CN106989892A - 连续式高速风洞降温***液氮存储装置 - Google Patents

连续式高速风洞降温***液氮存储装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种连续式高速风洞降温***液氮存储装置，由液氮储罐和外部管路组成，液氮储罐总容积满足连续式高速风洞稳定运行工况下的液氮流量需求，同时满足连续式高速风洞准备过程和过渡过程所需消耗的液氮量需求；外部管路由组合充灌***、自增压***、储罐安全***、储罐供气***、仪表监测***组成；组合充灌***用于向贮槽内补充液体；自增压***用于主管路清洗、预冷和填充；储罐安全***用于确保内容器不因超压而破坏；储罐供气***用于与外部的汽化器以及低温泵连接；仪表监测***用于与液氮储罐上的液位对照表配合，实现对储罐内液氮液位的实时监测。本发明为建成我国第一套连续式高速风洞降温***提供了支撑。

Description

连续式高速风洞降温***液氮存储装置
技术领域
本发明涉及低温液体存储与输运***的设计领域，具体是一种用于连续式高速风洞降温***的液氮存储装置。
背景技术
雷诺数是风洞实验模拟飞行器实际飞行能力的重要相似参数。从理论上来讲，要使风洞实验能完全模拟真实的飞行状态，就必须使风洞实验和实际飞行的雷诺数保持一致。然而，由于受到模型尺寸、风洞动力设备、能源***等因素的限制，目前的风洞实验雷诺数还难以达到实际的飞行雷诺数。实验雷诺数与飞行雷诺数的不同会导致实验所得边界层转捩、分离位置、激波位置、强度等气动特性与实际飞行状态形成明显差异，结果使实验数据的工程应用价值大大降低，在某些情况下甚至无法使用。因此，研制高(变)雷诺数风洞对我国航空工业和国防科技的发展具有重要战略意义和工程应用价值。
连续式高速风洞是由轴流压缩机驱动的可连续长时间运行的回流式高速空气动力学实验平台，其流场品质和实验效率远高于常规暂冲式风洞。但由于连续式高速风洞由大功率电机驱动，受能源***的限制，其实验段雷诺数与实际飞行雷诺数仍有一定差距，不能很好地满足战斗机和大型高速民机模型实验的需求。雷诺数由流体密度、温度、速度和模型尺寸决定，流体速度和模型尺寸受风洞固有条件的制约不易改变，降温可增大流体密度，减小粘性系数，是一种提高实验雷诺数有效途径。因此，为了进一步拓宽该风洞的实验雷诺数范围，针对连续式高速风洞的结构特点和运行模式，在不改变实验段尺寸、流体介质及压力的情况下，通过喷洒液氮的方式，利用液氮的气化吸热效应，可实现连续式高速风洞的降温运行，从而达到提高实验雷诺数的目的。
从原理上讲，降温***可以采用压缩机驱动冷媒的常规制冷方案、以液氮替代冷却水的循环换热方案及液氮直接喷入降温方案。常规制冷***投资较大，在连续式高速风洞中不易实现；受风洞已有换热器设计和制作工艺的影响，液氮循环方案具有一定的技术风险，且其制冷量较大，使用率不高则会引起能源的浪费。液氮直接喷入降温方案有以下特点：1)技术成熟：液氮喷入直接降温方式已经成功地应用到包括研究型、生产型、低速和高速风洞在内的国内外多座常规暂冲式风洞中，有较为成熟的设计和使用规范可循；2)设备投资较少：液氮喷入***是间隙式工作***，不需要大功率的配电设备和制冷***，可以大量节省固定设备投资；3)制冷量大且温度范围宽，液氮喷入压力容易在较宽范围内调节；4)占用空间较小，保养成本低，无需要大量的日常维护工作。因此，针对液氮直接喷入的降温方案，可以研制一套适用于连续式高速风洞的液氮存储装置，以形成风洞降温***的低温气源条件。
发明内容
为实现液氮直接喷入的降温方案提供支撑，本发明针对连续式高速风洞的结构特点和运行模式，提出一种连续式高速风洞降温***液氮存储装置，分析了液氮存储量与风洞实验工况的匹配关系，解决低温液氮的组合冲灌、自增压、超压保护、残夜排放的技术问题，形成稳定、可靠的液氮存储与驱动条件。
