RU2482457C1 - Method of generating gas stream in hypersonic rarefied-air wind tunnel and wind tunnel - Google Patents
Method of generating gas stream in hypersonic rarefied-air wind tunnel and wind tunnel Download PDFInfo
- Publication number
- RU2482457C1 RU2482457C1 RU2011145699/28A RU2011145699A RU2482457C1 RU 2482457 C1 RU2482457 C1 RU 2482457C1 RU 2011145699/28 A RU2011145699/28 A RU 2011145699/28A RU 2011145699 A RU2011145699 A RU 2011145699A RU 2482457 C1 RU2482457 C1 RU 2482457C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- vacuum chamber
- pressure
- working part
- nozzle
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области промышленной аэродинамики, в частности к гиперзвуковым аэродинамическим трубам (АДТ).The invention relates to the field of industrial aerodynamics, in particular to hypersonic wind tunnels (ADT).
В АДТ при больших числах Маха (М>5) поток необходимо нагревать для предотвращения конденсации газа, причем, чем больше скорость, тем выше уровень предварительного подогрева. Для реализации течения в гиперзвуковом сопле необходимо, например, для числа М=12 обеспечить отношение давлений в форкамере сопла и в рабочей части трубы ~106.In ADT at large Mach numbers (M> 5), the flow must be heated to prevent gas condensation, and the higher the speed, the higher the level of preheating. To realize the flow in a hypersonic nozzle, it is necessary, for example, for the number M = 12, to ensure a pressure ratio in the nozzle chamber and in the working part of the pipe of ~ 10 6 .
В промышленных трубах такие перепады давления получают за счет понижения давления на выходе трубы с помощью системы многоступенчатых эжекторов или вакуумных камер. Для получения нужного разрежения эжекторные системы потребляют большое количество газа высокого давления, поэтому являются неэкономичными и имеют малую продолжительность работы. Вакуумные камеры откачиваются насосами различных типов в зависимости от диапазонов давления.In industrial pipes, such pressure drops are obtained by lowering the pressure at the pipe outlet using a system of multi-stage ejectors or vacuum chambers. To obtain the desired vacuum, ejector systems consume a large amount of high-pressure gas, therefore they are uneconomical and have a short duration. Vacuum chambers are pumped out by various types of pumps depending on pressure ranges.
В тех практических задачах, где возникает потребность в создании разрежения в пределах 10-1÷10-8 Па, обычно используется один из трех типов насосов: масляный диффузионный насос, турбомолекулярные насосы и крионасосы. Из всех перечисленных типов крионасосы наиболее просты в эксплуатации, обеспечивают наиболее быструю откачку и при этом абсолютно не загрязняют откачиваемый объем, т.к. не перемещают молекулы газа, а замораживают их, и в связи с этим у крионасосов отсутствуют какие-либо подвижные части или жидкие среды, контактирующие непосредственно с откачиваемым объемом.In those practical problems where there is a need to create a vacuum within 10 -1 ÷ 10 -8 Pa, one of three types of pumps is usually used: an oil diffusion pump, turbomolecular pumps and cryopumps. Of all the listed types, cryopumps are the easiest to operate, provide the fastest pumping time and at the same time do not pollute the pumped volume, because they do not move gas molecules, but freeze them, and therefore cryopumps do not have any moving parts or liquid media in direct contact with the pumped volume.
Криогенные насосы обеспечивают первоначальный уровень давления в вакуумной камере и ввиду большой производительности при малых давлениях по сравнению с другими типами вакуумных насосов поддерживают стационарный режим для проведения необходимых измерений в АДТ.Cryogenic pumps provide the initial level of pressure in the vacuum chamber and, due to their high performance at low pressures, in comparison with other types of vacuum pumps, they maintain a stationary mode for performing the necessary measurements in the pressure transformer.
Примером такой установки является гиперзвуковая вакуумная аэродинамическая труба с импульсным криогенным насосом (Метод и результаты исследований моделей ВКС со струями в гиперзвуковой криогенно-вакуумной аэродинамической трубе. В.И.Благосклонов, В.А.Жохов, В.Г.Кехваянц и др., Ученые записки ЦАГИ, т.XXX, №1-2, 1999 г.). Во время пуска трубы криопанели аккумулируют теплоту конденсации газа в твердую фазу собственной теплоемкостью и теплоемкостью уже образовавшегося конденсата. Производительность крионасоса в импульсном режиме его работы достигает 100÷200 кВт при холодопроизводительности холодильной станции всего 0,6 кВт. Приведенный крионасос способен вымораживать расход интенсивностью 0,001 кг/с в течение продолжительного времени и потоки с большой интенсивностью (около 0,2 кг/с) в течение 5 с. Импульсный режим работы крионасоса означает предварительное охлаждение криопанелей до температур Т=10÷25°К перед экспериментом и в перерыве между пусками. Из приведенных данных видно, производительность крионасоса по откачиванию массы газа в импульсном режиме в 200 раз выше, чем на стационарном режиме.An example of such a setup is a hypersonic vacuum wind tunnel with a pulsed cryogenic pump (Method and results of studies of VKS models with jets in a hypersonic cryogenic-vacuum wind tunnel. V.I. Blagosklonov, V. A. Zhokhov, V. G. Kekhvayants, etc., Scientific notes TsAGI, t.XXX, No. 1-2, 1999). During the start-up of the pipe, cryopanels accumulate the heat of gas condensation into the solid phase with their own heat capacity and heat capacity of the condensate already formed. The capacity of the cryopump in the pulse mode of its operation reaches 100 ÷ 200 kW with a cooling capacity of the refrigeration station of only 0.6 kW. The cryopump is capable of freezing a flow rate of 0.001 kg / s for a long time and flows with high intensity (about 0.2 kg / s) for 5 s. The pulse operating mode of the cryopump means preliminary cooling of the cryopanels to temperatures T = 10 ÷ 25 ° K before the experiment and in the interval between starts. It can be seen from the data presented that the cryopump productivity for pumping out the gas mass in the pulsed mode is 200 times higher than in the stationary mode.
