器内的残余水，而冷却器内存在微量水或水蒸气也可能出现结冰膨胀导致冷却器爆管的风险。

步骤2：对冷却器内部管路进行抽真空，降低冷却器内水的饱和蒸汽压，使残余水在常温条件下持续汽化并排出。

为此，申请人设计了一套对冷却器内部管路进行抽真空的系统，由水环泵、罗茨泵、循环水箱、电器控制柜等组成。

水环泵是一种粗真空泵，它所能获得的极限压力，对于单级泵为2.66～9.31kPa。水环泵是由叶轮、泵体、吸气口、排气口、水环等组成。

罗茨泵是一种由两个“8字形”相对转动的转子啮合引起容积变化产生真空的一种泵，因此也称容积泵。罗茨真空泵与其它机械真空泵相比，具有抽速大、体积小、启动快、能耗低等独特优点，在国内外均得到广泛应用。

循环水箱具有三个功能，功能一水汽分离，功能二存储从冷却器内抽出来的水，功能三为水环泵和罗茨泵提供循环水。

电器控制柜主要控制水环泵、罗茨泵的启停、安全运行。电器控制柜接有循环水箱温度传感器、循环水箱液位传感器、管道压力传感器、真空计等传感器。电器控制柜通过RS232接口外接工控机，该计算机完成抽真空系统压力数据的实时采集。

但申请人试验发现，当抽真空工作完成后，密闭的冷却器内的压力值小于2KPa，冷却器内仍存在微量水或水蒸气，这种情况还是不能被喷液氮降温试验接受的。因为，试验段流场温度为-20℃时，流经冷却器的液氮气流温度为-30℃～-40℃，即使冷却器内存在微量水或水蒸气也可能出现结冰膨胀导致冷却器爆管的风险。

步骤3：将防冻液吊至冷却器顶部，利用水泵把防冻液灌入冷却器内部管路，边灌边排，使防冻液布满冷却器内部管路；而后利用高压干燥空气实施吹扫，将防冻液排出冷却器。

收尾工作：喷液氮降温系统工作时，冷却水管路中的残余防冻液会在低温条件下乳化，起到保护冷却水管路结构的作用。在喷液氮降温试验结束后，关闭冷却水排空阀，关闭抽真空系统连接阀，打开冷却段进出水管道的阀门，为其他需要冷却水降温的试验做好准备。

试验结果证明对风洞冷却器采取上述三个阶段三种办法处理后，风洞冷却器抗冻效果显著。试验过程中风洞冷却器没有出现爆管现象。上述三个阶段三种办法对冷却器抗冻处理缺一不可。

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。

Claims (1)

1.一种连续式跨声速风洞喷液氮降温系统冷却器防结冰方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：关闭冷却器的进水管路阀门、出水管路阀门后，打开冷却器的残余水排水阀门，对每一组冷却器加注高压干燥空气，将残余水从冷却器内挤出；

步骤2：对冷却器内部管路进行抽真空，降低冷却器内水的饱和蒸汽压，使残余水在常温条件下持续汽化并排出；

步骤3：将防冻液吊至冷却器顶部，利用水泵把防冻液灌入冷却器内部管路，边灌边排，使防冻液布满冷却器内部管路；而后利用高压干燥空气实施吹扫，将防冻液排出冷却器。