本发明的技术方案为：
所述一种连续式高速风洞降温***液氮存储装置，其特征在于：由液氮储罐和外部管路组成；
所述液氮储罐采用立式真空粉末绝热低温液体贮槽；贮槽由保温材料、内容器、外壳与真空式过滤器组成；液氮储罐的总容积满足连续式高速风洞稳定运行工况下的液氮流量需求，同时满足连续式高速风洞准备过程和过渡过程所需消耗的液氮量；
所述外部管路由组合充灌***、自增压***、储罐安全***、储罐供气***、仪表监测***组成；
所述组合充灌***用于向贮槽内补充液体；所述自增压***用于主管路清洗、预冷和填充；所述储罐安全***用于确保内容器不因超压而破坏；所述储罐供气***用于与外部的汽化器以及低温泵连接；所述仪表监测***用于与液氮储罐上的液位对照表配合，实现对储罐内液氮液位的实时监测。
进一步的优选方案，所述一种连续式高速风洞降温***液氮存储装置，其特征在于：连续式高速风洞稳定运行工况下的液氮流量需求由抵消连续式风洞压缩机对气流做功功率所需的液氮流量确定；抵消连续式风洞压缩机对气流做功功率所需的液氮流量通过连续式风洞流场校测实验数据计算得到。
进一步的优选方案，所述一种连续式高速风洞降温***液氮存储装置，其特征在于：连续式高速风洞准备过程和过渡过程所需消耗的液氮量包括液氮储罐蒸发的液氮量，挤推气消耗的液氮量，管路清洗、预冷和填充消耗的液氮量、过渡工况所消耗的液氮量。
进一步的优选方案，所述一种连续式高速风洞降温***液氮存储装置，其特征在于：所述组合充灌***包括顶部进液阀、底部进液阀、残液排放阀、放空阀和溢流阀；所述残液排放阀用于排除外部充装软管中的杂物；所述顶部进液阀和底部进液阀共同充灌液氮总量的75％，剩余25％液氮由底部进液阀单独充灌；所述放空阀用于调节进气压力，使进气压力保持为0.2MPa。
进一步的优选方案，所述一种连续式高速风洞降温***液氮存储装置，其特征在于：所述自增压***包括增压输入阀、调压阀、汽化器、增压输出阀；增压输入阀、调压阀、汽化器、增压输出阀连接成回路，增压输入阀和增压输出阀连接液氮储罐；从增压输出阀输出的低温液氮经过汽化器吸热汽化后，生成的氮气回到储罐内使压力升高。
进一步的优选方案，所述一种连续式高速风洞降温***液氮存储装置，其特征在于：所述储罐安全***包括两个安全阀、两组***片、外筒防爆装置、安全排放选择阀；其中单个安全阀和一组***片串联，并与另一组串联的安全阀和***片并联；通过安全排放选择阀选择一套串联的安全阀和***片工作，另一套串联的安全阀和***片备用；当储罐压力高于安全阀起跳压力时，安全阀起跳排气。
进一步的优选方案，所述一种连续式高速风洞降温***液氮存储装置，其特征在于：所述储罐供气***包括进气阀、泵进液阀、泵回气阀；进气阀用于与外部的汽化器连接，泵进液阀、泵回气阀分别与低温泵进液、回气口连接。
进一步的优选方案，所述一种连续式高速风洞降温***液氮存储装置，其特征在于：所述仪表监测***由液位计、压力表、气相阀、液相阀、平衡阀、气体检验阀组成，用于与液氮储罐上的液位对照表配合，实现对储罐内液氮液位的实时监测。
有益效果
本发明通过对液氮需求量进行准确计算，为连续式高速风洞降温***液氮储罐容积设计提供了理论依据；液氮存储装置设计合理，液氮加注通畅平稳，自增压***工作稳定，液氮日蒸发率低，绝热性满足低温液氮存储要求；液氮存储装置与风洞整体降温***匹配良好。通过本技术方案，为建成我国第一套连续式高速风洞降温***提供了支撑。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