Основным недостатком этой АДТ и способа создания потока в ней является совмещение рабочей части трубы с вакуумной камерой и с криогенным насосом, что приводит к остановке работы и повторному запуску АДТ при каждой перестановке модели. Подготовка к повторному запуску занимает более 10 часов, что кроме потери времени приводит к увеличению энергозатрат, связанных с повторным вакуумированием рабочей части и захолаживанием криопанелей и азотных теплозащитных экранов.The main disadvantage of this ADT and the method of creating a flow in it is the combination of the working part of the pipe with a vacuum chamber and with a cryogenic pump, which leads to a stop of operation and a restart of the ADT at each rearrangement of the model. Preparation for restarting takes more than 10 hours, which, in addition to losing time, leads to an increase in energy costs associated with re-evacuation of the working part and cooling of cryopanels and nitrogen heat shields.
Наиболее близким аналогом является гиперзвуковая АДТ (Henshall В. and Brower Е.A Cryogenic Hupersonic Low-Density Wind Tunnel. “Advances in Cryogenic Engineering”, v 7. Proceedings of the 1961 Cryogenic Engineering Conference, August 15-17 at the University of Michigan, Michigan, 1962), реализующая способ создания гиперзвукового потока, включающий создание разрежения в вакуумной камере и в рабочей части АДТ с предварительной и окончательной откачкой газа из вакуумной камеры и рабочей части АДТ, получение и регулирование давления газа, нагревание газа, запуск сопла, охлаждение стенок сопла, охлаждение газа после прохождения рабочей части и диффузора, регенерацию криопанелей.The closest analogue is hypersonic ADT (Henshall B. and Brower E. A. Cryogenic Hupersonic Low-Density Wind Tunnel. “Advances in Cryogenic Engineering”, v 7. Proceedings of the 1961 Cryogenic Engineering Conference, August 15-17 at the University of Michigan , Michigan, 1962), which implements a method of creating a hypersonic flow, including creating a vacuum in the vacuum chamber and in the working part of the ADT with preliminary and final pumping of gas from the vacuum chamber and the working part of the ADT, obtaining and regulating gas pressure, heating the gas, starting the nozzle, cooling nozzle walls, gas cooling after passing through the working part and diffuser regeneration cryopanels.
Недостатком этой АДТ является низкая скорость откачки газа из вакуумной камеры и рабочей части.The disadvantage of this ADT is the low speed of pumping gas from the vacuum chamber and the working part.
Общим недостатком вышеперечисленных АДТ является то, что в них используют крионасосы, содержащие криопанели из сплошного металла, имеющие малую площадь соприкосновения с откачиваемым газом, и не используют жидкий газ, образующийся при регенерации панелей крионасоса, кроме того, толщина пограничного слоя на стенках гиперзвукового сопла достаточно велика, что приводит к уменьшению равномерного ядра потока в выходном сечении сопла и соответственно масштаба исследуемых моделей и чисел Рейнольдса.A common drawback of the above-mentioned ADTs is that they use cryopumps containing cryopanels made of solid metal, having a small contact area with the pumped gas, and do not use liquid gas generated during the regeneration of the panels of the cryopump, in addition, the thickness of the boundary layer on the walls of the hypersonic nozzle is sufficient is large, which leads to a decrease in the uniform flow core in the outlet section of the nozzle and, accordingly, the scale of the studied models and Reynolds numbers.
Недостатком указанных АДТ является также использование разнородных вакуумных насосов, рассчитанных на разные диапазоны давлений. Все вакуумные насосы, за исключением криогенных, удаляют откачиваемый газ за пределы тракта АДТ (из-за этого надо контролировать состав и влажность вновь поступающего газа, а в случае выброса в атмосферу, например, азота, могут возникнуть экологические проблемы). Кроме того, усложняется проблема взаимозаменяемости насосов и их ремонта.The disadvantage of these ADT is also the use of heterogeneous vacuum pumps, designed for different pressure ranges. All vacuum pumps, with the exception of cryogenic ones, remove the evacuated gas outside the ADT tract (because of this, the composition and humidity of the newly introduced gas must be controlled, and environmental problems can occur if, for example, nitrogen is released into the atmosphere). In addition, the problem of the interchangeability of pumps and their repair is becoming more complicated.
Задачей изобретения является создание компактной, дешевой в строительстве и экономичной в эксплуатации АДТ непрерывного действия, охватывающей весь гиперзвуковой диапазон скоростей с числами Маха М≥5.The objective of the invention is to provide a compact, cheap in construction and economical in operation of continuous-flow ADT, covering the entire hypersonic speed range with Mach numbers M≥5.
