RU1112880C

RU1112880C - Cryogenic wind tunnel

Info

Publication number: RU1112880C
Authority: RU
Inventors: С.Ю. Борисов; А.Л. Искра; А.П. Филатов
Original assignee: ЦАГИ им.проф.Н.Е.Жуковского
Priority date: 1982-12-30
Filing date: 1982-12-30
Publication date: 1994-04-15

Description

Изобретение относится к области экспериментальной аэродинамики и может быть использовано при создании установок для аэродинамических исследований при больших числах Рейнольдса (Re≥10˙10⁶).The invention relates to the field of experimental aerodynamics and can be used to create installations for aerodynamic research at high Reynolds numbers (Re≥10˙10 ⁶ ).

Известна криогенная аэродинамическая установка, содержащая герметичный корпус, снабженный вакуумной теплоизоляцией, в котором размещены рабочая часть, форкамера и диффузор, соединенные обратным каналом, в котором установлены спрямляющие поток ребра, выполненные полыми и объединенные между собой кольцевыми коллекторами для подачи хладагента - жидкого азота. Known cryogenic aerodynamic installation containing a sealed enclosure equipped with vacuum thermal insulation, which houses the working part, chamber and diffuser, connected by a return channel, which has flow straightening ribs made hollow and interconnected by annular collectors for supplying refrigerant - liquid nitrogen.

Недостатком трубы является сложность и трудность обеспечения необходимой равномерности и постоянства температуры и давления потока, что приводит к ухудшению качества. The disadvantage of the pipe is the complexity and difficulty of ensuring the necessary uniformity and constancy of the temperature and pressure of the stream, which leads to a deterioration in quality.

Наиболее близкой по своей технической сущности и достигаемому результату к изобретению является криогенная аэродинамическая труба, содержащая форкамеру, рабочую часть, диффузор с эжекторами, обратный канал, вертикально размещенные регенераторы холода с насадкой и систему впрыска хладагента в поток, включающую форсунки и трубопроводы подвода жидкого азота к ним. The closest in technical essence and the achieved result to the invention is a cryogenic wind tunnel containing a prechamber, a working part, a diffuser with ejectors, a return channel, vertically placed cold regenerators with a nozzle and a system for injecting refrigerant into the stream, including nozzles and pipelines for supplying liquid nitrogen to him.

В этой трубе холод используется повторно, так как выходящий из трубы в атмосферу газ проходит через регенераторы и отдает холод насадке регенераторов. Регенераторы захолаживаются до уровня температуры ≈ 100 К холодным газом, выходящим из рабочей части трубы, при этом расходуются жидкий азот и сжатый воздух, подаваемые одновременно в канал трубы. In this pipe, cold is reused, since the gas leaving the pipe into the atmosphere passes through the regenerators and gives off the cold to the nozzle of the regenerators. Regenerators are cooled to a temperature level of ≈ 100 K with cold gas leaving the working part of the pipe, while liquid nitrogen and compressed air are supplied, which are simultaneously supplied to the pipe channel.

Однако процесс захолаживания регенераторов вследствие их большой хладоемкости является достаточно длительным (от нескольких до десятков минут). За это время захолаживается также тепловая изоляция канала трубы (если она внутренняя) или оболочка трубы (если изоляция внешняя). Потери холода в теплоизоляцию или в оболочку трубы за время захолаживания регенераторов при этом весьма велики. Впрыск жидкого азота в канал трубы при ее работе, необходимый для поддержания заданной температуры потока, требует сложной регулирующей аппаратуры и не гарантирует высокого качества потока из-за неравномерности испарения капель азота по сечению канала трубы, неравномерности охлаждения теплоизоляции, вследствие этого, поперечного градиента температуры потока. However, the cooling process of regenerators due to their high cold capacity is quite lengthy (from several to tens of minutes). During this time, the thermal insulation of the pipe channel (if it is internal) or the pipe shell (if the insulation is external) also cools. Losses of cold in the insulation or in the shell of the pipe during cooling the regenerators are very high. The injection of liquid nitrogen into the pipe channel during its operation, which is necessary to maintain a given flow temperature, requires complex control equipment and does not guarantee high flow quality due to the uneven evaporation of nitrogen droplets over the pipe channel cross-section, the non-uniformity of thermal insulation cooling, as a result of the transverse gradient of the flow temperature .

