CN113375893A - 采用逆布雷顿循环控制温度的连续式风洞系统和试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用逆布雷顿循环控制温度的连续式风洞系统和试验方法。该连续式风洞系统包括顺序连接的原料气源、原料气纯化装置、压缩机、压缩机冷却器、回热器的高温侧、透平膨胀机、风洞洞体内的风洞换热器（或气流输入/排出装置）、回热器的低温侧，回热器低温侧出口直通大气环境或者连接原料气源；风洞洞体内还安装有洞体压缩机；保温层覆盖在气流温度低于或高于环境温度的设备、管道和阀门上。该试验方法包括气体纯化，气体压缩冷却，气体膨胀，风洞吹风和余气处理。该连续式风洞系统结构简单，试验方法流程简单、可调温度范围广、温度控制精度高、可选用气体工质类型多、操作弹性大、单位能耗低和提高模拟雷诺数潜力大。
Description
技术领域
本发明属于风洞试验技术领域，具体涉及一种采用逆布雷顿循环控制温度的连续式风洞系统和试验方法。
背景技术
跨声速飞行和流动过程存在很多粘性主导的复杂流动现象，如边界层发展与转捩、流动分离、激波与边界层干扰等，直接影响飞行器和透平机械叶片的气动特性。为了适应先进飞行器和透平机械的研制与发展，急需提高跨声速风洞的雷诺数模拟能力，有必要设计高雷诺数风洞系统并建立吹风试验方法。
逆布雷顿循环包括等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀和等压吸热4个过程，分别由压缩机、换热器、透平膨胀机和用冷设备组成，其中，高效的透平膨胀机是决定逆布雷顿循环能效的关键设备。逆布雷顿热力循环具有系统简单、运转可靠、温区范围广、工质易得（可使用空气作为循环介质）等优点，特别在制冷和低温领域得到了广泛的应用与发展。
对于风洞，通过合理的逆布雷顿循环的热力学设计，不仅可以保证气体工质经透平膨胀机在近等熵绝热膨胀后在设计点具有较高的运行效率，并且可以使气体工质更深入的膨胀，在透平膨胀机出口达到饱和或气液两相状态，为风洞提供更充足的换热冷量，这是风洞进一步提高试验模拟雷诺数的有效手段。因此，通过一定的控制手段，使用透平膨胀机的逆布雷顿循环可使风洞工作在从常温到低温的较宽温度区间内，显著提高风洞试验工况弹性和温度控制精度，有助于提升风洞生产的经济性和持续性。
当前，亟需发展一种采用逆布雷顿循环控制温度的连续式风洞系统和试验方法。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是提供一种采用逆布雷顿循环控制温度的连续式风洞系统，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种采用逆布雷顿循环控制温度的连续式风洞试验方法。
本发明的采用逆布雷顿循环控制温度的连续式风洞系统，其特点是，所述的连续式风洞系统包括沿气流方向顺序连接的原料气源、原料气纯化装置、压缩机、压缩机冷却器、回热器的高温侧、透平膨胀机、风洞洞体内的换热装置、回热器的低温侧，回热器的低温侧出口直通大气环境或者连接原料气源；风洞洞体内还安装有洞体压缩机；保温层覆盖在风洞系统中气流温度低于或高于环境温度的设备、管道和阀门上；
换热装置为换热器或者气流输入/排出装置中的一种；选择换热器时，透平膨胀机使用的气体与风洞洞体的气体相同或者不同；选择气流输入/排出装置时，透平膨胀机使用的气体与风洞洞体的气体相同。