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение скорости откачки газа, снижение энергозатрат на получение газа высокого давления, увеличение времени работы АДТ, за счет создания замкнутого непрерывного цикла работы, уменьшение толщины пограничного слоя в сопле и, как следствие, увеличение масштаба исследуемых моделей при неизменных геометрических параметрах выходного сечения сопла.The technical result of the present invention is to increase the speed of pumping gas, reduce energy consumption for producing high pressure gas, increase the operating time of ADT, by creating a closed continuous cycle of work, reducing the thickness of the boundary layer in the nozzle and, as a result, increasing the scale of the studied models with constant geometric parameters output section of the nozzle.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе создания потока в гиперзвуковой вакуумной аэродинамической трубе, включающем создание разрежения в вакуумной камере с предварительной и окончательной откачкой газа из вакуумной камеры и рабочей части, генерацию газа высокого давления и регулирование его давления, нагрев газа, запуск сопла, охлаждение стенок сопла, охлаждение газа после прохождения рабочей части, регенерацию криопанелей, предварительную и окончательную откачку газа из вакуумной камеры производят с помощью крионасосов. Затем дополнительно охлаждают сверхзвуковую часть сопла, находящуюся внутри рабочей части, а после прохождения рабочей части и диффузора газ направляют непосредственно в вакуумную камеру, содержащую внутри себя устройство охлаждения, в котором циркулирует сжиженный газ, поступающий из резервуара для хранения сжиженного газа. После чего охлажденный газ направляют в крионасосы и вымораживают на криопанелях в твердую фазу, а регенерацию криопанелей производят, напуская в изолированную полость крионасоса газ более высокого давления и температуры. Полученный в результате регенерации сжиженный газ направляют в резервуар для хранения сжиженного газа, который по мере необходимости превращают в газ высокого давления и направляют в резервуар для хранения газа высокого давления, куда также поступает газ высокой температуры и давления после прохождения устройства охлаждения газа вакуумной камеры, который используют в системах генерации, регулирования давления и нагрева газа. Во всех случаях дросселирования газа используют детандерно-генераторный агрегат для выработки электроэнергии.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of creating a flow in a hypersonic vacuum wind tunnel, which includes creating a vacuum in a vacuum chamber with preliminary and final pumping of gas from the vacuum chamber and the working part, generating high pressure gas and regulating its pressure, heating the gas, starting the nozzle , cooling the walls of the nozzle, cooling the gas after passing through the working part, regeneration of cryopanels, preliminary and final pumping of gas from the vacuum chamber is carried out using cryopumps. Then, the supersonic part of the nozzle located inside the working part is additionally cooled, and after passing through the working part and the diffuser, the gas is sent directly to the vacuum chamber containing a cooling device inside which the liquefied gas from the liquefied gas storage tank circulates. After that, the cooled gas is sent to cryopumps and frozen in the solid phase on cryopanels, and cryopanels are regenerated by injecting gas of higher pressure and temperature into the insulated cavity of the cryopump. The liquefied gas obtained as a result of regeneration is sent to a liquefied gas storage tank, which is converted into a high pressure gas as necessary and sent to a high pressure gas storage tank, which also receives high temperature and pressure gas after passing through the gas cooling device of the vacuum chamber, which used in systems for generating, regulating pressure and heating gas. In all cases of gas throttling, an expander-generator unit is used to generate electricity.
Указанный технический результат достигается также и тем, что в вакуумной гиперзвуковой аэродинамической трубе, содержащей источник газа высокого давления с системой регулирования давления, подогреватель газа, гиперзвуковое сопло, рабочую часть, диффузор, систему охлаждения газа после прохождения рабочей части, вакуумную камеру, насосы предварительной и окончательной откачки газа из вакуумной камеры, устанавлены криогенные насосы, как для предварительной, так и для окончательной откачки. Причем криопанели насосов выполнены из пористого металла с открытой системой пор, а внешняя поверхность гиперзвукового сопла внутри рабочей части аэродинамической трубы снабжена змеевиками для охлаждения стенок сопла. Система охлаждения высокотемпературного газа, поступающего из рабочей части, размещена внутри вакуумной камеры. Кроме того, аэродинамическая труба содержит резервуар жидкого газа с насосом для перекачки и детандерно-генераторные агрегаты для получения электроэнергии.The indicated technical result is also achieved by the fact that in a vacuum hypersonic wind tunnel containing a high-pressure gas source with a pressure control system, a gas heater, a hypersonic nozzle, a working part, a diffuser, a gas cooling system after passing through the working part, a vacuum chamber, preliminary and final pumping of gas from the vacuum chamber, cryogenic pumps are installed, both for preliminary and final pumping. Moreover, the cryopanels of the pumps are made of porous metal with an open pore system, and the outer surface of the hypersonic nozzle inside the working part of the wind tunnel is equipped with coils for cooling the walls of the nozzle. The cooling system of the high-temperature gas coming from the working part is located inside the vacuum chamber. In addition, the wind tunnel contains a liquid gas reservoir with a pump for pumping and expander-generating units for generating electricity.
