DE3514437C2

DE3514437C2 -

Info

Publication number: DE3514437C2
Application number: DE19853514437
Authority: DE
Inventors: Jochen Dr.-Ing. 3400 Goettingen De Amecke
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1985-04-20
Filing date: 1985-04-20
Publication date: 1988-01-14
Also published as: DE3514437A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kryo-Windkanal mit einer geschlossenen Rohrleitung zur Führung des Strömungs mediums, insbesondere Stickstoff, einem Kompressor als Antrieb für das Strömungsmedium und einer der Kühlung dienenden Zufuhr für flüssiges Strömungsmedium sowie einer Abblaseeinrichtung für gasförmiges Strömungsmedium sowie einer Meßstrecke.The invention relates to a cryogenic wind tunnel a closed pipe to guide the flow mediums, especially nitrogen, a compressor as a drive for the flow medium and a supply for cooling for liquid flow medium and a blow-off device for gaseous flow medium and a measuring section.

Ein solcher Kryo-Windkanal ist z. B. aus der Druckschrift DFVLR Versuchsanlagen, Köln 1983, Blatt B 3.1-4 "Kryo-Windkanal" bekannt.Such a cryogenic wind tunnel is e.g. B. from the publication DFVLR test facilities, Cologne 1983, sheet B 3.1-4 "Cryo wind tunnel" known.

Die Strömungseigenschaften von Flugzeugen und anderen Gegen ständen wurden in Windkanälen an verkleinerten Modellen unter sucht. Um die Übertragbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten, müssen die Ähnlichkeitsgesetze erfüllt sein. Das bedeutet, daß die für die Strömung charakteristischen ParameterThe flow characteristics of aircraft and other counter stands were placed in wind tunnels on smaller models looking for. To ensure the transferability of the results, the similarity laws must be fulfilled. It means that the parameters characteristic of the flow

Reynoldszahl (für die Reibungseffekte)
Machzahl (für die Kompressibilitätseffekte)Reynolds number (for the friction effects)
Mach number (for the compressibility effects)

am verkleinerten Modell im Windkanal und bei dem Gegenstand in Originalgröße gleich sein müssen.on the scaled-down model in the wind tunnel and on the object must be the same in original size.

Mit Windkanälen, die bei Umgebungstemperatur arbeiten, ist es aus wirtschaftlichen und technischen Gründen nicht möglich, die erforderlichen Reynoldzahlen zu erreichen. Nur durch Absenken der Arbeitstemperatur im Windkanal (Kryo-Windkanal) ist es möglich, die Reynoldszahl in ausreichendem Maße zu steigern. With wind tunnels that work at ambient temperature it is not possible for economic and technical reasons to achieve the required Reynold numbers. Only by Lowering the working temperature in the wind tunnel (cryo wind tunnel) it is possible to increase the Reynolds number sufficiently increase.

Kryo-Windkanäle der eingangs beschriebenen Art sind auch aus den Druckschriften DFVLR - Versuchsanlagen für Luft fahrtforschung und Raumfahrttechnologie Köln 1981, Blatt B 3.1-4 "Kryo-Kanal Köln" und Aeronautical Journal, Nov. 1984, S. 379-394, s. insb. die Figuren 15 und 17, bekannt.Cryogenic wind tunnels of the type described in the introduction are also from the publications DFVLR - test facilities for air aerospace research and space technology Cologne 1981, Sheet B 3.1-4 "Kryo-Kanal Köln" and Aeronautical Journal, Nov. 1984, pp. 379-394, p. especially Figures 15 and 17, known.

