本發(fā)明涉及連續(xù)式高速風(fēng)洞液氮降溫輸運系統(tǒng)，適用于連續(xù)式高速風(fēng)洞液氮降溫系統(tǒng)液氮的存儲、傳輸及噴注。
背景技術(shù)：
：雷諾數(shù)是風(fēng)洞實驗?zāi)M飛行器實際飛行能力的重要相似參數(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)長時間運行的回流式高速空氣動力學(xué)實驗平臺，其流場品質(zhì)和實驗效率遠(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(jī)和大型高速民機(jī)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，在實驗段尺寸與流體介質(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)，是一種提高實驗雷諾數(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)低溫實驗技術(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。技術(shù)角度講，可以在風(fēng)洞內(nèi)配置專用的制冷系統(tǒng)以降低風(fēng)洞內(nèi)氣流的溫度，但受到風(fēng)洞尺寸的限制，以及制冷裝置對風(fēng)洞流場的干擾，不易實現(xiàn)。液態(tài)氮是一種低沸點的惰性物質(zhì)，具有蒸發(fā)快、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點，因此，可通過向風(fēng)洞內(nèi)噴灑液氮的方式，利用液氮的氣化吸熱效應(yīng)，帶走風(fēng)洞內(nèi)的熱量，從而實現(xiàn)降低氣流溫度，增大實驗雷諾數(shù)的目的。為此，根據(jù)連續(xù)式高速風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)特點和運行模式，針對氮氣的物理特性，需要研制一套適用于連續(xù)式高速風(fēng)洞的液氮輸運系統(tǒng)及方法，以將液氮高效、可控地送入風(fēng)洞，實現(xiàn)風(fēng)洞的降溫運行。技術(shù)實現(xiàn)要素：根據(jù)連續(xù)式高速風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)特點和液氮的物理特性，本發(fā)明計算液氮的總需求量，設(shè)計液氮充灌及自增壓方法，確定液氮傳輸?shù)尿?qū)動方式，設(shè)計液氮的噴入方法，提出了一種連續(xù)式高速風(fēng)洞液氮降溫輸運系統(tǒng)，解決液氮存儲、擠推、流量控制及風(fēng)洞洞體超壓、凍裂等技術(shù)問題，為連續(xù)式高速風(fēng)洞降溫系統(tǒng)建立安全、可靠的液氮輸運技術(shù)手段。本發(fā)明的技術(shù)方案為：所述一種連續(xù)式高速風(fēng)洞液氮降溫輸運系統(tǒng)，其特征在于：包括液氮存儲裝置、供配氣系統(tǒng)和液氮噴注裝置；所述液氮存儲裝置包括液氮儲罐、自增壓系統(tǒng)；所述供配氣系統(tǒng)包括液氮低溫泵、汽化器、高壓氣瓶組；所述自增壓系統(tǒng)使液氮儲罐內(nèi)形成儲罐內(nèi)壓力；儲罐內(nèi)部分液氮在儲罐內(nèi)壓力作用下能夠進(jìn)入所述液氮低溫泵；液氮低溫泵將液氮輸送至汽化器，液氮在汽化器內(nèi)蒸發(fā)增壓，而后進(jìn)入高壓氣瓶組；所述高壓氣瓶組為氣控、儲罐預(yù)增壓和液氮擠推的高壓氣源；其中高壓氣瓶組中的高壓氮氣能夠擠推儲罐中的液氮，并通過液氮噴注裝置將液氮噴入風(fēng)洞。進(jìn)一步的優(yōu)選方案，所述一種連續(xù)式高速風(fēng)洞液氮降溫輸運系統(tǒng)，其特征在于：所述液氮存儲裝置中的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(nèi)容器、外殼與真空式過濾器組成；液氮儲罐的總?cè)莘e滿足連續(xù)式高速風(fēng)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(fēng)洞準(zhǔn)備過程和過渡過程所需消耗的液氮量需求。