На фиг.1 представлена схема гиперзвуковой вакуумной аэродинамической трубы, которая включает систему регулирования газа высокого давления 1, газонагреватель 2, запорные и регулировочные клапаны 3, сопло 4, рабочую часть с моделью 5, диффузор 6, детандерно-генераторные агрегаты 7, вакуумную камеру 8, систему криогенных насосов 9, содержащих криогенные панели, гелиевую линию 10 для охлаждения стенок части гиперзвукового сопла 4, находящейся внутри рабочей части, насосы для перекачки жидкого газа 11, резервуар для хранения жидкого газа 12, линия жидкого газа 13 для предварительного охлаждения потока, поступающего в вакуумную камеру 8, резервуар газа высокого давления 14.Figure 1 presents a diagram of a hypersonic vacuum wind tunnel, which includes a high pressure
Предлагается использовать для целей откачки газа, начиная с атмосферных условий, только криогенные насосы. В аналогах криогенные насосы используются только на заключительной стадии вакуумирования при таких низких давлениях, когда практически только крионасосы и справляются с откачкой газа, а предварительную откачку производят вакуумными насосами, рассчитанными на разные диапазоны давлений, отличительной чертой которых является выброс газа за пределы откачиваемого объема. Как будет показано ниже, энергетически выгодно использование криогенных насосов и вымораживание всей массы газа в твердую фазу.It is proposed to use only cryogenic pumps for gas pumping purposes, starting with atmospheric conditions. In analogs, cryogenic pumps are used only at the final stage of evacuation at such low pressures, when practically only cryopumps cope with gas evacuation, and preliminary evacuation is carried out by vacuum pumps designed for different pressure ranges, the distinguishing feature of which is the discharge of gas outside the pumped volume. As will be shown below, the use of cryogenic pumps and the freezing of the entire mass of gas into the solid phase are energetically beneficial.
Известно, что крионасосы являются насосами поверхностного действия, т.е. чем больше поверхность контакта газа с панелью крионасоса, тем выше скорость откачки газа. Предлагается использовать панели крионасоса из пористого металла с открытой системой пор, которая считается открытой, если она сообщается с поверхностями пористого тела и проницаема для газа при наличии градиента давления на пористом теле. Удельная поверхность (отношение суммарной поверхности тела к его массе) пористого металла, полученного методами порошковой металлургии, в зависимости от степени пористости составляет порядка 0,05÷1 м2/г (см. Е.Л.Шведков, Э.Т.Денисенко, Н.Н.Ковенский. “Словарь-справочник по порошковой металлургии”, Киев, 1982 и С.В.Белов. “Пористые металлы в машиностроении”, М., 1976). Для пластин из компактных металлов, используемых в качестве криопанели, эта величина порядка 10-4 м2/г. Из приведенных данных видно, что площадь контакта с откачиваемым газом пористой криопанели по сравнению с криопанелью из сплошного металла увеличивается на ~2-4 порядка, что позволяет увеличить производительность крионасоса. Применение пористых криопанелей и импульсный режим работы крионасоса позволяют откачивать через сопло поток газа с расходом, характерным для гиперзвуковых АДТ.Cryopumps are known to be surface pumps, i.e. the larger the gas contact surface with the cryopump panel, the higher the gas evacuation rate. It is proposed to use a porous metal cryopump panel with an open pore system that is considered open if it communicates with the surfaces of the porous body and is permeable to gas in the presence of a pressure gradient on the porous body. The specific surface (the ratio of the total body surface to its mass) of a porous metal obtained by powder metallurgy methods, depending on the degree of porosity, is of the order of 0.05 ÷ 1 m 2 / g (see E.L. Shvedkov, E.T. Denisenko, NN Kovensky. "Dictionary-guide for powder metallurgy", Kiev, 1982 and S.V. Belov. "Porous metals in mechanical engineering", M., 1976). For plates of compact metals used as a cryopanel, this value is of the order of 10 -4 m 2 / g. It can be seen from the above data that the contact area with the pumped gas of the porous cryopanel increases by ~ 2-4 orders of magnitude compared with the solid metal cryopanel, which makes it possible to increase the productivity of the cryopump. The use of porous cryopanels and the pulsed operating mode of the cryopump allow the gas flow to be pumped out through the nozzle at a flow rate characteristic of hypersonic ADTs.
В вакуумных АДТ с крионасосами имеется уникальная возможность уменьшения толщины пограничного слоя на стенках гиперзвукового сопла путем его вымораживания в твердую фазу (“Способ уменьшения толщины пограничного слоя на обтекаемой поверхности”, патент РФ №2103667, 1994). Известно, что уже при числе М=10 пограничный слой занимает половину выходного сечения сопла. Уменьшение толщины пограничного слоя позволяет увеличить число Рейнольдса и размеры равномерного ядра потока, соответственно, и размеры исследуемой модели. Приблизительные оценки показывают, что толщина пограничного слоя h в выходном сечении сопла уменьшается в соотношении:In vacuum ADT with cryopumps, there is a unique opportunity to reduce the thickness of the boundary layer on the walls of a hypersonic nozzle by freezing it into a solid phase (“Method for reducing the thickness of the boundary layer on a streamlined surface,” RF patent No. 2103667, 1994). It is known that even with the number M = 10, the boundary layer occupies half of the nozzle exit section. A decrease in the thickness of the boundary layer allows one to increase the Reynolds number and the dimensions of the uniform flow core, respectively, and the dimensions of the model under study. Approximate estimates show that the thickness of the boundary layer h in the output section of the nozzle decreases in the ratio:
h=Hρa/ρs,h = Hρ a / ρ s ,
где Н - толщина пограничного слоя в выходном сечении сопла без охлаждения;where H is the thickness of the boundary layer in the output section of the nozzle without cooling;
ρa, - плотность газа;ρ a, is the gas density;
ρs - плотность газа в твердой фазе.ρ s is the density of the gas in the solid phase.
