本發(fā)明涉及低溫液體輸運(yùn)驅(qū)動與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體是一種用于連續(xù)式高速風(fēng)洞的液氮降溫供配氣系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：雷諾數(shù)是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)M飛行器實(shí)際飛行能力的重要相似參數(shù)。從理論上來講，要使風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)芡耆M真實(shí)的飛行狀態(tài)，就必須使風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和實(shí)際飛行的雷諾數(shù)保持一致。然而，由于受到模型尺寸、風(fēng)洞動力設(shè)備、能源系統(tǒng)等因素的限制，目前的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)還難以達(dá)到實(shí)際的飛行雷諾數(shù)。研制高雷諾數(shù)風(fēng)洞對我國航空工業(yè)和國防科技的發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義和工程應(yīng)用價值。連續(xù)式高速風(fēng)洞是由軸流壓縮機(jī)驅(qū)動的可連續(xù)長時間運(yùn)行的回流式高速空氣動力學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，其流場品質(zhì)和實(shí)驗(yàn)效率遠(yuǎn)高于常規(guī)暫沖式風(fēng)洞。但由于連續(xù)式高速風(fēng)洞由大功率電機(jī)驅(qū)動，受能源系統(tǒng)的限制，其實(shí)驗(yàn)段雷諾數(shù)與實(shí)際飛行雷諾數(shù)仍有一定差距，不能很好地滿足戰(zhàn)斗機(jī)和大型高速民機(jī)模型實(shí)驗(yàn)的需求。雷諾數(shù)由流體密度、溫度、速度和模型尺寸決定，在實(shí)驗(yàn)段尺寸與流體介質(zhì)不易改變的情況下，降溫可增大流體密度，減小粘性系數(shù)，是一種提高實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)有效途徑。我國目前在低溫連續(xù)式高速風(fēng)洞方面尚屬空白，因此，研制適用于連續(xù)式高速風(fēng)洞的液氮降溫系統(tǒng)及其相關(guān)低溫實(shí)驗(yàn)技術(shù)對我國風(fēng)洞技術(shù)創(chuàng)新與武器裝備研制具有重要意義。連續(xù)式高速風(fēng)洞降溫系統(tǒng)由液氮存儲裝置、供配氣系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)及液氮噴注裝置五大子系統(tǒng)組成，其中供配氣系統(tǒng)是整體降溫系統(tǒng)的核心組成部分，用于氣控氣與擠推氣的制備、存儲、調(diào)壓及供給，為氣動電磁閥和液氮儲罐提供穩(wěn)定的控制氣源和擠推壓力，形成液氮噴入風(fēng)洞的驅(qū)動源。從技術(shù)角度講，擠推方式或液氮泵增壓方式均可作為液氮噴入的驅(qū)動源。擠推方式的特點(diǎn)是響應(yīng)快，可以提供穩(wěn)定的噴前壓，不需要較大的驅(qū)動動力，適合于短時間間隙工作。由于液氮流量較大，液氮罐自備蒸發(fā)器的蒸發(fā)量無法滿足液氮擠推氣量需求，需要在系統(tǒng)運(yùn)行之前預(yù)先儲備擠推氣；擠推方式驅(qū)動要求液氮儲罐和管路系統(tǒng)具有較高的工作壓力。液氮泵輸送方式適合長時間連續(xù)工作，但最主要問題是響應(yīng)較慢，且需要較大的驅(qū)動功率。因此，根據(jù)連續(xù)式高速風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行模式，針對擠推輸運(yùn)方案，需要研制一套適用于連續(xù)式高速風(fēng)洞的液氮供配氣系統(tǒng)，通過高壓氣瓶組向液氮儲罐提供擠推壓力，在儲罐與噴嘴間的壓差驅(qū)動下，將液氮送入風(fēng)洞。