Die erforderliche Kühlung erfolgt bei den Windkanälen der eingangs genannten Art durch Einspritzen von flüssigem Stickstoff in den Kreislauf. Dieser Stickstoff ist gleichzeitig im Strö mungsmedium im Windkanal. Man erreicht auf diese Weise Arbeits temperaturen im Windkanal bis herab zu 80°K. Zum Ausgleich der Massenbilanz muß die gleiche Menge Stickstoff im gas förmigen Zustand abgeblasen werden.The necessary cooling takes place in the wind tunnels at the beginning mentioned type by injecting liquid nitrogen into the cycle. This nitrogen is at the same time in the stream medium in the wind tunnel. Work is achieved in this way temperatures in the wind tunnel down to 80 ° K. To compensate The mass balance must have the same amount of nitrogen in the gas shaped state are blown off.

Nachteilig ist beim Betrieb dieser bekannten Windkanäle vor allem der sehr hohe Stickstoffverbrauch. Das führt zu Be triebskosten, die um ein Vielfaches höher sind als bei einem Windkanal, der mit gleichen Abmessungen bei Umgebungstemperatur arbeitet. Außerdem treten erhebliche Kosten für Anlieferung, Bevorratung und Einspritzung des flüssigen Stickstoffes auf. Zusätzliche Probleme ergeben sich dadurch, daß aus dem Wind kanalkreislauf die gleiche Menge kaltes (noch arbeitsfähiges) Stickstoffgas abgeblasen werden muß.A disadvantage is the operation of these known wind tunnels especially the very high nitrogen consumption. That leads to Be drive costs that are many times higher than for one Wind tunnel with the same dimensions at ambient temperature is working. In addition, there are considerable costs for delivery, Storage and injection of liquid nitrogen. Additional problems arise from the fact that the wind channel circuit the same amount of cold (still working) Nitrogen gas must be blown off.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kryo-Windkanal der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden, daß bei seinem Betrieb ein wesentlich geringerer Energieverbrauch und ein reduzierter Strömungsmittelverbrauch auftritt. The invention has for its object a cryo wind tunnel the type described in such a way that at its operation a significantly lower energy consumption and reduced fluid consumption occurs.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die ge schlossene Rohrleitung aus einer, die Meßstrecke umfassenden Versuchsschleife und einer bei Umgebungstemperaturen arbeitenden Kompressorschleife besteht, und daß das Ende der Versuchsschleife mit dem Anfang der Kompressorschleife sowie das Ende der Kompressor schleife mit dem Anfang der Versuchsschleife über einen Wärme tauscher verbunden ist. Die Erfindung löst sich vom Stand der Technik, in welchem sowohl bei kontinuierlichen Windkanälen als auch bei intermittierend betriebenen Windkanälen ringförmige, also in Form einer Null angeordnete Rohrleitungen Verwendung finden. Es wird eine Versuchsschleife und eine Kompressorschleife gebildet, wo bei der Vorteil auftritt, daß in den beiden Schleifen mit un terschiedlichen Temperaturen gearbeitet werden kann. In der Versuchsschleife ist die tiefe Temperatur erforderlich, wobei diese Versuchsschleife von der entsprechenden Isolie rung umgeben ist. In der Versuchsschleife kann somit eine beliebige Temperatur herrschen, die von den Versuchsanfor derungen bestimmt wird. Im stationären Betrieb hat das Strömungsmedium, also insbesondere das Stickstoffgas, in der Kompressorschleife eine für den Betrieb des Kompres sors und die Kühlung des Strömungsmediums günstige Tempera tur nahe der Umgebungstemperatur, so daß die Kompressor schleife ohne aufwendige Wärmeisolierung gebaut und betrie ben wird, wobei gleichzeitig der weitere Vorteil auftritt, daß die einzelnen Aggregate in dieser Kompressorschleife für Montage-Wartungs- und Reparaturarbeiten leicht zugänglich sind.According to the invention this is achieved in that the ge closed pipeline from a comprehensive, the measuring section Test loop and one working at ambient temperatures Compressor loop exists, and that the end of the trial loop with the beginning of the compressor loop as well as the end of the compressor loop over a heat with the beginning of the test loop exchanger is connected. The invention separates from the prior art Technology in which both in continuous wind tunnels even with intermittently operated wind tunnels pipes arranged in the form of a zero are used. It a test loop and a compressor loop are formed where at the advantage occurs that in the two loops with un different temperatures can be worked. In the low temperature is required for the test loop, this test loop from the appropriate isolation is surrounded. In the test loop, a any temperature prevailing from the experimental requirements changes is determined. In stationary operation that has Flow medium, in particular the nitrogen gas, in the compressor loop one for the operation of the compress sors and the cooling of the flow medium favorable tempera tur near the ambient temperature, so the compressor loop built and operated without expensive thermal insulation ben, while at the same time the further advantage arises that the individual units in this compressor loop for Assembly maintenance and repair work easily accessible are.