Способ создания потока в гиперзвуковой вакуумной аэродинамической трубе рассмотрим на примере работы приведенной выше АДТ (фиг.1), причем проанализируем самый сложный вариант запуска трубы, когда в вакуумной камере, рабочей части и полостях крионасосов газ находится в атмосферных условиях. Как отмечалось выше, при откачке газа из вакуумной камеры с атмосферного до требуемого уровня давления для получения определенного числа М и далее в ходе испытаний используют только крионасосы.The method of creating a flow in a hypersonic vacuum wind tunnel will be considered using the above-mentioned ADT as an example (Fig. 1), and we will analyze the most difficult version of starting a tube when gas is in atmospheric conditions in the vacuum chamber, working part and cavities of cryopumps. As noted above, when pumping gas from a vacuum chamber from atmospheric to the required pressure level in order to obtain a certain number M, then only cryo pumps are used during the tests.
Перед началом работы трубы в этом случае закрывают клапаны (3) до и после системы крионасосов и приводят в рабочее состояние первый из крионасосов, т.е. обеспечивают соответствующие давление в полости крионасоса и температуру криопанелей 10÷25 К, достаточные для вымораживания в твердую фазу поступающего из вакуумной камеры газа. Далее с помощью первого крионасоса последовательно откачивают полости остальных крионасосов и с помощью жидкого или газообразного гелия охлаждают криопанели до температур Т=10-25 К. После этого открывают клапаны 3, кроме клапана, находящегося между воздухонагревателем 2 и соплом 4, и начинают откачку пространства АДТ от вакуумной камеры 8 до сопла 4 всеми крионасосами.In this case, before starting pipe operation, the valves (3) are closed before and after the cryopump system and the first of the cryopumps is brought into operation, i.e. provide the appropriate pressure in the cavity of the cryopump and the temperature of the
При достижении равного уровня давлений в вакуумной камере, в рабочей части АДТ и в полостях крионасосов производят с целью уменьшения толщины пограничного слоя охлаждение стенок гиперзвукового сопла внутри рабочей части с помощью змеевика, по которому циркулирует жидкий или газообразный гелий с температурой Т=10÷25 К, который подают по гелиевой линии 10 от одного из крионасосов. После охлаждения стенок производят запуск сопла и измерения необходимых параметров при обтекании потоком исследуемой модели, размещенной в рабочей части АДТ. Крионасосы при этом, поддерживая соответствующий уровень давления в вакуумной камере и в рабочей части АДТ, обеспечивают стационарный режим истечения газа из сопла необходимой продолжительности в зависимости от числа М и типа испытаний (весовые, тепловые, распределения давлений и т.д.).When an equal pressure level is reached in the vacuum chamber, in the working part of the ADT and in the cavities of the cryopumps, the walls of the hypersonic nozzle inside the working part are cooled with the help of a coil through which liquid or gaseous helium with a temperature T = 10 ÷ 25 K is cooled to reduce the thickness of the boundary layer , which is served along the
По мере необходимости (желательно это совместить по времени с технологическими перерывами в работе АДТ) крионасосы проходят операцию регенерации, т.е. удаления налипшего слоя твердофазного газа, препятствующего дальнейшей конденсации газа.As necessary (it is desirable to combine this in time with technological interruptions in the operation of ADT), the cryopumps undergo a regeneration operation, i.e. removal of the adhering solid-phase gas layer, which prevents further gas condensation.
Для этого перестают охлаждать соответствующий крионасос и напускают в изолированную полость крионасоса газ более высокого давления и температуры. Твердофазный газ плавится и переходит в жидкую фазу, а напускаемый газ конденсируется в жидкую фазу. Таким образом, после каждой регенерации масса жидкого газа увеличивается по сравнению с суммарным расходом газа через сопло.For this, the corresponding cryopump is no longer cooled and gas of higher pressure and temperature is introduced into the isolated cavity of the cryopump. The solid-phase gas melts and passes into the liquid phase, and the inlet gas condenses into the liquid phase. Thus, after each regeneration, the mass of liquid gas increases compared to the total gas flow through the nozzle.
Жидкий газ из полости крионасоса откачивают с помощью насоса 11 в резервуар жидкого газа 12 и крионасос снова готов к работе. Полученный жидкий газ используют в источнике газа высокого давления 14 для создания потока в сопле и в системе 13 предварительного охлаждения газа, поступающего в вакуумную камеру для снижения тепловой нагрузки на крионасосы. При этом жидкий газ, охлаждающий газ в вакуумной камере, превращается в газ высокого давления и температуры и также поступает в источник газа высокого давления 14 для дальнейшего использования его в АДТ. Таким образом, получают АДТ с непрерывным циклом работы замкнутого типа, но без компрессора. Отметим еще раз, что не только нет специальных энергозатрат на производство газа высокого давления, а, наоборот, при регенерации криопанелей получаемый газ имеет большую массу и более высокое давление, чем исходный, протекающий через гиперзвуковое сопло.Liquid gas from the cavity of the cryopump is pumped out using the
При перестановках модели изолируют рабочую часть 5 от воздухонагревателя 2 и вакуумной камеры 8 для сохранения вакуума в ней и в полостях крионасосов и напускают газ в рабочую часть трубы.When the model is rearranged, the working part 5 is isolated from the
В прототипах и предлагаемом варианте АДТ энергия в основном тратится на работу по получению газа высокого давления, на подогрев газа, на вакуумирование газа.In the prototypes and the proposed version of ADT, energy is mainly spent on the work of producing high-pressure gas, on heating the gas, on evacuating the gas.
