CN116046320A - 一种高超声速高温风洞气动布局方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于大型风洞设备建设领域,公开了一种高超声速高温风洞气动布局方法。高超声速高温风洞气动布局方法包括进行气动系统设计;进行气动布局设计;进行分系统气动布局设计。本发明的高超声速高温风洞气动布局方法能够实现氮气系统、异丁烷系统、液氧系统、空气系统的气动布局。气动布局集成度高、实用性强,各分系统完全独立,安全性高、维护性好。
Description
技术领域
本发明属于大型风洞设备建设领域,具体涉及一种高超声速高温风洞气动布局方法。
背景技术
高超声速风洞是空气动力领域的重要基础设施设备,主要用于开展马赫数大于5的高超声速气动试验,高超声速高温风洞在高超声速风洞基础上增加了温度模拟能力,高超声速高温风洞的马赫数和温度综合模拟能力更接近真实飞行条件。
受制于发展过程等历史原因,气动布局未能考虑长远发展需求,许多高超声速高温风洞设备最初规划预留的空间不足,在不断增加分系统、提升设备能力的过程中,产生了气动布局拥挤,具体体现为:
1.整体气动布局不合理,导致试验能力受限、运行安全存在隐患、维护费用高昂等问题;
2.引射方案所需的配套设备复杂、长时间运行能力不足、噪声影响较大。
当前,亟需发展一种考虑多种需求、提升综合试验能力的高超声速高温风洞气动布局方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高超声速高温风洞气动布局方法,为高超声速高温风洞建设提供气动布局技术方案。
本发明的高超声速高温风洞气动布局方法,包括以下步骤:
S10.进行气动系统设计;
根据高超声速高温风洞试验需求,确定高超声速高温风洞满足两种试验要求,一种是试验时间30秒以内的气动试验,另一种是试验时间30秒以上的热考核试验和发动机试验;同时,确定高超声速高温风洞的氧化剂为空气和氧气的混合气体,燃料为异丁烷,空气为高压空气,氧气为液态氧,异丁烷为液态异丁烷,利用氮气为液氧和液态异丁烷增压;
S20.进行气动布局设计;
气动布局包括通过管道和阀门从前至后顺序连接的空氧混合装置、燃烧加热装置、试验舱、扩压器和真空球罐;空氧混合装置的入口并联液氧系统和空气系统;燃烧加热装置的进气口分别连接异丁烷系统和氮气系统;真空球罐出口分成两路,一路连接预抽真空系统,另一路顺序连接冷凝装置和真空泵组;同时,氮气系统还分别连接液氧系统和异丁烷系统,为液氧和液态异丁烷增压;
S30.进行分系统气动布局设计;
S31.氮气系统气动布局设计;
氮气系统采用高压、中压、低压气动布局方案,包括通过管道和阀门从前至后顺序连接的液氮储罐、液氮汽化器及泵组、高压氮气储罐组、第一减压装置及配套阀门组、中压氮气储罐组、第二减压装置及配套阀门组和低压氮气储罐组;
液氮储罐和液氮汽化器及泵组将液氮气化为氮气,为高压氮气储罐组增压,高压氮气储罐组的工作压力不低于30MPa;第一减压装置及配套阀门组将高压氮气储罐组中的高压氮气减压为中压氮气,并输入至中压氮气储罐组,同时隔绝高压氮气储罐组和中压氮气储罐组,中压氮气储罐组的工作压力不低于10MPa;第二减压装置及配套阀门组将中压氮气储罐组中的中压氮气减压为低压氮气并输入至低压氮气储罐组,同时隔绝中压氮气储罐组和低压氮气储罐组,低压氮气储罐组的工作压力不低于1MPa;
高压氮气储罐组分别为液氧系统和异丁烷系统提供增压氮气,中压氮气储罐组提供阀门控制气和消防氮气,低压氮气储罐组提供临时气源;
S32.异丁烷系统气动布局设计;
异丁烷系统包括通过管道和阀门从前至后顺序连接的低压异丁烷储罐,并联的氮气增压系统和机械泵增压系统,以及高压异丁烷储罐;
