本發(fā)明涉及低溫液體存儲與輸運系統(tǒng)的設計領域，具體是一種用于連續(xù)式高速風洞降溫系統(tǒng)的液氮存儲裝置。

背景技術：

雷諾數(shù)是風洞實驗模擬飛行器實際飛行能力的重要相似參數(shù)。從理論上來講，要使風洞實驗能完全模擬真實的飛行狀態(tài)，就必須使風洞實驗和實際飛行的雷諾數(shù)保持一致。然而，由于受到模型尺寸、風洞動力設備、能源系統(tǒng)等因素的限制，目前的風洞實驗雷諾數(shù)還難以達到實際的飛行雷諾數(shù)。實驗雷諾數(shù)與飛行雷諾數(shù)的不同會導致實驗所得邊界層轉捩、分離位置、激波位置、強度等氣動特性與實際飛行狀態(tài)形成明顯差異，結果使實驗數(shù)據(jù)的工程應用價值大大降低，在某些情況下甚至無法使用。因此，研制高(變)雷諾數(shù)風洞對我國航空工業(yè)和國防科技的發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義和工程應用價值。

連續(xù)式高速風洞是由軸流壓縮機驅動的可連續(xù)長時間運行的回流式高速空氣動力學實驗平臺，其流場品質和實驗效率遠高于常規(guī)暫沖式風洞。但由于連續(xù)式高速風洞由大功率電機驅動，受能源系統(tǒng)的限制，其實驗段雷諾數(shù)與實際飛行雷諾數(shù)仍有一定差距，不能很好地滿足戰(zhàn)斗機和大型高速民機模型實驗的需求。雷諾數(shù)由流體密度、溫度、速度和模型尺寸決定，流體速度和模型尺寸受風洞固有條件的制約不易改變，降溫可增大流體密度，減小粘性系數(shù)，是一種提高實驗雷諾數(shù)有效途徑。因此，為了進一步拓寬該風洞的實驗雷諾數(shù)范圍，針對連續(xù)式高速風洞的結構特點和運行模式，在不改變實驗段尺寸、流體介質及壓力的情況下，通過噴灑液氮的方式，利用液氮的氣化吸熱效應，可實現(xiàn)連續(xù)式高速風洞的降溫運行，從而達到提高實驗雷諾數(shù)的目的。

從原理上講，降溫系統(tǒng)可以采用壓縮機驅動冷媒的常規(guī)制冷方案、以液氮替代冷卻水的循環(huán)換熱方案及液氮直接噴入降溫方案。常規(guī)制冷系統(tǒng)投資較大，在連續(xù)式高速風洞中不易實現(xiàn)；受風洞已有換熱器設計和制作工藝的影響，液氮循環(huán)方案具有一定的技術風險，且其制冷量較大，使用率不高則會引起能源的浪費。液氮直接噴入降溫方案有以下特點：1)技術成熟：液氮噴入直接降溫方式已經(jīng)成功地應用到包括研究型、生產(chǎn)型、低速和高速風洞在內的國內外多座常規(guī)暫沖式風洞中，有較為成熟的設計和使用規(guī)范可循；2)設備投資較少：液氮噴入系統(tǒng)是間隙式工作系統(tǒng)，不需要大功率的配電設備和制冷系統(tǒng)，可以大量節(jié)省固定設備投資；3)制冷量大且溫度范圍寬，液氮噴入壓力容易在較寬范圍內調節(jié)；4)占用空間較小，保養(yǎng)成本低，無需要大量的日常維護工作。因此，針對液氮直接噴入的降溫方案，可以研制一套適用于連續(xù)式高速風洞的液氮存儲裝置，以形成風洞降溫系統(tǒng)的低溫氣源條件。

技術實現(xiàn)要素：

為實現(xiàn)液氮直接噴入的降溫方案提供支撐，本發(fā)明針對連續(xù)式高速風洞的結構特點和運行模式，提出一種連續(xù)式高速風洞降溫系統(tǒng)液氮存儲裝置，分析了液氮存儲量與風洞實驗工況的匹配關系，解決低溫液氮的組合沖灌、自增壓、超壓保護、殘夜排放的技術問題，形成穩(wěn)定、可靠的液氮存儲與驅動條件。