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對連續(xù)式高速風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行模式，本發(fā)明通過建立液氮噴入量與擠推氣壓力及流量的匹配關(guān)系，提出一套用于連續(xù)式高速風(fēng)洞的液氮供配氣系統(tǒng)，解決高壓氮?dú)庵苽渑c存儲、液氮儲罐預(yù)增壓、氣控氣與擠推氣壓力、流量控制的技術(shù)問題，形成穩(wěn)定、可靠的閥門控制氣源與液氮驅(qū)動源。本發(fā)明的技術(shù)方案為：所述一種連續(xù)式高速風(fēng)洞液氮降溫供配氣系統(tǒng)，其特征在于：包括液氮低溫泵、汽化器、高壓氣瓶組、配氣系統(tǒng)、連接管道和配套閥門；液氮低溫泵將儲罐內(nèi)的液氮輸送至汽化器，液氮在汽化器內(nèi)蒸發(fā)增壓，而后進(jìn)入高壓氣瓶組；所述高壓氣瓶組分為氣控氣瓶組和擠推氣瓶組；所述高壓氣瓶組總?cè)莘e滿足氣控氣、儲罐預(yù)增壓和擠推氣需要的氣量要求；高壓氣瓶組連接配氣系統(tǒng)，配氣系統(tǒng)對共計(jì)四路氣進(jìn)行壓力設(shè)定，形成四路出口；其中氣控氣瓶組對應(yīng)配氣系統(tǒng)兩路出口：低壓控制氣口和高壓控制氣口；擠推氣瓶組對應(yīng)配氣系統(tǒng)兩路出口：預(yù)增壓氣口和擠推供氣口。進(jìn)一步的優(yōu)選方案，所述一種連續(xù)式高速風(fēng)洞液氮降溫供配氣系統(tǒng)，其特征在于：液氮低溫泵排量為250l/h，出口壓力為15mpa；汽化器蒸發(fā)量為200nm3/h，工作壓力為15mpa，出口溫度等級：≥5℃；高壓氣瓶組壓力達(dá)到目標(biāo)壓力值15mpa后，液氮低溫泵停止運(yùn)行，氮?dú)庵苽涔ぷ魍瓿伞＿M(jìn)一步的優(yōu)選方案，所述一種連續(xù)式高速風(fēng)洞液氮降溫供配氣系統(tǒng)，其特征在于：高壓氣瓶組由27只相同的分層堆疊式布置的高壓氣瓶組成，單只氣瓶的容積為0.12m3，總?cè)莘e為3.24m3，工作壓力為15mpa；其中氣控氣瓶組由2只氣瓶構(gòu)成，容積為0.24m3，用于向多個氣動閥汽缸供氣，實(shí)現(xiàn)氣動閥閥門的快速啟閉，對應(yīng)的匯流后的出氣總管通徑為15mm；擠推氣瓶組由25只氣瓶構(gòu)成，容積為3m3，用于向液氮儲罐預(yù)增壓和擠推液氮，對應(yīng)的出氣總管通徑為25mm。進(jìn)一步的優(yōu)選方案，所述一種連續(xù)式高速風(fēng)洞液氮降溫供配氣系統(tǒng)，其特征在于：配氣系統(tǒng)低壓控制氣口的壓力配置為1mpa，高壓控制氣口的壓力配置為5mpa，預(yù)增壓氣口的壓力配置為2mpa，擠推供氣口的壓力配置為2.7mpa。有益效果本方案提出的供配氣系統(tǒng)氮?dú)庑枨罅考捌涔ぷ鲏毫M足連續(xù)式高速風(fēng)洞降溫系統(tǒng)的使用要求，高壓氮?dú)庵苽溲b置運(yùn)行穩(wěn)定，液氮低溫泵排量、汽化器蒸發(fā)量及出口壓力達(dá)到設(shè)計(jì)要求；高壓氣瓶組設(shè)計(jì)合理，總?cè)莘e與工作壓力滿足儲罐預(yù)增壓與液氮擠推技術(shù)要求；配氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，氣動閥門工作穩(wěn)定，壓力調(diào)節(jié)準(zhǔn)確。供配氣系統(tǒng)與風(fēng)洞整體降溫系統(tǒng)匹配良好。本技術(shù)方案為建成我國第一套連續(xù)式高速風(fēng)洞降溫系統(tǒng)提供了技術(shù)支撐。本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。附圖說明本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：附圖1連續(xù)式高速風(fēng)洞降溫系統(tǒng)不同來流條件下的液氮需求流量；附圖2是連續(xù)式高速風(fēng)洞液氮降溫供配氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；1-液氮低溫泵，2-汽化器，3-高壓氣瓶組，4-配氣系統(tǒng)，5-連接管道。