Als Wärmetauscher ist ein Gegenstromwärmetauscher vorgesehen. In einem solchen Gegenstromwärmetauscher wird das Strömungs medium einerseits um ungefähr die gleiche Temperaturdifferenz abgekühlt, wie der entgegengesetzte Strom des Strömungsmediums erwärmt wird. Dies gilt, weil die beiden Massenströme im Gegen stromwärmetauscher etwa gleich sind und die Enthalpie des Gases nur von der Temperatur abhängt, solange sich das Strö mungsmedium angenähert wie ein ideales Gas verhält. A counterflow heat exchanger is provided as the heat exchanger. In such a counterflow heat exchanger, the flow medium on the one hand by approximately the same temperature difference cooled like the opposite flow of the flow medium is heated. This is because the two mass flows are in the opposite electricity heat exchangers are approximately the same and the enthalpy of the Gases only depends on the temperature, as long as the flow medium approximately behaves like an ideal gas.

Praktisch wird die Temperatur in der Versuchsschleife aller dings aus folgenden Gründen nicht ganz konstant bleiben:
Realgaseffekte (Abhängigkeit der Enthalpie vom Druck)
Endliche Austauschfläche des Gegenstromwärmetauschers (Tem peraturdifferenz zwischen den beiden Strömen des Strömungs mediums durch den Gegenstromwärmetauscher)
Wärmedurchlässigkeit der Isolation (Einströmen von Wärme aus der Umgebung).In practice, however, the temperature in the test loop will not remain quite constant for the following reasons:
Real gas effects (dependence of enthalpy on pressure)
Finite exchange surface of the counterflow heat exchanger (temperature difference between the two flows of the flow medium through the counterflow heat exchanger)
Thermal permeability of the insulation (inflow of heat from the environment).

Die Temperatur in der Versuchsschleife muß deshalb durch Einspritzen von geringen Mengen flüssigen Strömungsmediums, insbesondere Stickstoff, konstant gehalten werden.The temperature in the test loop must therefore go through Injecting small quantities of liquid flow medium, especially nitrogen, are kept constant.

Vor Versuchsbeginn muß die Temperatur in der Versuchsschleife durch Einspritzen von flüssigem Strömungsmedium auf den ge wünschten Wert eingestellt werden.Before the start of the test, the temperature must be in the test loop by injecting liquid flow medium onto the ge desired value can be set.

Der erfindungsgemäße Kryo-Windkanal weist eine Reihe von weiteren Vorteilen auf:
Der Kompressor kann bei Umgebungstemperaturen arbeiten, also bei einer Temperatur, für die er optimal ausgelegt werden kann. Die in den Aggregaten und der Rohrleitung der Kompres sorschleife eingesetzten Werkstoffe, Bauelemente, Toleranzen usw. müssen nicht für kryogenen Betrieb ausgelegt werden. Die Kompressorschleife benötigt keine Wärmeisolierung. Die Versuchsschleife hingegen, die zweckmäßig eine Wärmeisolie rung aufweist, kann nicht nur bei niedrigen Temperaturen, sondern auch bei Umgebungstemperatur und bei jeder Zwischen temperatur zwischen der Auslegungstemperatur der Anlage und der Umgebungstemperatur wirtschaftlich betrieben werden. The cryogenic wind tunnel according to the invention has a number of further advantages:
The compressor can work at ambient temperatures, i.e. at a temperature for which it can be optimally designed. The materials, components, tolerances etc. used in the units and the pipeline of the compressor loop do not have to be designed for cryogenic operation. The compressor loop does not require thermal insulation. The test loop, however, which expediently has a thermal insulation, can be operated economically not only at low temperatures, but also at ambient temperature and at any intermediate temperature between the design temperature of the system and the ambient temperature.