附图1是液氮存储装置结构图；
1-保温材料，2-内容器，3-外壳，4-真空式过滤器，5-外部管路。
附图2是外部管路原理图。
附图3是NF-6连续式高速风洞降温***；
6-风洞本体，7-液氮存储装置，8-供配气***，9-控制***，10-液氮喷注装置。
附图4是液氮存储装置液位、重量与容积的关系曲线。
附图5是喷液氮降温试验过程中的参数变化。
附图6是降温试验过程中的总温变化。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本实施例是一套用于连续式高速风洞降温***的液氮存储装置。NF-6风洞是我国第一座连续式高速风洞，也是国内目前唯一一座投入运行的连续式高速风洞。该风洞的总体性能达到国内领先、国际先进水平。为了验证本项发明的可行性及有益效果，以NF－6连续式高速风洞为实施平台，针对风洞降温***的总体方案和主要技术要求，设计研制了NF－6连续式高速风洞降温***的液氮存储装置，并进行了静态和通气运行测试。
NF-6连续式高速风洞降温***由风洞本体6、液氮存储装置7、供配气***8和控制***9及液氮喷注装置10组成，如图3所示。其中液氮存储装置承担低温液氮的冲灌、自增压、超压保护、残夜排放任务，从而为风洞降温***提供稳定、可靠的液氮存储与驱动条件。***的工作原理及运行测试结果如下。
液氮存储装置由液氮储罐和外部管路组成。
液氮储罐采用立式真空粉末绝热低温液体贮槽，贮槽由保温材料1、内容器2、外壳3与真空式过滤器4组成，见图1。连续式高速风洞降温运行过程中液氮需求包括两个方面，一方面是稳定运行工况下的液氮流量需求，另一方面是准备过程和过渡过程所需消耗的液氮量。所以液氮储罐的总容积满足连续式高速风洞稳定运行工况下的液氮流量需求，同时满足连续式高速风洞准备过程和过渡过程所需消耗的液氮量。
连续式高速风洞准备过程和过渡过程所需消耗的液氮量包括液氮储罐蒸发的液氮量，挤推气消耗的液氮量，管路清洗、预冷和填充消耗的液氮量、过渡工况所消耗的液氮量，以及其它损耗。液氮储罐的定蒸发指标为1％/天，设计储存时间7天；挤推气瓶容积为3.0m3,实际充填压力按12MPa计算(由3MPa充填至15MPa)，其液氮需求总量约为420kg；液氮输送主管路总长度为60m、管路内径为填充所需液氮量约为548kg，取管路清洗和预冷的需要量与管路填充量相同，则同样为548kg；可确定过渡工况的运行时间为360s，液氮流量为最大流量的1/3,则其液氮消耗量为1920kg；其它损耗按总量的5％考虑。
稳定运行工况下的液氮流量主要取决于抵消压缩机对气流做功功率所需的液氮流量。抵消压缩机对气流做功功率所需的液氮流量通过风洞流场校测实验数据计算获得。根据气流通过压缩机的温度升高曲线，稳定工况下的最大液氮流量需求为16kg/s。
根据上述计算结果，设稳态运行时间为90s，则一次运行的最大液氮需求总量为5641kg，对应的液氮体积为6.76m3，考虑到液氮罐内扩散器安装、液氮罐充灌系数的限制等因素，实际对应的储罐容积应为7.76m3，保留一些余量后液氮罐的总容积应大于10m3，根据低温压力容器的相关规范，最终确定液氮储罐的总容积为13m3。
所以本实施例中液氮储罐主要技术参数为：容积13m3，最高工作压力2.0MPa，工作温度-196℃～50℃，液氮日蒸发率≤1.0％。
外部管路5由组合充灌***、自增压***、储罐安全***、储罐供气***、仪表监测***五部分组成，如图2所示。
所述组合充灌***位于贮槽的正面，用于向贮槽内补充液体，包括顶部进液阀A-2、底部进液阀A-1、残液排放阀A-7、放空阀A-12和溢流阀A-4。