进一步地，所述的压缩机为一级或多级压缩机，压缩机冷却器为与压缩机配套的一级或多级压缩机冷却器。
进一步地，所述的回热器为一级或多级回热器。
进一步地，所述的透平膨胀机为一级或多级透平膨胀机。
进一步地，所述的透平膨胀机的出口气流热力状态为单相过热流体或者气液两相流体。
进一步地，所述的风洞洞体中的风洞试验段为直通段或者型面结构段。
进一步地，所述的换热器设置在风洞洞体内的任意部段处。
进一步地，所述的气流输入/排出装置的输入口和排出口设置在风洞洞体的同一部段处，或者分开设置在风洞洞体的两个不同部段处。
本发明的采用逆布雷顿循环控制温度的连续式风洞试验方法，包括以下步骤：
a.气体纯化；原料气源中的原料气进入原料气纯化装置，原料气中的纯净气体工质被保留，烷烃类、二氧化碳、水分及杂质被除去，得到气体Ⅰ；
b.气体压缩冷却；气体Ⅰ经过压缩机压缩，压力和温度升高，再经压缩机冷却器冷却，降温至环境温度，得到气体Ⅱ；
c.气体膨胀；气体Ⅱ首先经过回热器的高温侧、在回热器内将温度继续降低，得到气体Ⅲ，气体Ⅲ进入透平膨胀机进行等熵膨胀降温，在透平膨胀机中，根据风洞试验要求，气体Ⅲ进行过热的单相膨胀或两相膨胀，得到气体Ⅳ；
d.风洞吹风；气体Ⅳ进入风洞洞体，与风洞洞体内的换热装置换热，再经洞体压缩机及后续部段后进入试验段，提供满足风洞试验雷诺数、马赫数要求的吹风气流，进行风洞试验，出口气流为气体Ⅴ；
e.余气处理；气体Ⅴ进入回热器的低温侧，在回热器内与气体Ⅱ进行换热，复温后得到气体Ⅵ，气体Ⅵ从回热器低温侧出口直接排放到大气环境或进入原料气纯化装置进行再循环。
本发明的采用逆布雷顿循环控制温度的连续式风洞系统的原料气源中的原料气经过原料气纯化装置、压缩机、压缩机冷却器以进行纯化、压缩、冷却；然后经过回热器进行换热降温，经过透平膨胀机进行绝热膨胀；透平膨胀机的出口气流输送到风洞洞体中的试验段中进行试验气流的温度控制，出风洞洞体的气流回流进入回热器后进行放空或循环进入原料气纯化装置进行再压缩；针对低温工况，还要对需要进行保温的设备、管道和阀门采取保温措施。其中，透平膨胀机出口气流进入风洞洞体时有两种温控方式：一是经过换热器与洞体中的气流进行非接触的间壁式换热，二是通过气流输入/排出装置直接与洞体中的气流混合并排出。
本发明的采用逆布雷顿循环控制温度的连续式风洞系统中的压缩机、回热器、透平膨胀机、风洞洞体组成逆布雷顿循环四个主要部件，依次起到的作用为：压缩机对原料气或原料气的循环气进行增压、回热器为压缩气流与回流气流的换热部件、透平膨胀机提供降温冷量、风洞洞体为用冷设备，共同组成的逆布雷顿系统对试验段的试验气流进行温度控制和调节。
本发明的采用逆布雷顿循环控制温度的连续式风洞系统的试验方法的特点是通过控制透平膨胀机的膨胀工作状态，输送透平膨胀机出口气流到风洞中对试验段的试验气流进行温度调节；试验段的试验气流的总温调节范围广，风洞试验段静温可从常温深入进低温温区，从而扩展风洞试验模拟的雷诺数和马赫数；使用纯化系统去除试验段气体工质之外的原料气杂质；使用透平膨胀机降温加自回热循环形式进行试验段的试验气流的温度调节，能够根据实际使用需求快速精确调节试验气流的总温，同时，还能够在逆布雷顿循环中采用不同于试验气流的气体工质，从而在实现试验段吹风温度快速降低的同时有效提高风洞系统能效和经济性。