На подогрев газа и его вакуумирование в аналогах и в предложенном варианте АДТ затрачивается примерно одинаковая энергия, причем стоимость и характеристики крионасосов и соответствующих вакуумных насосов примерно одинаковы.Approximately the same energy is spent on heating the gas and its evacuation in analogs and in the proposed ADT variant, moreover, the cost and characteristics of cryopumps and the corresponding vacuum pumps are approximately the same.
Предлагаемое изобретение дает существенный энергетический выигрыш на этапе регенерации криопанелей, когда за счет энергии окружающей среды твердофазный газ превращается сначала в жидкий газ, далее в газ высокого давления (порядка 800-1000 атм для различных типов газов), причем масса и давление вновь получаемого газа превосходит массу и давление первоначального газа, использованного в АДТ за счет дополнительной конденсации газа, напускаемого в крионасос для регенерации криопанелей. В аналогах газ, получаемый в результате регенерации не используется, а удаляется в атмосферу.The present invention provides a significant energy gain at the stage of cryopanel regeneration, when, due to environmental energy, the solid-phase gas is first converted to liquid gas, then to high-pressure gas (about 800-1000 atm for various types of gases), and the mass and pressure of the newly produced gas exceed mass and pressure of the initial gas used in the ADT due to the additional condensation of the gas introduced into the cryopump for the regeneration of cryopanels. In analogues, the gas obtained as a result of regeneration is not used, but is removed to the atmosphere.
Итак, крионасосы не только откачивают вакуумную камеру, но и являются источником газа высокого давления, не требующим дополнительных затрат электроэнергии. Учитывая, что такие высокие уровни давлений торможения в АДТ не требуются, можно при дросселировании газа до нужного давления в детандерно-генераторном агрегате (ДГА) 7 вырабатывать электроэнергию. С этой же целью ДГА устанавливают на пути газа после прохождения диффузора 6 перед входом в вакуумную камеру 8.So, cryopumps not only pump out the vacuum chamber, but also are a source of high pressure gas that does not require additional energy costs. Considering that such high levels of braking pressures are not required in ADT, it is possible to generate electricity when throttling gas to the desired pressure in the expander-generator unit (DGA) 7. For the same purpose, the DGA is installed in the gas path after passing through the diffuser 6 before entering the
Для сравнения приведем пример затрат энергии на получение газа высокого давления: в гиперзвуковой АДТ непрерывного действия с замкнутым контуром (CHFT) НИЦ им. Ленгли NASA. При М=10-11 мощность привода многоступенчатого компрессора составляет 17.7 Мвт (Аэродинамические трубы и газодинамические установки зарубежных стран. Том 2. Трансзвуковые и гиперзвуковые аэродинамические трубы, обзор ЦАГИ №664-86, 1986, с.185).For comparison, we give an example of the energy consumption for producing high-pressure gas: in a closed-loop hypersonic continuous pressure transformer (CHFT) of the Scientific Research Center named after Langley NASA. At M = 10-11, the drive power of a multi-stage compressor is 17.7 MW (Wind tunnels and gas-dynamic installations of foreign countries.
Кроме экономии при эксплуатации АДТ, есть экономия, связанная с ее строительством: предлагаемая АДТ охватывает весь гиперзвуковой диапазон чисел М>5. Обычно строится 2-3 различных АДТ, чтобы охватить гиперзвуковой диапазон скоростей с числами Маха М=5÷25.In addition to savings in the operation of ADT, there is a saving associated with its construction: the proposed ADT covers the entire hypersonic range of numbers M> 5. Usually, 2-3 different ADTs are built to cover the hypersonic speed range with Mach numbers M = 5 ÷ 25.