Целью изобретения является повышение экономичности аэродинамической трубы путем экономии сжатого воздуха и жидкого азота. The aim of the invention is to increase the efficiency of the wind tunnel by saving compressed air and liquid nitrogen.

Цель достигается тем, что в криогенной аэродинамической трубе, содержащей форкамеру, рабочую часть, диффузор с эжекторами, обратный канал, вертикально размещенные регенераторы холода с насадкой и систему впрыска хладагента в поток, включающую форсунки и трубопроводы подвода жидкого азота к ним, форсунки системы вспрыска жидкого азота установлены в полости регенератора, при этом насадка регенератора разделена форсунками на ряд неравных по высоте участков. The goal is achieved in that in a cryogenic wind tunnel containing a prechamber, a working part, a diffuser with ejectors, a return channel, vertically placed cold regenerators with a nozzle and a refrigerant injection system into the stream, including nozzles and pipelines for supplying liquid nitrogen to them, nozzles of a liquid injection system nitrogen are installed in the cavity of the regenerator, while the nozzle of the regenerator is divided by nozzles into a number of sections of unequal height.

Кроме того, насадка регенератора разделена на два участка с соотношением их масс 1: 1,5 для нижнего и верхнего участков соответственно. In addition, the regenerator nozzle is divided into two sections with a mass ratio of 1: 1.5 for the lower and upper sections, respectively.

В зависимости от продолжительности пуска трубы насадка регенераторов может быть разбита на несколько участков, в частности на три. Если труба работает, включая процесс наполнения трубы холодным газом, без переключения регенераторов с прямого потока (из газгольдеров в трубу) на обратный (из трубы в атмосферу) в течение всего пуска, то достаточно двух участков 1: 1,5 и одной системы впрыска жидкого азота между ними. Если время пуска велико и требуется переключение регенераторов с прямого потока на обратный в течение одного пуска, то необходимо выделить дополнительно третий (самый нижний) участок насадки с отношением его массы к массе двух верхних участков ≈ 1: 50 и установить над ним вторую систему впрыска жидкого азота. При этом отношение массы двух нижних участков насадки к массе верхнего остается равным 1: 1,5. Отношение масс участков насадки ≈ 1: 50 выбрано из условия того, что достаточно лишь небольшой массы (очень тонкого слоя) насадки под второй системой впрыска жидкого азота, которая работает во время пуска трубы, чтобы обеспечить полное испарение жидкого азота в потоке сжатого воздуха внутри регенераторов. Depending on the duration of the start-up of the pipe, the nozzle of the regenerators can be divided into several sections, in particular three. If the pipe works, including the process of filling the pipe with cold gas, without switching the regenerators from the direct flow (from gas holders to the pipe) to the reverse (from the pipe to the atmosphere) during the entire start-up, then two sections 1: 1.5 and one liquid injection system are sufficient nitrogen in between. If the start-up time is long and it is necessary to switch the regenerators from direct flow to reverse during one start-up, then it is necessary to select an additional third (lowest) section of the nozzle with a ratio of its mass to the mass of the two upper sections ≈ 1: 50 and install a second liquid injection system above it nitrogen. The ratio of the mass of the two lower sections of the nozzle to the mass of the upper remains equal to 1: 1.5. The ratio of the masses of the nozzle sections ≈ 1: 50 is selected from the condition that only a small mass (very thin layer) of the nozzle under the second liquid nitrogen injection system, which works during the start-up of the pipe, is sufficient to ensure complete evaporation of liquid nitrogen in the compressed air stream inside the regenerators .

На фиг. 1 представлена схема выполнения криогенной аэродинамической трубы, в которой насадка регенератора разделена на три участка; на фиг. 2 - схема выполнения регенератора, разделенного на два участка. In FIG. 1 shows a design of a cryogenic wind tunnel, in which the nozzle of the regenerator is divided into three sections; in FIG. 2 is a diagram of a regenerator divided into two sections.