附圖3是高壓氮?dú)庵苽湓韴D；1-液氮低溫泵，2-汽化器，6-壓力表。附圖4是高壓氣瓶組結(jié)構(gòu)圖；7-氣控氣瓶組，8-擠推氣瓶組。附圖5是配氣系統(tǒng)工作原理圖；9-氣動閥，10-壓力變送器，11-壓力表，12-減壓閥，13-截止閥，14-3m3高壓氣瓶組氣路，15-0.24m3高壓氣瓶組氣路，16-低壓氣動閥氣路，17-高壓氣動閥氣路，18-增壓氣路，19-擠推氣路。附圖6是nf-6連續(xù)式高速風(fēng)洞降溫系統(tǒng)；20-風(fēng)洞本體，21液氮存儲裝置，22-供配氣系統(tǒng)，23-控制系統(tǒng)，24-液氮噴注裝置。附圖7供配氣系統(tǒng)測試結(jié)果；附圖8是噴液氮降溫試驗(yàn)過程中的參數(shù)變化；附圖9是降溫試驗(yàn)過程中的總溫變化。具體實(shí)施方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”、“順時針”、“逆時針”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。本實(shí)施例是一套用于連續(xù)式高速風(fēng)洞降溫系統(tǒng)的供配氣系統(tǒng)，用于為降溫系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠的閥門控制氣源與液氮驅(qū)動源。系統(tǒng)由液氮低溫泵、汽化器、高壓氣瓶組、配氣系統(tǒng)、連接管道和配套閥門組成。nf-6風(fēng)洞是我國第一座連續(xù)式高速風(fēng)洞，也是國內(nèi)目前唯一一座投入運(yùn)行的連續(xù)式高速風(fēng)洞。該風(fēng)洞的總體性能達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平。為了驗(yàn)證本項(xiàng)發(fā)明的可行性及有益效果，以nf－6連續(xù)式高速風(fēng)洞為實(shí)施平臺，針對風(fēng)洞降溫系統(tǒng)的總體方案和主要技術(shù)要求，設(shè)計(jì)研制了nf－6連續(xù)式高速風(fēng)洞降溫系統(tǒng)的供配氣系統(tǒng)，并進(jìn)行了運(yùn)行調(diào)試。nf-6連續(xù)式高速風(fēng)洞降溫系統(tǒng)由風(fēng)洞本體20、液氮存儲裝置21、供配氣系統(tǒng)22和控制系統(tǒng)23及液氮噴注裝置24組成，如圖6所示。其中液氮存儲裝置承擔(dān)低溫液氮的沖灌、自增壓、超壓保護(hù)、殘夜排放任務(wù)。供配氣系統(tǒng)用于解決高壓氮?dú)庵苽渑c存儲、液氮儲罐預(yù)增壓、氣控氣與擠推氣壓力、流量控制的問題，以為風(fēng)洞降溫系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠的液氮存儲與驅(qū)動條件?？刂葡到y(tǒng)用于風(fēng)洞運(yùn)行中各參數(shù)的總體控制。在建立供配氣系統(tǒng)之前，需對供配氣系統(tǒng)的氮?dú)庑枨罅窟M(jìn)行計(jì)算，從而確定高壓氣瓶組的容積、液氮增壓泵的排量及汽化器的蒸發(fā)量。圖1給出了連續(xù)式高速風(fēng)洞不同來流條件下的液氮需求流量?？梢钥闯?，在馬赫數(shù)小于0.3時，液氮流量都不大于2kg/s，穩(wěn)定工況下的最大液氮流量需求為16kg/s。擠推氣的流量計(jì)算見表1，在最大擠推壓力(3mpa)和最大液氮流量下(16kg/s)擠推氣的最大值質(zhì)量流量為1kg/s。根據(jù)設(shè)計(jì)擠推壓力、運(yùn)行時間及預(yù)增壓耗氣量，確定氣控氣需要的氣量為0.24m3，儲罐預(yù)增壓和擠推氣需要的氣量為3.0m3，高壓氮?dú)饪傂枨罅繛?.24m3，工作壓力為16.5mpa。表1擠推氣流量計(jì)算結(jié)果液氮流量，kg/s0.501.00235.0010.0015.0020.00擠推氣體溫度，k233.00233.00233.00233.00233.00233.00233.00233.00擠推氣壓力，mpa3.003.003.003.003.003.003.003.00擠推氣密度，kg/m343.3543.3543.3543.3543.3543.3543.3543.35體積流量，m3/s0.00060.00120.00250.00370.00620.01240.01860.0248質(zhì)量流量，kg/s0.030.050.110.160.270.540.801.07如圖2所示，連續(xù)式高速風(fēng)洞液氮降溫供配氣系統(tǒng)由液氮低溫泵1、汽化器2、高壓氣瓶組3、配氣系統(tǒng)4、連接管道5和配套閥門組成，系統(tǒng)通過高壓氮?dú)庵苽?