并联的氮气增压系统和机械泵增压系统为低压异丁烷储罐内的液态异丁烷向高压异丁烷储罐加注提供了两条路径,使用时根据使用条件选择其中的一种;完成加注后,高压氮气储罐组向高压异丁烷储罐增压,将高压异丁烷储罐中的高压异丁烷输入至燃烧加热装置,作为燃料工质参与燃烧反应,获得高温燃气;
S33.液氧系统气动布局设计;
液氧系统包括通过管道和阀门从前至后顺序连接的低压液氧储罐、高压液氧液氮储罐和多层保冷管道;
高超声速高温风洞试验前,将液氮储罐中的液氮通过液氮汽化器及泵组加注至多层保冷管道的外层并进行冷却,达到指定温度后,通过液氧的自增压特性将低压液氧储罐加注至高压液氧液氮储罐,并通入多层保冷管道的内层进行液氧预冷,达到指定温度后利用高压氮气储罐组向高压液氧液氮储罐增压,将液氧供应至空氧混合装置,实现液态氧和气态空气的均匀掺混,随后供应至燃烧加热装置,作为氧化剂参与燃烧反应,获得高温燃气。
所述的阀门包括截止阀、单向阀、溢流阀、快开阀中的一种或者二种以上的组合阀门。
本发明的高超声速高温风洞气动布局方法能够实现氮气系统、异丁烷系统、液氧系统、空气系统的气动布局。气动布局集成度高、实用性强,各分系统完全独立,安全性高、维护性好。
附图说明
图1为本发明的高超声速高温风洞气动布局方法获得的气动布局示意图;
图2为本发明的高超声速高温风洞气动布局方法获得的氮气系统气动布局示意图;
图3为本发明的高超声速高温风洞气动布局方法获得的异丁烷系统气动布示意图;
图4为本发明的高超声速高温风洞气动布局方法获得的液氧系统气动布局示意图。
图中,101.液氧系统;102.空气系统;103.异丁烷系统;104.氮气系统;105.空氧混合装置;106.燃烧加热装置;107.试验舱;108.扩压器;109.真空球罐;110.预抽真空系统;111.冷凝装置;112.真空泵组;
101-1.低压液氧储罐;101-2.高压液氧液氮储罐;101-3.多层保冷管道;
103-1.低压异丁烷储罐;103-2.氮气增压系统;103-3.机械泵增压系统;103-4.高压异丁烷储罐;
104-1.液氮储罐;104-2.液氮汽化器及泵组;104-3.高压氮气储罐组;104-4.第一减压装置及配套阀门组;104-5.中压氮气储罐组;104-6.第二减压装置及配套阀门组;104-7.低压氮气储罐组。
实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
实施例1:
本实施例的高超声速高温风洞气动布局方法,包括以下步骤:
S10.进行气动系统设计;
根据高超声速高温风洞试验需求,确定高超声速高温风洞满足两种试验要求,一种是试验时间30秒以内的气动试验,另一种是试验时间30秒以上的热考核试验和发动机试验;同时,确定高超声速高温风洞的氧化剂为空气和氧气的混合气体,燃料为异丁烷,空气为高压空气,氧气为液态氧,异丁烷为液态异丁烷,利用氮气为液氧和液态异丁烷增压;
S20.进行气动布局设计;
如图1所示,气动布局包括通过管道和阀门从前至后顺序连接的空氧混合装置105、燃烧加热装置106、试验舱107、扩压器108和真空球罐109;空氧混合装置105的入口并联液氧系统101和空气系统102;燃烧加热装置106的进气口分别连接异丁烷系统103和氮气系统104;真空球罐109出口分成两路,一路连接预抽真空系统110,另一路顺序连接冷凝装置111和真空泵组112;同时,氮气系统104还分别连接液氧系统101和异丁烷系统103,为液氧和液态异丁烷增压;
S30.进行分系统气动布局设计;
S31.氮气系统104气动布局设计;
如图2所示,氮气系统104采用高压、中压、低压气动布局方案,包括通过管道和阀门从前至后顺序连接的液氮储罐104-1、液氮汽化器及泵组104-2、高压氮气储罐组104-3、第一减压装置及配套阀门组104-4、中压氮气储罐组104-5、第二减压装置及配套阀门组104-6和低压氮气储罐组104-7;