本發(fā)明的技術方案為：

所述一種連續(xù)式高速風洞降溫系統(tǒng)液氮存儲裝置，其特征在于：由液氮儲罐和外部管路組成；

所述液氮儲罐采用立式真空粉末絕熱低溫液體貯槽；貯槽由保溫材料、內容器、外殼與真空式過濾器組成；液氮儲罐的總容積滿足連續(xù)式高速風洞穩(wěn)定運行工況下的液氮流量需求，同時滿足連續(xù)式高速風洞準備過程和過渡過程所需消耗的液氮量；

所述外部管路由組合充灌系統(tǒng)、自增壓系統(tǒng)、儲罐安全系統(tǒng)、儲罐供氣系統(tǒng)、儀表監(jiān)測系統(tǒng)組成；

所述組合充灌系統(tǒng)用于向貯槽內補充液體；所述自增壓系統(tǒng)用于主管路清洗、預冷和填充；所述儲罐安全系統(tǒng)用于確保內容器不因超壓而破壞；所述儲罐供氣系統(tǒng)用于與外部的汽化器以及低溫泵連接；所述儀表監(jiān)測系統(tǒng)用于與液氮儲罐上的液位對照表配合，實現(xiàn)對儲罐內液氮液位的實時監(jiān)測。

進一步的優(yōu)選方案，所述一種連續(xù)式高速風洞降溫系統(tǒng)液氮存儲裝置，其特征在于：連續(xù)式高速風洞穩(wěn)定運行工況下的液氮流量需求由抵消連續(xù)式風洞壓縮機對氣流做功功率所需的液氮流量確定；抵消連續(xù)式風洞壓縮機對氣流做功功率所需的液氮流量通過連續(xù)式風洞流場校測實驗數(shù)據(jù)計算得到。

進一步的優(yōu)選方案，所述一種連續(xù)式高速風洞降溫系統(tǒng)液氮存儲裝置，其特征在于：連續(xù)式高速風洞準備過程和過渡過程所需消耗的液氮量包括液氮儲罐蒸發(fā)的液氮量，擠推氣消耗的液氮量，管路清洗、預冷和填充消耗的液氮量、過渡工況所消耗的液氮量。

進一步的優(yōu)選方案，所述一種連續(xù)式高速風洞降溫系統(tǒng)液氮存儲裝置，其特征在于：所述組合充灌系統(tǒng)包括頂部進液閥、底部進液閥、殘液排放閥、放空閥和溢流閥；所述殘液排放閥用于排除外部充裝軟管中的雜物；所述頂部進液閥和底部進液閥共同充灌液氮總量的75％，剩余25％液氮由底部進液閥單獨充灌；所述放空閥用于調節(jié)進氣壓力，使進氣壓力保持為0.2mpa。

進一步的優(yōu)選方案，所述一種連續(xù)式高速風洞降溫系統(tǒng)液氮存儲裝置，其特征在于：所述自增壓系統(tǒng)包括增壓輸入閥、調壓閥、汽化器、增壓輸出閥；增壓輸入閥、調壓閥、汽化器、增壓輸出閥連接成回路，增壓輸入閥和增壓輸出閥連接液氮儲罐；從增壓輸出閥輸出的低溫液氮經(jīng)過汽化器吸熱汽化后，生成的氮氣回到儲罐內使壓力升高。

進一步的優(yōu)選方案，所述一種連續(xù)式高速風洞降溫系統(tǒng)液氮存儲裝置，其特征在于：所述儲罐安全系統(tǒng)包括兩個安全閥、兩組爆破片、外筒防爆裝置、安全排放選擇閥；其中單個安全閥和一組爆破片串聯(lián)，并與另一組串聯(lián)的安全閥和爆破片并聯(lián)；通過安全排放選擇閥選擇一套串聯(lián)的安全閥和爆破片工作，另一套串聯(lián)的安全閥和爆破片備用；當儲罐壓力高于安全閥起跳壓力時，安全閥起跳排氣。