Wenn Versuche bei Umgebungstemperaturen durchgeführt werden sollen, kann auf das Einspritzen von flüssigem Strömungsmedium verzichtet werden, und die anfallende Wärme allein von einem Kühler, insb. Wasserkühler, abgeführt werden, der in der Kompressorschleife, dem Kompressor nachgeschaltet, vorgesehen ist. Der Kühler bietet bei kryogenem Betrieb des Windkanals den weiteren Vorteil, daß die dem Kompressor zugeführte Energie mittels eines Kühlers (Flußkühlung, Kühltürme, Trockenkühlung) in konventioneller Weise direkt an die Umgebung abgeführt werden kann. Durch die Verwendung des Wärmetauschers und die Anordnung eines zusätzlichen Kühlers ergibt sich der besonders ge wichtige Vorteil, daß mit der Erfindung etwa bis zu 90% der bisher benötigten Menge an flüssigem Strömungsmittel, insb. Stickstoff, eingespart werden kann. Wegen dieses geringen Stick stoffverbrauchs unterliegt die Dauer eines Versuchs an sich auch keinen speziellen Einschränkungen. Damit entfällt auch eine aufwendige Regeltechnik, die beim Stand der Technik mit dem entsprechend hohen Stickstoffverbrauch erforderlich ist.When experiments are carried out at ambient temperatures should be able to inject liquid flow medium be dispensed with, and the heat generated by one alone Cooler, esp. Water cooler, are carried away in the Compressor loop, downstream of the compressor, is provided. The cooler offers the cryogenic operation of the wind tunnel further advantage that the energy supplied to the compressor by means of a cooler (river cooling, cooling towers, dry cooling) be dissipated directly to the environment in a conventional manner can. By using the heat exchanger and the arrangement an additional cooler results in the particularly ge important advantage that with the invention about up to 90% of Previously required amount of liquid fluid, esp. Nitrogen, can be saved. Because of this small stick substance consumption is subject to the duration of an experiment also no special restrictions. This also eliminates one elaborate control technology, which in the state of the art with the correspondingly high nitrogen consumption is required.

In der Kompressorschleife vor dem Kompressor kann die Abblase einrichtung angeordnet sein. Bei dem erfindungsgemäßen Wind kanal muß ja nur noch eine vergleichsweise geringe Menge Strömungsmedium in gasförmiger Form abgeblasen werde, wodurch die Umweltbelastung erheblich vermindert wird.The blow-off can occur in the compressor loop in front of the compressor be arranged. With the wind according to the invention channel only needs a comparatively small amount Flow medium is blown off in gaseous form, whereby the environmental impact is significantly reduced.

Die Zufuhr für flüssiges Strömungsmedium kann in der Ver suchsschleife vorgesehen sein. Es versteht sich, daß hier eine vergleichsweise geringe Menge flüssigen Strömungsmediums einge spritzt werden muß, und dies zudem nur dann, wenn bei tiefen Temperaturen gearbeitet wird.The supply for liquid flow medium can in the Ver search loop can be provided. It is understood that here comparatively small amount of liquid flow medium turned on must be injected, and this only when deep Temperatures is worked.

Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele weiter beschrieben. Es zeigtThe invention is based on several exemplary embodiments further described. It shows

Fig. 1 eine Prinzipsskizze des Kryo-Windkanals, Fig. 1 is a schematic diagram of the cryogenic wind tunnel,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Kryo- Windkanals für kontinuierlichen Betrieb, und Fig. 2 is a schematic representation of a cryogenic wind tunnel for continuous operation, and

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Kryo- Windkanals für intermittierenden Betrieb. Fig. 3 is a schematic representation of a cryogenic wind tunnel for intermittent operation.

Der in Fig. 1 anhand der Prinzipschaltung verdeutlichte Kryo-Windkanal 1 weist eine entsprechende Rohrleitung auf, in welcher die einzelnen Aggregate angeordnet sind. Die Rohrleitung ist in Form einer 8 angeordnet, so daß eine Versuchsschleife 2 und eine Kompressorschleife 3 gebildet sind, in deren Schnittpunkt ein Wärmetauscher 4, der ins besondere als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet ist, an geordnet ist. In der Versuchsschleife 2 ist eine Meßstrecke 5 vorgesehen, in deren Rohrleitungsabschnitt das zu unter suchende Modell angeordnet ist und die entsprechenden Meß einrichtungen untergebracht werden. Die Versuchsschleife 2 einschließlich der Meßstrecke 5 sowie der kalte Teil des Wärmetauschers 4 sind von einer Isolierung 6 umgeben.The cryogenic wind tunnel 1 illustrated in FIG. 1 on the basis of the basic circuit has a corresponding pipeline in which the individual units are arranged. The pipeline is arranged in the form of an 8, so that a test loop 2 and a compressor loop 3 are formed, in the intersection of which a heat exchanger 4 , which is designed in particular as a countercurrent heat exchanger, is arranged. In the test loop 2 , a measuring section 5 is provided, in the pipe section of which the model to be examined is arranged and the corresponding measuring devices are accommodated. The test loop 2 including the measuring section 5 and the cold part of the heat exchanger 4 are surrounded by insulation 6 .

In der Kompressorschleife 3 ist ein Kompressor 7, sowie diesem nachgeschaltet ein Kühler 8 angeordnet, der z. B. als Wasserkühler ausgebildet sein kann. Die Kompressor schleife 3 arbeitet etwa unter Umgebungsbedingungen, so daß die über den Kompressor 7 eingebrachte Wärmemenge über den Kühler 8 abgeschieden werden kann. In the compressor loop 3 , a compressor 7 , as well as a cooler 8 is arranged downstream thereof, the z. B. can be designed as a water cooler. The compressor loop 3 works approximately under ambient conditions, so that the amount of heat introduced via the compressor 7 can be separated via the cooler 8 .