所述残液排放阀用于排除外部充装软管中的杂物；所述顶部进液阀和底部进液阀共同充灌液氮总量的75％，剩余25％液氮由底部进液阀单独充灌；所述放空阀用于调节进气压力，使进气压力保持为0.2MPa。
具体的液氮充灌方法为：
储罐进液前首先进行吹扫置换，即进气0.2MPa，保压3分钟后排气，执行上述步骤，直至放空阀A-12有结霜。同时把液位计、仪表接头打开，进行吹扫。在正式进液前，先开残液排放阀，排除充装软管内的空气、水分等杂物，待充装软管出现结霜时，打开顶部进液阀A-2进液。进液中，如果储罐压力与进液槽车过于接近(小于0.2MPa压差)，可打开放空阀A-12排气降压。储罐压力稳定后，同时打开底部进液阀A-1，在进液到贮槽3/4时，关闭顶部进液阀A-2阀，同时打开溢流阀A-4，待溢流阀出液时，关闭底部进液阀A-1，打开残液排放阀A-7，卸除充装软管。
降温***的液氮输运及喷洒是通过高压挤推的方式实现的，因此为了节约挤推气瓶组中高压氮气的消耗，在正式运行前需通过储罐的自增压***将罐内压力增至0.7～0.8MPa，以完成主管路的清洗、预冷和填充。自增压***位于储罐的下部，包括增压输入阀A-3、调压阀C-1、汽化器B-1、增压输出阀A-11。调压阀、汽化器、增压输出阀连接成回路，增压输入阀和增压输出阀连接液氮储罐；从增压输出阀输出的低温液氮经过汽化器吸热汽化后，生成的氮气回到储罐内使压力升高。
自增压的具体方法为：打开增压输入阀A-3、增压输出阀A-11阀，将调压阀C-1调节螺丝拧紧(C-1阀用来设定贮槽压力，拧紧调节螺丝，则增加设定压力，反之降低设定压力)，增压管路及汽化器开始结霜，这表明管路中已有低温液氮通过。吸热汽化后的氮气回到储罐内使压力升高，增压结束时，增压器或管路开始化霜，此时压力表显示压力为C-1阀的设定压力。如果此压力不满足使用要求，继续上述过程，直至达到预增压设定值。
所述储罐安全***位于贮槽左侧90°，包括两个安全阀YA-1A/1B、两组***片FB-1A/1B、外筒防爆装置FB-2、安全排放选择阀A-15；其中单个安全阀和一组***片串联，并与另一组串联的安全阀和***片并联；通过安全排放选择阀选择一套串联的安全阀和***片工作，另一套串联的安全阀和***片备用；当储罐压力高于安全阀起跳压力时，安全阀起跳排气，保证内容器不会因超压而破坏。另外在储罐压力过高时，还可以通过打开A-12阀降低储罐压力。
所述储罐供气***包括进气阀A-13、泵进液阀A-18、泵回气阀A-16；进气阀用于与外部的汽化器连接，泵进液阀、泵回气阀分别与低温泵进液、回气口连接。
所述仪表监测***位于正面、组合充灌阀的上方，由液位计L1-1、压力表P1-1及气相阀A-8、液相阀A-10、平衡阀A-9、气体检验阀A-19组成，通过与储罐上的液位对照表配合使用，实现储罐内液氮液位的实时监测。
本实施例中对上述液氮存储装置进行了测试：
1)液氮存储性能测试：在降温***正式运行调试前，首先测试液氮存储装置的液氮充灌与存储性能。图4给出了液氮充灌与存储性能的测试结果，可以发现储罐液位与液氮容积及重量表现出良好的线性关系。测试结果表明储罐与管路设计合理，液位显示准确，压力调节***工作正常，自增压可达到设计值。
2)液氮蒸发率测试：存储装置的液氮蒸发率决定液氮的损耗和可存储时间，为此需做专门测试，已验证本装置的可靠性。测试共进行三次，根据储罐容积，每次充灌液氮10.4m3(折合约8.4t)，测试表明每日液氮储罐内压力上升约1bar，计算可得液氮日蒸发率为0.044％，远低于设计指标(1.0％)。
最终，在液氮存储装置及其它子***建设完成后，进行了风洞降温***的通气运行与测试，风洞总压采用闭环控制，来流风速设定为M＝0.8。图5给出了其整个降温试验过程中总温、总压及马赫数的变化曲线，图6给出了风洞稳定段总温的变化情况，由图可知：