液氮储罐104-1和液氮汽化器及泵组104-2将液氮气化为氮气,为高压氮气储罐组104-3增压,高压氮气储罐组104-3的工作压力不低于30MPa;第一减压装置及配套阀门组104-4将高压氮气储罐组104-3中的高压氮气减压为中压氮气,并输入至中压氮气储罐组104-5,同时隔绝高压氮气储罐组104-3和中压氮气储罐组104-5,中压氮气储罐组104-5的工作压力不低于10MPa;第二减压装置及配套阀门组104-6将中压氮气储罐组104-5中的中压氮气减压为低压氮气并输入至低压氮气储罐组104-7,同时隔绝中压氮气储罐组104-5和低压氮气储罐组104-7,低压氮气储罐组104-7的工作压力不低于1MPa;
高压氮气储罐组104-3分别为液氧系统101和异丁烷系统103提供增压氮气,中压氮气储罐组104-5提供阀门控制气和消防氮气,低压氮气储罐组104-7提供临时气源;
S32.异丁烷系统103气动布局设计;
如图3所示,异丁烷系统103包括通过管道和阀门从前至后顺序连接的低压异丁烷储罐103-1,并联的氮气增压系统103-2和机械泵增压系统103-3,以及高压异丁烷储罐103-4;
并联的氮气增压系统103-2和机械泵增压系统103-3为低压异丁烷储罐103-1内的液态异丁烷向高压异丁烷储罐103-4加注提供了两条路径,使用时根据使用条件选择其中的一种;完成加注后,高压氮气储罐组104-3向高压异丁烷储罐103-4增压,将高压异丁烷储罐103-4中的高压异丁烷输入至燃烧加热装置106,作为燃料工质参与燃烧反应,获得高温燃气;
S33.液氧系统101气动布局设计;
如图4所示,液氧系统101包括通过管道和阀门从前至后顺序连接的低压液氧储罐101-1、高压液氧液氮储罐101-2和多层保冷管道101-3;
高超声速高温风洞试验前,将液氮储罐104-1中的液氮通过液氮汽化器及泵组104-2加注至多层保冷管道101-3的外层并进行冷却,达到指定温度后,通过液氧的自增压特性将低压液氧储罐101-1加注至高压液氧液氮储罐101-2,并通入多层保冷管道101-3的内层进行液氧预冷,达到指定温度后利用高压氮气储罐组104-3向高压液氧液氮储罐101-2增压,将液氧供应至空氧混合装置105,实现液态氧和气态空气的均匀掺混,随后供应至燃烧加热装置106,作为氧化剂参与燃烧反应,获得高温燃气。
进一步地,所述的阀门包括截止阀、单向阀、溢流阀、快开阀中的一种或者二种以上的组合阀门。
本发明不局限于上述具体实施方式,所属技术领域的技术人员从上述构思出发,不经过创造性的劳动,所作出的种种变换,均落在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种高超声速高温风洞气动布局方法,其特征在于,所述的气动布局方法包括以下步骤:
S10.进行气动系统设计;
根据高超声速高温风洞试验需求,确定高超声速高温风洞满足两种试验要求,一种是试验时间30秒以内的气动试验,另一种是试验时间30秒以上的热考核试验和发动机试验;同时,确定高超声速高温风洞的氧化剂为空气和氧气的混合气体,燃料为异丁烷,空气为高压空气,氧气为液态氧,异丁烷为液态异丁烷,利用氮气为液氧和液态异丁烷增压;
S20.进行气动布局设计;
气动布局包括通过管道和阀门从前至后顺序连接的空氧混合装置(105)、燃烧加热装置(106)、试验舱(107)、扩压器(108)和真空球罐(109);空氧混合装置(105)的入口并联液氧系统(101)和空气系统(102);燃烧加热装置(106)的进气口分别连接异丁烷系统(103)和氮气系统(104);真空球罐(109)出口分成两路,一路连接预抽真空系统(110),另一路顺序连接冷凝装置(111)和真空泵组(112);同时,氮气系统(104)还分别连接液氧系统(101)和异丁烷系统(103),为液氧和液态异丁烷增压;