Fig. 2 verdeutlicht schematisch einen kontinuierlich zu betreibenden Kryo-Windkanal. In der Versuchsschleife ist die Rohrleitung dem Wärmetauscher 4 nachgeschaltet mit einer Beruhigungskammer 9 ausgestattet, die zu der Meßstrec ke 5 führt. Das kalte Strömungsmedium bewegt sich in Rich tung des Pfeiles 10. Nach der Meßstrecke 5 ist eine Ein spritzeinrichtung 11 für flüssigen Stickstoff vorgesehen. Die Kompressorschleife 3 wird in Richtung der Pfeile 12 durchströmt, so daß im Wärmetauscher 4 das kalte Strömungs medium der Versuchsschleife 2 dem in den Wärmetauscher 4 einströmenden, vergleichsweise warmen Strömungsmedium ge mäß Pfeil 12 seine Wärme entzieht. Hierdurch arbeitet der Kompressor 7 etwa unter Umgebungstemperaturen, während in der Meßstrecke 5 die gewünschten tiefen Temperaturen auf treten. Durch diesen Kreislauf mit seinen zwei Teilkreis läufen wird der Verbrauch an flüssigem Strömungsmedium, ins besondere Stickstoff, ganz erheblich reduziert. Die geringe Stickstoffmenge, die für die Erreichung der tiefen Tempera turen erforderlich ist und die in der Einspritzeinrichtung 11 eingespritzt wird, wird über eine Abblaseeinrichtung 13 in Gasform etwa bei Umgebungstemperaturen abgeführt. Fig. 2 illustrates schematically a continuously operated cryogenic wind tunnel. In the test loop, the pipeline downstream of the heat exchanger 4 is equipped with a calming chamber 9 , which leads to the measuring path 5 . The cold flow medium moves in the direction of arrow 10 . After the measuring section 5 , an injection device 11 for liquid nitrogen is provided. The compressor loop 3 is flowed through in the direction of the arrows 12 , so that in the heat exchanger 4 the cold flow medium of the test loop 2 which flows into the heat exchanger 4 , comparatively warm flow medium according to arrow 12 removes its heat. As a result, the compressor 7 operates approximately at ambient temperatures, while the desired low temperatures occur in the measuring section 5 . This circuit with its two partial circuits significantly reduces the consumption of liquid flow medium, especially nitrogen. The small amount of nitrogen, which is required for reaching the low temperatures and which is injected into the injection device 11 , is discharged via a blow-off device 13 in gaseous form at approximately ambient temperatures.

Fig. 3 verdeutlicht einen Kryo-Windkanal am Beispiel eines Rohrwindkanals für intermittierenden Betrieb. Auch hier ist die Anordnung in Form der 8 und die Bildung der Versuchs schleife 2 und der Kompressorschleife 3 ersichtlich. Zu der besonderen Ausbildung der Versuchsschleife 2 gehört hier noch ein Speicherrohr 14 sowie ein Auffangbehälter 15, dem ein schnell öffnendes Ventil 16 vorgeschaltet ist. Fig. 3 illustrates a cryogenic wind tunnel using the example of a tubular wind tunnel for intermittent operation. The arrangement in the form of FIG. 8 and the formation of the test loop 2 and the compressor loop 3 can also be seen here. The special design of the test loop 2 also includes a storage tube 14 and a collecting container 15 , to which a quick-opening valve 16 is connected upstream.

Die Arbeitsweise dieses Windkanals ergibt sich für den Fach mann aus der Zeichnung in Verbindung mit den vorangehenden Ausführungen.
For the specialist, the mode of operation of this wind tunnel results from the drawing in conjunction with the preceding explanations.

Reference symbol list 1 = cryo wind tunnel
2 = test loop
3 = compressor loop
4 = heat exchanger
5 = measuring section
6 = insulation
7 = compressor
8 = cooler
9 = calming chamber
10 = arrow
11 = injection device
12 = arrow
13 = blow-off device
14 = storage tube
15 = collecting container
16 = valve

Claims

1. cryogenic wind tunnel with a closed pipe for guiding the flow medium, in particular nitrogen, a compressor as a drive for the flow medium and a cooling supply for liquid flow medium and a blow-off device for gaseous flow medium and a measuring section, characterized in that the closed pipe of one, the measurement section comprehensive test loop (2) and a temperatures at ambient working compressor loop (3), and that the end of the test loop pressorschleife with the beginning of Kom (3) and the end of the compressor loop (3) to the beginning of the Test loop ( 2 ) is connected via a heat exchanger ( 4 ).

2. Cryogenic wind tunnel according to claim 1, characterized in that in the compressor loop ( 3 ) a cooler ( 8 ), in particular a water cooler, is provided, which is connected downstream of the compressor ( 7 ).

3. Cryogenic wind tunnel according to claim 1 and 2, characterized in that in the compressor loop ( 3 ) in front of the compressor ( 7 ) the blow-off device ( 13 ) is arranged.

4. Cryogenic wind tunnel according to claims 1-3, characterized in that the supply ( 11 ) for liquid flow medium in the test loop ( 2 ) is provided.