進一步的優(yōu)選方案，所述一種連續(xù)式高速風洞降溫系統(tǒng)液氮存儲裝置，其特征在于：所述儲罐供氣系統(tǒng)包括進氣閥、泵進液閥、泵回氣閥；進氣閥用于與外部的汽化器連接，泵進液閥、泵回氣閥分別與低溫泵進液、回氣口連接。

進一步的優(yōu)選方案，所述一種連續(xù)式高速風洞降溫系統(tǒng)液氮存儲裝置，其特征在于：所述儀表監(jiān)測系統(tǒng)由液位計、壓力表、氣相閥、液相閥、平衡閥、氣體檢驗閥組成，用于與液氮儲罐上的液位對照表配合，實現(xiàn)對儲罐內液氮液位的實時監(jiān)測。

有益效果

本發(fā)明通過對液氮需求量進行準確計算，為連續(xù)式高速風洞降溫系統(tǒng)液氮儲罐容積設計提供了理論依據(jù)；液氮存儲裝置設計合理，液氮加注通暢平穩(wěn)，自增壓系統(tǒng)工作穩(wěn)定，液氮日蒸發(fā)率低，絕熱性滿足低溫液氮存儲要求；液氮存儲裝置與風洞整體降溫系統(tǒng)匹配良好。通過本技術方案，為建成我國第一套連續(xù)式高速風洞降溫系統(tǒng)提供了支撐。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點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)點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

附圖1是液氮存儲裝置結構圖；

1-保溫材料，2-內容器，3-外殼，4-真空式過濾器，5-外部管路。

附圖2是外部管路原理圖。

附圖3是nf-6連續(xù)式高速風洞降溫系統(tǒng)；

6-風洞本體，7-液氮存儲裝置，8-供配氣系統(tǒng)，9-控制系統(tǒng)，10-液氮噴注裝置。

附圖4是液氮存儲裝置液位、重量與容積的關系曲線。

附圖5是噴液氮降溫試驗過程中的參數(shù)變化。

附圖6是降溫試驗過程中的總溫變化。

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標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”、“外”、“順時針”、“逆時針”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，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、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

本實施例是一套用于連續(xù)式高速風洞降溫系統(tǒng)的液氮存儲裝置。nf-6風洞是我國第一座連續(xù)式高速風洞，也是國內目前唯一一座投入運行的連續(xù)式高速風洞。該風洞的總體性能達到國內領先、國際先進水平。為了驗證本項發(fā)明的可行性及有益效果，以nf－6連續(xù)式高速風洞為實施平臺，針對風洞降溫系統(tǒng)的總體方案和主要技術要求，設計研制了nf－6連續(xù)式高速風洞降溫系統(tǒng)的液氮存儲裝置，并進行了靜態(tài)和通氣運行測試。

nf-6連續(xù)式高速風洞降溫系統(tǒng)由風洞本體6、液氮存儲裝置7、供配氣系統(tǒng)8和控制系統(tǒng)9及液氮噴注裝置10組成，如圖3所示。其中液氮存儲裝置承擔低溫液氮的沖灌、自增壓、超壓保護、殘夜排放任務，從而為風洞降溫系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠的液氮存儲與驅動條件。系統(tǒng)的工作原理及運行測試結果如下。

液氮存儲裝置由液氮儲罐和外部管路組成。

液氮儲罐采用立式真空粉末絕熱低溫液體貯槽，貯槽由保溫材料1、內容器2、外殼3與真空式過濾器4組成，見圖1。連續(xù)式高速風洞降溫運行過程中液氮需求包括兩個方面，一方面是穩(wěn)定運行工況下的液氮流量需求，另一方面是準備過程和過渡過程所需消耗的液氮量。所以液氮儲罐的總容積滿足連續(xù)式高速風洞穩(wěn)定運行工況下的液氮流量需求，同時滿足連續(xù)式高速風洞準備過程和過渡過程所需消耗的液氮量。