S30.进行分系统气动布局设计;
S31.氮气系统(104)气动布局设计;
氮气系统(104)采用高压、中压、低压气动布局方案,包括通过管道和阀门从前至后顺序连接的液氮储罐(104-1)、液氮汽化器及泵组(104-2)、高压氮气储罐组(104-3)、第一减压装置及配套阀门组(104-4)、中压氮气储罐组(104-5)、第二减压装置及配套阀门组(104-6)和低压氮气储罐组(104-7);
液氮储罐(104-1)和液氮汽化器及泵组(104-2)将液氮气化为氮气,为高压氮气储罐组(104-3)增压,高压氮气储罐组(104-3)的工作压力不低于30MPa;第一减压装置及配套阀门组(104-4)将高压氮气储罐组(104-3)中的高压氮气减压为中压氮气,并输入至中压氮气储罐组(104-5),同时隔绝高压氮气储罐组(104-3)和中压氮气储罐组(104-5),中压氮气储罐组(104-5)的工作压力不低于10MPa;第二减压装置及配套阀门组(104-6)将中压氮气储罐组(104-5)中的中压氮气减压为低压氮气并输入至低压氮气储罐组(104-7),同时隔绝中压氮气储罐组(104-5)和低压氮气储罐组(104-7),低压氮气储罐组(104-7)的工作压力不低于1MPa;
高压氮气储罐组(104-3)分别为液氧系统(101)和异丁烷系统(103)提供增压氮气,中压氮气储罐组(104-5)提供阀门控制气和消防氮气,低压氮气储罐组(104-7)提供临时气源;
S32.异丁烷系统(103)气动布局设计;
异丁烷系统(103)包括通过管道和阀门从前至后顺序连接的低压异丁烷储罐(103-1),并联的氮气增压系统(103-2)和机械泵增压系统(103-3),以及高压异丁烷储罐(103-4);
并联的氮气增压系统(103-2)和机械泵增压系统(103-3)为低压异丁烷储罐(103-1)内的液态异丁烷向高压异丁烷储罐(103-4)加注提供了两条路径,使用时根据使用条件选择其中的一种;完成加注后,高压氮气储罐组(104-3)向高压异丁烷储罐(103-4)增压,将高压异丁烷储罐(103-4)中的高压异丁烷输入至燃烧加热装置(106),作为燃料工质参与燃烧反应,获得高温燃气;
S33.液氧系统(101)气动布局设计;
液氧系统(101)包括通过管道和阀门从前至后顺序连接的低压液氧储罐(101-1)、高压液氧液氮储罐(101-2)和多层保冷管道(101-3);
高超声速高温风洞试验前,将液氮储罐(104-1)中的液氮通过液氮汽化器及泵组(104-2)加注至多层保冷管道(101-3)的外层并进行冷却,达到指定温度后,通过液氧的自增压特性将低压液氧储罐(101-1)加注至高压液氧液氮储罐(101-2),并通入多层保冷管道(101-3)的内层进行液氧预冷,达到指定温度后利用高压氮气储罐组(104-3)向高压液氧液氮储罐(101-2)增压,将液氧供应至空氧混合装置(105),实现液态氧和气态空气的均匀掺混,随后供应至燃烧加热装置(106),作为氧化剂参与燃烧反应,获得高温燃气。
2.根据权利要求1所述的高超声速高温风洞气动布局方法,其特征在于,所述的阀门包括截止阀、单向阀、溢流阀、快开阀中的一种或者二种以上的组合阀门。
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CN116498896A (zh) * | 2023-06-27 | 2023-07-28 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | 一种高超声速高温风洞的燃料供应系统及其设计方法 |
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