本发明的采用逆布雷顿循环控制温度的连续式风洞系统结构简单，风洞试验方法流程简单、可调温度范围广、温度控制精度高、可选用气体工质类型多、操作弹性大、单位能耗低和提高模拟雷诺数潜力大。
附图说明
图1为本发明采用换热器方式的连续式风洞系统实施例结构示意图；
图2为本发明采用气流输入/排出方式的连续式风洞系统实施例结构示意图。
图中，1.原料气源 2.原料气纯化装置 3.压缩机 4.压缩机冷却器 5.回热器 6.透平膨胀机 7.风洞洞体 8.洞体压缩机 9.保温层 10.换热器 11.气流输入/排出装置。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明的采用逆布雷顿循环控制温度的连续式风洞系统包括沿气流方向顺序连接的原料气源1、原料气纯化装置2、压缩机3、压缩机冷却器4、回热器5的高温侧、透平膨胀机6、风洞洞体7内的换热装置、回热器5的低温侧，回热器5的低温侧出口直通大气环境或者连接原料气源1；风洞洞体7内还安装有洞体压缩机8；保温层9覆盖在风洞系统中气流温度低于或高于环境温度的设备、管道和阀门上；
换热装置为换热器10或者气流输入/排出装置11中的一种；选择换热器10时，透平膨胀机6使用的气体与风洞洞体7的气体相同或者不同；选择气流输入/排出装置11时，透平膨胀机6使用的气体与风洞洞体7的气体相同。
进一步地，所述的压缩机3为一级或多级压缩机3，压缩机冷却器4为与压缩机3配套的一级或多级压缩机冷却器4。
进一步地，所述的回热器5为一级或多级回热器5。
进一步地，所述的透平膨胀机6为一级或多级透平膨胀机6。
进一步地，所述的透平膨胀机6的出口气流热力状态为单相过热流体或者气液两相流体。
进一步地，所述的风洞洞体7中的风洞试验段为直通段或者型面结构段。
进一步地，所述的换热器10设置在风洞洞体7内的任意部段处。
进一步地，所述的气流输入/排出装置11的输入口和排出口设置在风洞洞体7的同一部段处，或者分开设置在风洞洞体7的两个不同部段处。
本发明的采用逆布雷顿循环控制温度的连续式风洞试验方法，包括以下步骤：
a.气体纯化；原料气源1中的原料气进入原料气纯化装置2，原料气中的纯净气体工质被保留，烷烃类、二氧化碳、水分及杂质被除去，得到气体Ⅰ；
b.气体压缩冷却；气体Ⅰ经过压缩机3压缩，压力和温度升高，再经压缩机冷却器4冷却，降温至环境温度，得到气体Ⅱ；
c.气体膨胀；气体Ⅱ首先经过回热器5的高温侧、在回热器5内将温度继续降低，得到气体Ⅲ，气体Ⅲ进入透平膨胀机6进行等熵膨胀降温，在透平膨胀机6中，根据风洞试验要求，气体Ⅲ进行过热的单相膨胀或两相膨胀，得到气体Ⅳ；
d.风洞吹风；气体Ⅳ进入风洞洞体7，与风洞洞体7内的换热装置换热，再经洞体压缩机8及后续部段后进入试验段，提供满足风洞试验雷诺数、马赫数要求的吹风气流，进行风洞试验，出口气流为气体Ⅴ；
e.余气处理；气体Ⅴ进入回热器5的低温侧，在回热器5内与气体Ⅱ进行换热，复温后得到气体Ⅵ，气体Ⅵ从回热器5低温侧出口直接排放到大气环境或进入原料气纯化装置2进行再循环。
实施例1
本实施例见图1，重点位置是，气体Ⅳ进入风洞洞体7内的换热器10，对风洞洞体7内的气流进行间壁式换热，提供满足风洞试验雷诺数、马赫数要求的吹风气流，进行风洞试验，换热器10出口气流为气体Ⅴ。