Труба содержит форкамеру 1, рабочую часть 2, диффузор 3 с эжектором 4, обратный канал 5, регенераторы холода 6 с насадкой 7, систему впрыска хладагента (жидкого азота) 8 в поток, включающую форсунки 9 и трубопроводы подвода жидкого азота 10, задвижки 11, датчики температуры 12 и газгольдер 13. The pipe contains a pre-chamber 1, a working part 2, a diffuser 3 with an ejector 4, a return channel 5, cold regenerators 6 with a nozzle 7, a system for injecting refrigerant (liquid nitrogen) 8 into the stream, including nozzles 9 and pipelines for supplying liquid nitrogen 10, valves 11, temperature sensors 12 and gas holder 13.

Насадка 7 разделена по высоте форсунками 9 на три участка, массы которых относятся (сверху вниз) как 0,6: 0,38: 0,02, а масса двух нижних участков насадки относится к массе верхнего участка, как 1: 1,5. The nozzle 7 is divided in height by the nozzles 9 into three sections, the masses of which are (from top to bottom) as 0.6: 0.38: 0.02, and the mass of the two lower sections of the nozzle refers to the mass of the upper section as 1: 1.5.

Криогенная аэродинамическая труба работает следующим образом. Перед пуском трубы предварительно захолаживается до необходимой температуры один регенератор 6 (или группа регенераторов, включаемых параллельно при пуске трубы). Для этого полностью закрываются задвижка 11 на нижней стороне регенератора и задвижка, сообщающая регенератор с газгольдером 13. Открывается задвижка 11 на трубопроводе системы впрыска жидкого азота 8, подводящем азот к первому (верхнему) ряду форсунок 9, открывается задвижка 11, связывающая регенератор с атмосферой, и устанавливается с ее помощью необходимое давление паров азота внутри регенератора. Величина этого давления определяет уровень температуры испарения жидкого азота и, следовательно, конечную температуру охлаждения насадки 7 регенератора. Температура насадки контролируется с помощью датчиков температуры 12. После полного захолаживания участка насадки, расположенного под первым рядом форсунок, прекращается подача жидкого азота и закрывается задвижка 11, связывающая регенератор с атмосферой. При этом до необходимой температуры охлаждена также нижняя половина участка насадки, расположенного над первым рядом форсунок, а верхняя половина этого участка насадки имеет температуру, возрастающую к верхнему концу до нормальной (≈ 288 К). Такое распределение температуры насадки перед пуском трубы обеспечивает наибольшую продолжительность работы трубы с постоянной температурой воздуха на входе в эжекторы 4, а также отсутствие потерь холода при захолаживании регенераторов, так как выходящий из регенератора в атмосферу газообразный азот отдает весь холод насадке. Это распределение температуры насадки обусловлено оптимальным соотношением масс насадки, размещенной ближе верхнего ряда форсунок и над ним, равным 1: 1,5. Канал трубы вакуумируется до давления Р ≈ 0,05-0,1 ата. Через захоложенный регенератор 6 и эжектор 4 в обратный канал 5 подается сжатый воздух из газгольдера 13. Охлаждаясь в регенераторе до заданной температуры, он заполняет трубу до требуемого давления, после чего осуществляется рабочий режим трубы, например, при постоянном давлении, со сбросом воздуха в атмосферу через второй регенератор (или группу регенераторов), в котором воздух оставляет холод, выходя в атмосферу с нормальной температурой. Если труба работает продолжительное время и запас холода в насадке уже исчерпан настолько, что температура насадки на выходе начинает расти, то в регенератор во время работы трубы производится впрыск жидкого азота через второй (нижний) ряд форсунок. При этом расход жидкого азота регулируется таким образом, чтобы поддерживать температуру воздуха на выходе из регенератора на заданном уровне. Для следующего пуска трубы дополнительно захолаживается указанным способом второй регенератор (группа регенераторов), через который сбрасывается ранее охлажденный воздух из трубы и поэтому уже частично захоложенный. A cryogenic wind tunnel works as follows. Before starting the pipe, one regenerator 6 (or a group of regenerators included in parallel when starting the pipe) is pre-cooled to the required temperature. For this, the valve 11 on the lower side of the regenerator and the valve connecting the regenerator to the gas holder 13 are completely closed. The valve 11 opens on the pipeline of the liquid nitrogen injection system 8, which supplies nitrogen to the first (upper) row of nozzles 9, and the valve 11 connecting the regenerator to the atmosphere opens. and it is used to establish the necessary nitrogen vapor pressure inside the regenerator. The value of this pressure determines the level of temperature of evaporation of liquid nitrogen and, consequently, the final cooling temperature of the nozzle 7 of the regenerator. The temperature of the nozzle is controlled by temperature sensors 12. After completely cooling the portion of the nozzle located under the first row of nozzles, the flow of liquid nitrogen is stopped and the valve 11 connecting the regenerator to the atmosphere closes. In this case, the lower half of the nozzle section located above the first row of nozzles is also cooled to the required temperature, and the upper half of this nozzle section has a temperature that rises to the upper end to normal (≈ 288 K). This distribution of the temperature of the nozzle before starting the pipe ensures the longest duration of the pipe with a constant air temperature at the inlet to the ejectors 4, as well as the absence of cold losses during cooling of the regenerators, since gaseous nitrogen leaving the regenerator into the atmosphere gives off the entire nozzle cold. This distribution of the nozzle temperature is due to the optimal mass ratio of the nozzle located closer to the upper row of nozzles and above it, equal to 1: 1.5. The pipe channel is evacuated to a pressure of P ≈ 0.05-0.1 at. Through a refrigerated regenerator 6 and an ejector 4, compressed air is supplied from the gas tank 13 to the return channel 5. When cooled in the regenerator to a predetermined temperature, it fills the pipe to the required pressure, after which the pipe is in operation, for example, at constant pressure, with air discharged into the atmosphere through a second regenerator (or group of regenerators), in which air leaves cold, leaving the atmosphere at a normal temperature. If the pipe works for a long time and the supply of cold in the nozzle is already exhausted so that the temperature of the nozzle at the outlet starts to increase, then liquid nitrogen is injected into the regenerator during pipe operation through the second (lower) row of nozzles. At the same time, the flow rate of liquid nitrogen is regulated in such a way as to maintain the air temperature at the outlet of the regenerator at a given level. For the next start-up of the pipe, a second regenerator (a group of regenerators) is additionally cooled in the indicated manner, through which previously cooled air is discharged from the pipe and therefore partially refrigerated.