Отметим, что многие приведенные предложения могут быть использованы, как при создании новых вакуумных гиперзвуковых АДТ, так и при модернизации существующих с целью расширения диапазона моделируемых параметров.It should be noted that many of the above suggestions can be used both when creating new vacuum hypersonic ADTs, and when modernizing existing ones in order to expand the range of simulated parameters.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011145699/28A RU2482457C1 (en) | 2011-11-11 | 2011-11-11 | Method of generating gas stream in hypersonic rarefied-air wind tunnel and wind tunnel |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011145699/28A RU2482457C1 (en) | 2011-11-11 | 2011-11-11 | Method of generating gas stream in hypersonic rarefied-air wind tunnel and wind tunnel |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2482457C1 true RU2482457C1 (en) | 2013-05-20 |
Family
ID=48789964
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011145699/28A RU2482457C1 (en) | 2011-11-11 | 2011-11-11 | Method of generating gas stream in hypersonic rarefied-air wind tunnel and wind tunnel |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2482457C1 (en) |
Cited By (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105627560A (en) * | 2015-12-28 | 2016-06-01 | 北京航天益森风洞工程技术有限公司 | High-temperature continuous nitrogen heater |
| CN105892323A (en) * | 2016-05-25 | 2016-08-24 | 无锡蓝天燃机热电有限公司 | Six-in-one integrated power generation control system |
| RU167393U1 (en) * | 2016-07-25 | 2017-01-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) | Hypersonic shock aerodynamic installation |
| RU167762U1 (en) * | 2016-07-25 | 2017-01-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) | Impact hypersonic wind tunnel |
| RU167985U1 (en) * | 2016-09-28 | 2017-01-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) | Hypersonic shock aerodynamic installation |
| CN106568568A (en) * | 2016-10-19 | 2017-04-19 | 北京航天长征飞行器研究所 | High-temperature combustion-gas flow supersonic wind tunnel test system |
| CN106768811A (en) * | 2017-02-24 | 2017-05-31 | 中国航天空气动力技术研究院 | High-frequency induction wind-tunnel vacuum pressure regulating system and pressure regulating method |
| RU2621367C1 (en) * | 2016-07-25 | 2017-06-02 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) | Hypersonic shock aerodynamic pipe |
| CN107122526A (en) * | 2017-04-06 | 2017-09-01 | 大连大学 | Test section Mach number modeling method based on differential mode character subset Integrated Algorithm |
| CN107976096A (en) * | 2017-12-18 | 2018-05-01 | 刘国斌 | A kind of high-temperature fuel gas stream tunnel airstream afterheat utilizing system |
| RU180405U1 (en) * | 2018-01-25 | 2018-06-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) | Shock tube |
| RU2658152C1 (en) * | 2017-05-25 | 2018-06-19 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Gas-dynamic testing device |
| CN109765030A (en) * | 2019-03-12 | 2019-05-17 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | A kind of wind-tunnel hot exhaust interference test device |
| RU2758412C1 (en) * | 2020-11-19 | 2021-10-28 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Unit for gas dynamic testing |
| CN115452305A (en) * | 2022-09-23 | 2022-12-09 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | Hypersonic wind tunnel double-heater structure |
| CN116046320A (en) * | 2023-03-31 | 2023-05-02 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | Hypersonic high-temperature wind tunnel pneumatic layout method |
| CN116067606A (en) * | 2023-03-31 | 2023-05-05 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | Hypersonic high-temperature wind tunnel overall layout method |
| CN116213364A (en) * | 2023-05-11 | 2023-06-06 | 中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所 | Automatic wet gas cleaning method and system for large low-temperature wind tunnel |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU389029A1 (en) * | 1967-12-22 | 1973-07-05 | DEVICE FOR CRYOGENIC GAS RELEASE | |
| SU1577487A1 (en) * | 1988-07-12 | 1992-06-30 | Предприятие П/Я Г-4903 | Pulse air wind tunnel |
| RU1803758C (en) * | 1991-05-13 | 1993-03-23 | В.А.Жохов, В.Г.Кехва нц, Б.В.Прусов и С.С.Сидоров | Aerodynamic tunnel |
| RU1543970C (en) * | 1988-02-15 | 1993-04-30 | Предприятие П/Я Г-4903 | Gas-exchange system of cryogenic wind tunnel |
-
2011
- 2011-11-11 RU RU2011145699/28A patent/RU2482457C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU389029A1 (en) * | 1967-12-22 | 1973-07-05 | DEVICE FOR CRYOGENIC GAS RELEASE | |
| RU1543970C (en) * | 1988-02-15 | 1993-04-30 | Предприятие П/Я Г-4903 | Gas-exchange system of cryogenic wind tunnel |
| SU1577487A1 (en) * | 1988-07-12 | 1992-06-30 | Предприятие П/Я Г-4903 | Pulse air wind tunnel |
| RU1803758C (en) * | 1991-05-13 | 1993-03-23 | В.А.Жохов, В.Г.Кехва нц, Б.В.Прусов и С.С.Сидоров | Aerodynamic tunnel |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Henshall В. and Brower E.ACryogenic Hupersonic Low-Density Wind Tunnel. "Advances in Cryogenic Engineering", v 7. Proceedings of the 1961 Cryogenic Engineering Conference, August 15-17 at the University of Michigan, Michigan, 1962. * |
| Henshall В. and Brower E.ACryogenic Hupersonic Low-Density Wind Tunnel. "Advances in Cryogenic Engineering", v 7. Proceedings of the 1961 Cryogenic Engineering Conference, August 15-17 at the University of Michigan, Michigan, 1962. Метод и результаты исследований моделей ВКС со струями в гиперзвуковой криогенно-вакуумной аэродинамической трубе. Благосклонов В.И., Жохов В.А., Кехваянц В.Г. и др. Ученые записки ЦАГИ, т.XXX, №1, 2, 1999. * |
| Метод и результаты исследований моделей ВКС со струями в гиперзвуковой криогенно-вакуумной аэродинамической трубе. Благосклонов В.И., Жохов В.А., Кехваянц В.Г. и др. Ученые записки ЦАГИ, т.XXX, No.1, 2, 1999. * |