实施例2
本实施例见图2，与实施例1的主要区别是，气体Ⅳ进入风洞洞体7内的气流输入/排出装置11，与风洞的气流相混合进行换热，提供满足风洞试验雷诺数、马赫数要求的吹风气流，进行风洞试验，气流输入/排出装置11的出口气流为气体Ⅴ。
值得注意的是，气流输入/排出装置11的输入口在图2现在的位置，但是排出口可设置于洞体压缩机8下游的任何位置。
实施例1和实施例2采用基于透平膨胀机的逆布雷顿循环的风洞系统温度调节方法，即压缩后的气体经透平膨胀机6等熵绝热膨胀降温降压后进入风洞洞体7对试验段的试验气流进行温度调节，提供风洞试验所需的试验气流总温状态，以满足试验段所需雷诺数、马赫数指标，特别是提供低温运行必要的冷量，通过温度的降低提高雷诺数。其中，透平膨胀机6的膨胀比、转速在透平技术条件可以达到的范围内能够任意变化或调节，透平膨胀机6可根据风洞试验要求来匹配试验段的试验气流总温需求，更进一步进行等熵绝热膨胀至气液两相状态，提供接近或达到同等压力下的气-液两相气流，进一步提高风洞试验的模拟雷诺数和马赫数。气体工质为氮的情况下，低温温区可低至液氮温度，透平膨胀机6可在从常温温区到低温温区稳定运行，深入低温温区后能够进行风洞高模拟雷诺数试验。
实施例1和实施例2的具体实施方式如下：
原料气源1中的气体经过原料气纯化装置2进行纯化以滤除杂质，得到气体Ⅰ；然后经过压缩机3、压缩机冷却器4以进行压缩和冷却，得到气体Ⅱ，该压缩-冷却过程可使用多级压缩机3和压缩机冷却器4串联布置，以达到连续式风洞系统所需气体压力。然后将经过纯化、压缩、冷却后的气体Ⅱ输送到回热器5进行初步换热降温，得到气体Ⅲ，换热过程可布置多台回热器5串联，以达到需要的透平进口气流温度。回热后的气体Ⅲ进入透平膨胀机6进行绝热膨胀，得到气体Ⅳ，绝热膨胀过程也可根据需要进行多级透平膨胀机6串联布置；绝热膨胀后的气体Ⅳ输送到风洞洞体7对试验段的试验气流进行温度调节，气体Ⅳ对试验段的试验气流的温度调节方式，可以采用风洞洞体7中设置换热器10的方式，也可采用将气体Ⅳ直接输入风洞洞体7通过气流输入/排出装置11与洞体的气流进行混合并排出的方式，换热器10或气流输入/排出装置11的出口气流为气体Ⅴ，气体Ⅴ经过回热器5与气体Ⅱ进行换热，得到气体Ⅵ；气体Ⅵ可进行放空或循环进入原料气源1进行再压缩。
其中，气体Ⅱ能够冷却到环境温度的水平，且提供透平膨胀机6所需进口压力值。气体Ⅲ的气体压力根据透平膨胀机6所需进口压力和风洞试验段气流总压确定，在透平膨胀机6中，根据风洞试验工况需要进行过热的单相膨胀或气液两相膨胀。气体Ⅳ提供试验段所需的风洞试验的总温条件。气体Ⅵ的温度接近环境温度，可直接排放到大气环境或进入原料气纯化装置2进行再循环。
洞体压缩机8在连续式风洞中的安装位置根据连续式风洞的结构进行设计确定。
保温层9根据需要设置在循环中气流温度低于或高于环境温度的设备、管道和阀门上。
风洞采用换热器10进行间壁式换热时，换热器10可合理设置于风洞洞体7任意部段。