連續(xù)式高速風洞準備過程和過渡過程所需消耗的液氮量包括液氮儲罐蒸發(fā)的液氮量，擠推氣消耗的液氮量，管路清洗、預冷和填充消耗的液氮量、過渡工況所消耗的液氮量，以及其它損耗。液氮儲罐的定蒸發(fā)指標為1％/天，設計儲存時間7天；擠推氣瓶容積為3.0m³,實際充填壓力按12mpa計算(由3mpa充填至15mpa)，其液氮需求總量約為420kg；液氮輸送主管路總長度為60m、管路內徑為填充所需液氮量約為548kg，取管路清洗和預冷的需要量與管路填充量相同，則同樣為548kg；可確定過渡工況的運行時間為360s，液氮流量為最大流量的1/3,則其液氮消耗量為1920kg；其它損耗按總量的5％考慮。

穩(wěn)定運行工況下的液氮流量主要取決于抵消壓縮機對氣流做功功率所需的液氮流量。抵消壓縮機對氣流做功功率所需的液氮流量通過風洞流場校測實驗數(shù)據(jù)計算獲得。根據(jù)氣流通過壓縮機的溫度升高曲線，穩(wěn)定工況下的最大液氮流量需求為16kg/s。

根據(jù)上述計算結果，設穩(wěn)態(tài)運行時間為90s，則一次運行的最大液氮需求總量為5641kg，對應的液氮體積為6.76m³，考慮到液氮罐內擴散器安裝、液氮罐充灌系數(shù)的限制等因素，實際對應的儲罐容積應為7.76m³，保留一些余量后液氮罐的總容積應大于10m³，根據(jù)低溫壓力容器的相關規(guī)范，最終確定液氮儲罐的總容積為13m³。

所以本實施例中液氮儲罐主要技術參數(shù)為：容積13m³，最高工作壓力2.0mpa，工作溫度-196℃～50℃，液氮日蒸發(fā)率≤1.0％。

外部管路5由組合充灌系統(tǒng)、自增壓系統(tǒng)、儲罐安全系統(tǒng)、儲罐供氣系統(tǒng)、儀表監(jiān)測系統(tǒng)五部分組成，如圖2所示。

所述組合充灌系統(tǒng)位于貯槽的正面，用于向貯槽內補充液體，包括頂部進液閥a-2、底部進液閥a-1、殘液排放閥a-7、放空閥a-12和溢流閥a-4。

所述殘液排放閥用于排除外部充裝軟管中的雜物；所述頂部進液閥和底部進液閥共同充灌液氮總量的75％，剩余25％液氮由底部進液閥單獨充灌；所述放空閥用于調節(jié)進氣壓力，使進氣壓力保持為0.2mpa。

具體的液氮充灌方法為：

儲罐進液前首先進行吹掃置換，即進氣0.2mpa，保壓3分鐘后排氣，執(zhí)行上述步驟，直至放空閥a-12有結霜。同時把液位計、儀表接頭打開，進行吹掃。在正式進液前，先開殘液排放閥，排除充裝軟管內的空氣、水分等雜物，待充裝軟管出現(xiàn)結霜時，打開頂部進液閥a-2進液。進液中，如果儲罐壓力與進液槽車過于接近(小于0.2mpa壓差)，可打開放空閥a-12排氣降壓。儲罐壓力穩(wěn)定后，同時打開底部進液閥a-1，在進液到貯槽3/4時，關閉頂部進液閥a-2閥，同時打開溢流閥a-4，待溢流閥出液時，關閉底部進液閥a-1，打開殘液排放閥a-7，卸除充裝軟管。

降溫系統(tǒng)的液氮輸運及噴灑是通過高壓擠推的方式實現(xiàn)的，因此為了節(jié)約擠推氣瓶組中高壓氮氣的消耗，在正式運行前需通過儲罐的自增壓系統(tǒng)將罐內壓力增至0.7～0.8mpa，以完成主管路的清洗、預冷和填充。自增壓系統(tǒng)位于儲罐的下部，包括增壓輸入閥a-3、調壓閥c-1、汽化器b-1、增壓輸出閥a-11。調壓閥、汽化器、增壓輸出閥連接成回路，增壓輸入閥和增壓輸出閥連接液氮儲罐；從增壓輸出閥輸出的低溫液氮經(jīng)過汽化器吸熱汽化后，生成的氮氣回到儲罐內使壓力升高。