、存儲及管路壓力調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)儲罐預(yù)增壓、氣動電磁閥驅(qū)動及液氮擠推輸運(yùn)的目的。高壓氮?dú)庵苽渫ㄟ^液氮低溫泵和汽化器配合完成。如圖3所示，首先由液氮低溫泵1將儲罐內(nèi)的液氮輸送至汽化器2，進(jìn)而液氮在汽化器內(nèi)蒸發(fā)增壓，最后進(jìn)入高壓氮?dú)馄拷M。其中液氮低溫泵排量為250l/h，出口壓力為15mpa；汽化器蒸發(fā)量為200nm3/h(2.5小時以內(nèi)可將高壓氣瓶組充滿)，工作壓力為15mpa，出口溫度等級：≥5℃。高壓氣瓶組壓力達(dá)到目標(biāo)壓力值(15mpa)后，液氮低溫泵停止運(yùn)行，氮?dú)庵苽涔ぷ魍瓿?。高壓氣瓶組由27只相同的分層堆疊式布置的高壓氣瓶組成，單只氣瓶的容積為0.12m3，總?cè)莘e為3.24m3，工作壓力為15mpa。高壓氣瓶組布置結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中氣控氣瓶組1由2只氣瓶構(gòu)成，容積為0.24m3，用于向多個氣動閥汽缸供氣，以實(shí)現(xiàn)閥門的快速啟閉，對應(yīng)的匯流后的出氣總管通徑為15mm；擠推氣瓶組由25只氣瓶構(gòu)成，容積為3m3，用于向液氮儲罐預(yù)增壓和擠推液氮，對應(yīng)的出氣總管通徑為25mm。配氣系統(tǒng)的功能是利用調(diào)壓閥對這四路氣進(jìn)行壓力設(shè)定，其工作原理如圖5所示。配氣系統(tǒng)的出口分為四路，低壓控制氣口的壓力配置為1mpa，高壓控制氣口的壓力配置為5mpa，預(yù)增壓氣口的壓力配置為2mpa，擠推供氣口的壓力配置為2.7mpa。供配氣系統(tǒng)運(yùn)行測試：圖7給出了供配氣系統(tǒng)的調(diào)試結(jié)果，可知：1)在整個試驗(yàn)過程中，液氮供應(yīng)充足，擠推源壓一直保持在2mpa以上，表明液氮存儲量和驅(qū)動氣源的能力滿足系統(tǒng)需求；2)氣動電磁閥動作靈敏，預(yù)增壓裝置工作正常，擠推壓力控制平穩(wěn)，配氣系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求；3)液氮輸運(yùn)管路設(shè)計(jì)合理，沿程壓力損失小，噴前壓達(dá)到1.2mpa，液氮量噴注量得到有效保障；4)電磁閥的啟閉會造成噴前壓出現(xiàn)微小跳動，壓力波動時間持續(xù)2～3秒，但很快恢復(fù)平穩(wěn)，不會對降溫效果產(chǎn)生顯著影響。風(fēng)洞降溫系統(tǒng)總體運(yùn)行測試：其它子系統(tǒng)建設(shè)完成后，進(jìn)行了風(fēng)洞降溫系統(tǒng)的總體運(yùn)行與測試，風(fēng)洞總壓采用閉環(huán)控制，來流風(fēng)速設(shè)定為m＝0.5。圖8給出了其整個降溫試驗(yàn)過程中總溫、總壓及馬赫數(shù)的變化曲線，圖9給出了風(fēng)洞穩(wěn)定段總溫的變化情況，測試結(jié)果表明：1)供配氣系統(tǒng)與其它子系統(tǒng)匹配良好，風(fēng)洞降溫系統(tǒng)工作正常，運(yùn)行穩(wěn)定。2)降溫系統(tǒng)與風(fēng)洞原測控系統(tǒng)取得很好兼容，風(fēng)洞總壓和馬赫數(shù)控制未受明顯影響，3)試驗(yàn)段9個總溫測點(diǎn)的平均值達(dá)到-20℃，且滿足4)試驗(yàn)段ma數(shù)的平均值達(dá)到0.5，馬赫數(shù)偏差為|δma|≤0.003，滿足σma≤0.003；5)穩(wěn)定段總壓的平均值為1.022bar，其變化幅度滿足6)風(fēng)洞降溫運(yùn)行的有效時間超過90s，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。當(dāng)前第1頁12