Предлагаемая криогенная труба позволяет экономить сжатый газ и жидкий азот, а также обеспечивает равномерность (по температуре и составу) поля потока газа в рабочей части трубы. The proposed cryogenic pipe allows you to save compressed gas and liquid nitrogen, and also provides uniformity (in temperature and composition) of the gas flow field in the working part of the pipe.

Так как система впрыска жидкого азота установлена не в канале трубы, то аэродинамическое сопротивление канала трубы и потребная степень сжатия эжектора, а следовательно, и расход сжатого воздуха меньше, чем в трубе, взятой за прототип. Это дает дополнительную экономию сжатого воздуха и жидкого азота во время пуска трубы. (56) Авторское свидетельство СССР N 790950, кл. G 01 M 9/00, 1979. Since the liquid nitrogen injection system is not installed in the pipe channel, the aerodynamic resistance of the pipe channel and the required compression ratio of the ejector, and therefore the compressed air flow rate, are lower than in the pipe taken as a prototype. This provides additional savings in compressed air and liquid nitrogen during pipe start-up. (56) Copyright certificate of the USSR N 790950, cl. G 01 M 9/00, 1979.

Авторское свидетельство СССР N 552839, кл. G 01 M 9/00, 1976. USSR author's certificate N 552839, cl. G 01 M 9/00, 1976.

Claims

1. CRYOGENIC AERODYNAMIC TUBE, containing a prechamber, a working part, a diffuser with ejectors, a return channel, vertically placed cold regenerators with a nozzle and a refrigerant injection system into the stream, including nozzles and pipelines for supplying liquid nitrogen to them, characterized in that, in order to increase efficiency, the nozzles of the liquid nitrogen injection system are installed in the cavity of the regenerator, while the nozzle of the regenerator is divided by the nozzles into a number of sections of unequal height.

2. The pipe according to claim 1, characterized in that the nozzle of the regenerator is divided into two sections with a mass ratio of 1: 1.5 for the lower and upper sections, respectively.