风洞采用气流输入/排出装置11进行直接混合换热时，气流输入/排出装置11的输入口和排出口可分开设置于风洞洞体7的两个不同部段。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.采用逆布雷顿循环控制温度的连续式风洞系统，其特征在于，所述的连续式风洞系统包括沿气流方向顺序连接的原料气源（1）、原料气纯化装置（2）、压缩机（3）、压缩机冷却器（4）、回热器（5）的高温侧、透平膨胀机（6）、风洞洞体（7）内的换热装置、回热器（5）的低温侧，回热器（5）的低温侧出口直通大气环境或者连接原料气源（1）；风洞洞体（7）内还安装有洞体压缩机（8）；保温层（9）覆盖在风洞系统中气流温度低于或高于环境温度的设备、管道和阀门上；
换热装置为换热器（10）或者气流输入/排出装置（11）中的一种；选择换热器（10）时，透平膨胀机（6）使用的气体与风洞洞体（7）的气体相同或者不同；选择气流输入/排出装置（11）时，透平膨胀机（6）使用的气体与风洞洞体（7）的气体相同。
2.根据权利要求1所述的采用逆布雷顿循环控制温度的连续式风洞系统，其特征在于，所述的压缩机（3）为一级或多级压缩机（3），压缩机冷却器（4）为与压缩机（3）配套的一级或多级压缩机冷却器（4）。
3.根据权利要求1所述的采用逆布雷顿循环控制温度的连续式风洞系统，其特征在于，所述的回热器（5）为一级或多级回热器（5）。
4.根据权利要求1所述的采用逆布雷顿循环控制温度的连续式风洞系统，其特征在于，所述的透平膨胀机（6）为一级或多级透平膨胀机（6）。
5.根据权利要求1所述的采用逆布雷顿循环控制温度的连续式风洞系统，其特征在于，所述的透平膨胀机（6）的出口气流热力状态为单相过热流体或者气液两相流体。
6.根据权利要求1所述的采用逆布雷顿循环控制温度的连续式风洞系统，其特征在于，所述的风洞洞体（7）中的风洞试验段为直通段或者型面结构段。
7.根据权利要求1所述的采用逆布雷顿循环控制温度的连续式风洞系统，其特征在于，所述的换热器（10）设置在风洞洞体（7）内的任意部段处。
8.根据权利要求1所述的采用逆布雷顿循环控制温度的连续式风洞系统，其特征在于，所述的气流输入/排出装置（11）的输入口和排出口设置在风洞洞体（7）的同一部段处，或者分开设置在风洞洞体（7）的两个不同部段处。
9.采用逆布雷顿循环控制温度的连续式风洞试验方法，其使用权利要求1~8中的任意一种采用逆布雷顿循环控制温度的连续式风洞系统，其特征在于，包括以下步骤：
a.气体纯化；原料气源（1）中的原料气进入原料气纯化装置（2），原料气中的纯净气体工质被保留，烷烃类、二氧化碳、水分及杂质被除去，得到气体Ⅰ；
b.气体压缩冷却；气体Ⅰ经过压缩机（3）压缩，压力和温度升高，再经压缩机冷却器（4）冷却，降温至环境温度，得到气体Ⅱ；
c.气体膨胀；气体Ⅱ首先经过回热器（5）的高温侧、在回热器（5）内将温度继续降低，得到气体Ⅲ，气体Ⅲ进入透平膨胀机（6）进行等熵膨胀降温，在透平膨胀机（6）中，根据风洞试验要求，气体Ⅲ进行过热的单相膨胀或两相膨胀，得到气体Ⅳ；
d.风洞吹风；气体Ⅳ进入风洞洞体（7），与风洞洞体（7）内的换热装置换热，再经洞体压缩机（8）及后续部段后进入试验段，提供满足风洞试验雷诺数、马赫数要求的吹风气流，进行风洞试验，出口气流为气体Ⅴ；
e.余气处理；气体Ⅴ进入回热器（5）的低温侧，在回热器（5）内与气体Ⅱ进行换热，复温后得到气体Ⅵ，气体Ⅵ从回热器（5）低温侧出口直接排放到大气环境或进入原料气纯化装置（2）进行再循环。
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