Cited By (25)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105627560B (en) * | 2015-12-28 | 2018-06-05 | 北京航天益森风洞工程技术有限公司 | High temperature continous way nitrogen heater |
| CN105627560A (en) * | 2015-12-28 | 2016-06-01 | 北京航天益森风洞工程技术有限公司 | High-temperature continuous nitrogen heater |
| CN105892323A (en) * | 2016-05-25 | 2016-08-24 | 无锡蓝天燃机热电有限公司 | Six-in-one integrated power generation control system |
| RU167393U1 (en) * | 2016-07-25 | 2017-01-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) | Hypersonic shock aerodynamic installation |
| RU167762U1 (en) * | 2016-07-25 | 2017-01-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) | Impact hypersonic wind tunnel |
| RU2621367C1 (en) * | 2016-07-25 | 2017-06-02 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) | Hypersonic shock aerodynamic pipe |
| RU167985U1 (en) * | 2016-09-28 | 2017-01-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) | Hypersonic shock aerodynamic installation |
| CN106568568A (en) * | 2016-10-19 | 2017-04-19 | 北京航天长征飞行器研究所 | High-temperature combustion-gas flow supersonic wind tunnel test system |
| CN106568568B (en) * | 2016-10-19 | 2019-11-29 | 北京航天长征飞行器研究所 | A kind of high-temperature fuel gas stream supersonic wind tunnel pilot system |
| CN106768811A (en) * | 2017-02-24 | 2017-05-31 | 中国航天空气动力技术研究院 | High-frequency induction wind-tunnel vacuum pressure regulating system and pressure regulating method |
| CN106768811B (en) * | 2017-02-24 | 2023-11-10 | 中国航天空气动力技术研究院 | High-frequency induction wind tunnel vacuum pressure regulating system and pressure regulating method |
| CN107122526B (en) * | 2017-04-06 | 2020-09-22 | 大连大学 | Experimental segment Mach number modeling method based on abnormal feature subset integration algorithm |
| CN107122526A (en) * | 2017-04-06 | 2017-09-01 | 大连大学 | Test section Mach number modeling method based on differential mode character subset Integrated Algorithm |
| RU2658152C1 (en) * | 2017-05-25 | 2018-06-19 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Gas-dynamic testing device |
| CN107976096A (en) * | 2017-12-18 | 2018-05-01 | 刘国斌 | A kind of high-temperature fuel gas stream tunnel airstream afterheat utilizing system |
| RU180405U1 (en) * | 2018-01-25 | 2018-06-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) | Shock tube |
| CN109765030A (en) * | 2019-03-12 | 2019-05-17 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | A kind of wind-tunnel hot exhaust interference test device |
| CN109765030B (en) * | 2019-03-12 | 2024-04-19 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | Wind tunnel thermal jet interference test device |
| RU2758412C1 (en) * | 2020-11-19 | 2021-10-28 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Unit for gas dynamic testing |
| CN115452305A (en) * | 2022-09-23 | 2022-12-09 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | Hypersonic wind tunnel double-heater structure |
| CN116046320A (en) * | 2023-03-31 | 2023-05-02 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | Hypersonic high-temperature wind tunnel pneumatic layout method |
| CN116067606A (en) * | 2023-03-31 | 2023-05-05 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | Hypersonic high-temperature wind tunnel overall layout method |
| CN116046320B (en) * | 2023-03-31 | 2023-06-02 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | Hypersonic high-temperature wind tunnel pneumatic layout method |
| CN116067606B (en) * | 2023-03-31 | 2023-06-02 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | Hypersonic high-temperature wind tunnel overall layout method |
| CN116213364A (en) * | 2023-05-11 | 2023-06-06 | 中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所 | Automatic wet gas cleaning method and system for large low-temperature wind tunnel |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2482457C1 (en) | Method of generating gas stream in hypersonic rarefied-air wind tunnel and wind tunnel | |
| RU2451274C1 (en) | Method of generating gas flow in working section of wind tunnel and wind tunnel | |
| CA2574034A1 (en) | Process and apparatus for the liquefaction of carbon dioxide | |
| McGilvray et al. | The oxford high density tunnel | |
| RU2730129C1 (en) | Method for cryogenic-strength test of hydrogen tank | |
| KR102493917B1 (en) | gas production system | |
| CN104047831A (en) | Cryopump and method for regenerating the cryopump | |
| RU2526505C1 (en) | Method of gas flow creation in aerodynamic tunnel and aerodynamic tunnel | |
| CN112303476B (en) | Vacuum pumping system and method for tank container for freezing liquefied gas | |
| JP2008128606A (en) | Refrigeration system, and operating method for refrigeration system | |
| CN114739055B (en) | Liquid oxygen/liquid methane comprehensive supercooling system and method based on liquid oxygen refrigeration capacity | |
| US20210381756A1 (en) | Cooling method for liquefying a feed gas | |
| JP6959425B2 (en) | Systems and methods for controlling the pressure of cryogenic energy storage systems | |
| JP2022539022A (en) | Plant and method for liquefying gas | |
| CN102829569B (en) | Refrigeration equipment | |
| KR20210007907A (en) | Refrigeration and/or liquefaction device | |
| RU2577904C1 (en) | Method of transporting gas in liquefied state | |
| CN109668924A (en) | Submerged gas liquefaction deep cooling experimental provision and its experimental method | |
| RU2350860C1 (en) | Gas pipe drying device | |
| CN204513836U (en) | The step-less adjustment load device of gas expansion process of refrigerastion | |
| CN106769524A (en) | Low temperature explosion bulge test device | |
| RU2436657C1 (en) | Gasostatic extruder | |
| JP5269006B2 (en) | Power generator that reuses liquid air | |
| GB2593615A (en) | Gas storage apparatus and method | |
| CN111288747A (en) | LNG cold energy utilization air separation device system and design method thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191112 |