1)喷液氮后，风洞总压和马赫数控制未受明显影响，表明本降温***与风洞原测控***配和良好；
2)稳定段9个总温测点的平均值达到-20℃，且满足|ΔTφ|≤2K；
3)马赫数偏差为|ΔMa|≤0.003，满足σMa≤0.003；
4)稳定段总压的平均值达到1.7bar，其变化幅度满足|ΔPφ/Pφ|≤0.3％；
5)风洞降温运行的有效时间超过90s，达到设计要求。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种连续式高速风洞降温***液氮存储装置，其特征在于：由液氮储罐和外部管路组成；
所述液氮储罐采用立式真空粉末绝热低温液体贮槽；贮槽由保温材料、内容器、外壳与真空式过滤器组成；液氮储罐的总容积满足连续式高速风洞稳定运行工况下的液氮流量需求，同时满足连续式高速风洞准备过程和过渡过程所需消耗的液氮量；
所述外部管路由组合充灌***、自增压***、储罐安全***、储罐供气***、仪表监测***组成；
所述组合充灌***用于向贮槽内补充液体；所述自增压***用于主管路清洗、预冷和填充；所述储罐安全***用于确保内容器不因超压而破坏；所述储罐供气***用于与外部的汽化器以及低温泵连接；所述仪表监测***用于与液氮储罐上的液位对照表配合，实现对储罐内液氮液位的实时监测。
2.根据权利要求1所述一种连续式高速风洞降温***液氮存储装置，其特征在于：连续式高速风洞稳定运行工况下的液氮流量需求由抵消连续式风洞压缩机对气流做功功率所需的液氮流量确定；抵消连续式风洞压缩机对气流做功功率所需的液氮流量通过连续式风洞流场校测实验数据计算得到。
3.根据权利要求1或2所述一种连续式高速风洞降温***液氮存储装置，其特征在于：连续式高速风洞准备过程和过渡过程所需消耗的液氮量包括液氮储罐蒸发的液氮量，挤推气消耗的液氮量，管路清洗、预冷和填充消耗的液氮量、过渡工况所消耗的液氮量。
4.根据权利要求1所述一种连续式高速风洞降温***液氮存储装置，其特征在于：所述组合充灌***包括顶部进液阀、底部进液阀、残液排放阀、放空阀和溢流阀；所述残液排放阀用于排除外部充装软管中的杂物；所述顶部进液阀和底部进液阀共同充灌液氮总量的75％，剩余25％液氮由底部进液阀单独充灌；所述放空阀用于调节进气压力，使进气压力保持为0.2MPa。
5.根据权利要求1所述一种连续式高速风洞降温***液氮存储装置，其特征在于：所述自增压***包括增压输入阀、调压阀、汽化器、增压输出阀；增压输入阀、调压阀、汽化器、增压输出阀连接成回路，增压输入阀和增压输出阀连接液氮储罐；从增压输出阀输出的低温液氮经过汽化器吸热汽化后，生成的氮气回到储罐内使压力升高。
6.根据权利要求1所述一种连续式高速风洞降温***液氮存储装置，其特征在于：所述储罐安全***包括两个安全阀、两组***片、外筒防爆装置、安全排放选择阀；其中单个安全阀和一组***片串联，并与另一组串联的安全阀和***片并联；通过安全排放选择阀选择一套串联的安全阀和***片工作，另一套串联的安全阀和***片备用；当储罐压力高于安全阀起跳压力时，安全阀起跳排气。
7.根据权利要求1所述一种连续式高速风洞降温***液氮存储装置，其特征在于：所述储罐供气***包括进气阀、泵进液阀、泵回气阀；进气阀用于与外部的汽化器连接，泵进液阀、泵回气阀分别与低温泵进液、回气口连接。
8.根据权利要求1所述一种连续式高速风洞降温***液氮存储装置，其特征在于：所述仪表监测***由液位计、压力表、气相阀、液相阀、平衡阀、气体检验阀组成，用于与液氮储罐上的液位对照表配合，实现对储罐内液氮液位的实时监测。
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