進(jìn)一步的優(yōu)選方案，所述一種連續(xù)式高速風(fēng)洞液氮降溫輸運系統(tǒng)，其特征在于：所述自增壓系統(tǒng)包括增壓輸入閥、調(diào)壓閥、自增壓汽化器、增壓輸出閥；增壓輸入閥、調(diào)壓閥、自增壓汽化器、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)過自增壓汽化器吸熱汽化后，生成的氮氣回到儲罐內(nèi)使壓力升高。進(jìn)一步的優(yōu)選方案，所述一種連續(xù)式高速風(fēng)洞液氮降溫輸運系統(tǒng)，其特征在于：所述供配氣系統(tǒng)還包括配氣系統(tǒng)、連接管道和配套閥門；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)洞液氮降溫輸運系統(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)洞液氮降溫輸運系統(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。進(jìn)一步的優(yōu)選方案，所述一種連續(xù)式高速風(fēng)洞液氮降溫輸運系統(tǒng)，其特征在于：所述液氮噴注裝置包括集液環(huán)、上游液氮噴嘴組、下游液氮噴嘴組；所述液氮噴注裝置安裝在風(fēng)洞液氮噴注段內(nèi)；集液環(huán)為環(huán)形不銹鋼管路，內(nèi)徑與安裝位置處的風(fēng)洞洞壁外徑相同，呈環(huán)狀安裝于風(fēng)洞洞壁，用于接受來自主管道的低溫液氮并將液氮輸送至液氮噴嘴組；所述上游液氮噴嘴組包括若干上游超低溫高壓末端電磁閥、若干上游液氮噴嘴和若干上游支架管路，上游超低溫高壓末端電磁閥、上游液氮噴嘴和上游支架管路個數(shù)相同；若干上游液氮噴嘴沿風(fēng)洞洞壁外側(cè)周向均勻分布，通過上游支架管路接受來自集液環(huán)的液氮，并在上游超低溫高壓末端電磁閥的控制下將液氮噴入風(fēng)洞內(nèi)；所述下游液氮噴嘴組包括若干下游超低溫高壓末端電磁閥、若干下游液氮噴嘴和若干下游支架管路，下游超低溫高壓末端電磁閥、下游液氮噴嘴和下游支架管路個數(shù)相同；若干下游液氮噴嘴沿風(fēng)洞洞壁外側(cè)周向均勻分布，通過下游支架管路接受來自集液環(huán)的液氮，并在下游超低溫高壓末端電磁閥的控制下將液氮噴入風(fēng)洞內(nèi)；上游液氮噴嘴組與下游液氮噴嘴組沿風(fēng)洞氣流軸線平行分布，上游液氮噴嘴組距實驗段上游端面0.61d，下游液氮噴嘴組距實驗段上游端面1.72d，其中d為實驗段上游端面內(nèi)徑。進(jìn)一步的優(yōu)選方案，所述一種連續(xù)式高速風(fēng)洞液氮降溫輸運系統(tǒng)，其特征在于：所述上游液氮噴嘴組由16只上游超低溫高壓末端電磁閥、16個上游液氮噴嘴和16條上游支架管路組成，16個上游液氮噴嘴沿實驗段洞壁外側(cè)周向均勻分布；16個上游液氮噴嘴由0.5mpa壓差下，其中3個上游液氮噴嘴的流量為0.02kg/s、3個上游液氮噴嘴的流量為0.12kg/s、6個上游液氮噴嘴的流量為0.6kg/s、4個上游液氮噴嘴的流量為0.73kg/s；3個流量為0.02kg/s的上游液氮噴嘴分別安裝于沿逆氣流方向觀察上游噴射截面的0°、135°、225°位置，3個流量為0.12kg/s的上游液氮噴嘴分別安裝于沿逆氣流方向觀察上游噴射截面的45°、180°、315°位置，6個流量為0.6kg/s的上游液氮噴嘴分別安裝于沿逆氣流方向觀察上游噴射截面的67.5°、112.5°、157.5°、247.5°、292.5°、337.5°位置，4個流量為0.73kg/s的上游液氮噴嘴分別安裝于沿逆氣流方向觀察上游噴射截面的22.5°、90°、202.5°、270°位置；所述下游液氮噴嘴組由16只下游超低溫高壓末端電磁閥、16個下游液氮噴嘴和16條下游支架管路組成，16個下游液氮噴嘴沿實驗段洞壁外側(cè)周向均勻分布；16個下游液氮噴嘴由0.5mpa壓差下，其中3個下游液氮噴嘴的流量為0.02kg/s、2個下游液氮噴嘴的流量為0.12kg/s、8個下游液氮噴嘴的流量為0.6kg/s、3個下游液氮噴嘴的流量為0.73kg/s；3個流量為0.02kg/s的下游液氮噴嘴分別安裝于沿逆氣流方向觀察下游噴射截面的45°、180°、315°位置，2個流量為0.12kg/s的下游液氮噴嘴分別安裝于沿逆氣流方向觀察下游噴射截面的90°、270°位置，8個流量為0.6kg/s的下游液氮噴嘴分別安裝于沿逆氣流方向觀察下游噴射截面的22.5°、67.5°、112.5°、157.5°、202.5°、247.5°、292.5°、337.5°位置，3個流量為0.73kg/s的下游液氮噴嘴分別安裝于沿逆氣流方向觀察下游噴射截面的0°、135°、225°位置。