自增壓的具體方法為：打開增壓輸入閥a-3、增壓輸出閥a-11閥，將調壓閥c-1調節(jié)螺絲擰緊(c-1閥用來設定貯槽壓力，擰緊調節(jié)螺絲，則增加設定壓力，反之降低設定壓力)，增壓管路及汽化器開始結霜，這表明管路中已有低溫液氮通過。吸熱汽化后的氮氣回到儲罐內使壓力升高，增壓結束時，增壓器或管路開始化霜，此時壓力表顯示壓力為c-1閥的設定壓力。如果此壓力不滿足使用要求，繼續(xù)上述過程，直至達到預增壓設定值。

所述儲罐安全系統(tǒng)位于貯槽左側90°，包括兩個安全閥ya-1a/1b、兩組爆破片fb-1a/1b、外筒防爆裝置fb-2、安全排放選擇閥a-15；其中單個安全閥和一組爆破片串聯(lián)，并與另一組串聯(lián)的安全閥和爆破片并聯(lián)；通過安全排放選擇閥選擇一套串聯(lián)的安全閥和爆破片工作，另一套串聯(lián)的安全閥和爆破片備用；當儲罐壓力高于安全閥起跳壓力時，安全閥起跳排氣，保證內容器不會因超壓而破壞。另外在儲罐壓力過高時，還可以通過打開a-12閥降低儲罐壓力。

所述儲罐供氣系統(tǒng)包括進氣閥a-13、泵進液閥a-18、泵回氣閥a-16；進氣閥用于與外部的汽化器連接，泵進液閥、泵回氣閥分別與低溫泵進液、回氣口連接。

所述儀表監(jiān)測系統(tǒng)位于正面、組合充灌閥的上方，由液位計l1-1、壓力表p1-1及氣相閥a-8、液相閥a-10、平衡閥a-9、氣體檢驗閥a-19組成，通過與儲罐上的液位對照表配合使用，實現(xiàn)儲罐內液氮液位的實時監(jiān)測。

本實施例中對上述液氮存儲裝置進行了測試：

1)液氮存儲性能測試：在降溫系統(tǒng)正式運行調試前，首先測試液氮存儲裝置的液氮充灌與存儲性能。圖4給出了液氮充灌與存儲性能的測試結果，可以發(fā)現(xiàn)儲罐液位與液氮容積及重量表現(xiàn)出良好的線性關系。測試結果表明儲罐與管路設計合理，液位顯示準確，壓力調節(jié)系統(tǒng)工作正常，自增壓可達到設計值。

2)液氮蒸發(fā)率測試：存儲裝置的液氮蒸發(fā)率決定液氮的損耗和可存儲時間，為此需做專門測試，已驗證本裝置的可靠性。測試共進行三次，根據(jù)儲罐容積，每次充灌液氮10.4m³(折合約8.4t)，測試表明每日液氮儲罐內壓力上升約1bar，計算可得液氮日蒸發(fā)率為0.044％，遠低于設計指標(1.0％)。

最終，在液氮存儲裝置及其它子系統(tǒng)建設完成后，進行了風洞降溫系統(tǒng)的通氣運行與測試，風洞總壓采用閉環(huán)控制，來流風速設定為m＝0.8。圖5給出了其整個降溫試驗過程中總溫、總壓及馬赫數(shù)的變化曲線，圖6給出了風洞穩(wěn)定段總溫的變化情況，由圖可知：

1)噴液氮后，風洞總壓和馬赫數(shù)控制未受明顯影響，表明本降溫系統(tǒng)與風洞原測控系統(tǒng)配和良好；

2)穩(wěn)定段9個總溫測點的平均值達到-20℃，且滿足|δtφ|≤2k；

3)馬赫數(shù)偏差為|δma|≤0.003，滿足σma≤0.003；

4)穩(wěn)定段總壓的平均值達到1.7bar，其變化幅度滿足|δpφ/pφ|≤0.3％；

5)風洞降溫運行的有效時間超過90s，達到設計要求。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領域的普通技術人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。