進(jìn)一步的優(yōu)選方案，所述一種連續(xù)式高速風(fēng)洞液氮降溫輸運系統(tǒng)，其特征在于：支架管路前端通過膨脹節(jié)連接于集液環(huán)，液氮噴嘴前端通過超低溫高壓末端電磁閥連接于支架管路末端，液氮噴嘴末端安裝于實驗段洞壁；超低溫高壓末端電磁閥控制液氮噴嘴開閉。有益效果本方案提出的液氮儲罐自增壓方法滿足高壓氮氣制備與管路預(yù)置的要求，設(shè)計的管路預(yù)置方法解決了液氮管路的清洗、預(yù)冷及填充問題，保證了液氮輸送管路的安全；供配氣系統(tǒng)工作穩(wěn)定，實現(xiàn)了液氮的預(yù)增壓及擠推輸運；環(huán)形液氮噴注方案設(shè)計合理，實現(xiàn)了液氮噴入流量的精確控制，并有效解決了風(fēng)洞洞壁超低溫凍裂問題，保證了的風(fēng)洞結(jié)構(gòu)安全。采用本技術(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)保障。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(jié)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是連續(xù)式高速風(fēng)洞降溫系統(tǒng)液氮輸運系統(tǒng)工作原理圖；1-液氮儲罐，2-擴(kuò)散器，3-第一壓力表，4-壓力變送器，5-第二壓力表，6-高壓氣瓶組，7-液位計，8-汽化器，9-液氮低溫泵，10-下游噴嘴組，11-上游噴嘴組，12-風(fēng)洞洞體。附圖2是液氮儲罐及自增壓系統(tǒng)；附圖3是液氮降溫供配氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；9-液氮低溫泵，8-汽化器，6-高壓氣瓶組，13-配氣系統(tǒng)，14-連接管道。附圖4是液氮噴注裝置的裝配關(guān)系；15-集液環(huán)，11-上游噴嘴組，10-下游噴嘴組，16-膨脹節(jié)，17-支架管路，12-風(fēng)洞洞體。附圖5是nf-6連續(xù)式高速風(fēng)洞降溫系統(tǒng)；18-風(fēng)洞本體，19-液氮存儲裝置，20-供配氣系統(tǒng)，21-控制系統(tǒng)，22-液氮噴注裝置。附圖6是常壓降溫試驗結(jié)果；附圖7是常壓降溫試驗總溫變化；附圖8是增壓降溫試驗結(jié)果；附圖9是增壓降溫試驗總溫變化；附圖10是重復(fù)性試驗總溫變化；附圖11是重復(fù)性試驗ma數(shù)變化；附圖12是重復(fù)性試驗總壓變化。具體實施方式下面詳細(xì)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(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。本實施例是一套用于連續(xù)式高速風(fēng)洞降溫系統(tǒng)的液氮輸運系統(tǒng)，用于連續(xù)式高速風(fēng)洞液氮降溫系統(tǒng)液氮的存儲、傳輸及噴注。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(fēng)洞為實施平臺，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nf－6連續(xù)式高速風(fēng)洞降溫系統(tǒng)的液氮輸運系統(tǒng)，并進(jìn)行了運行調(diào)試。nf-6連續(xù)式高速風(fēng)洞降溫系統(tǒng)由風(fēng)洞本體18、液氮存儲裝置19、供配氣系統(tǒng)20和控制系統(tǒng)21及液氮噴注裝置22組成，如圖5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)用于解決高壓氮氣制備與存儲、液氮儲罐預(yù)增壓、氣控氣與擠推氣壓力、氣動電磁閥控制的問題，液氮噴注裝置用于液氮噴注及流量精確控制?？刂葡到y(tǒng)用于風(fēng)洞運行中各參數(shù)的總體控制。本實施例中采用液氮儲罐自增壓、高壓氮氣制備、儲罐預(yù)增壓、液氮擠推、環(huán)形噴注及氣動電磁閥精確控制的方法實現(xiàn)液氮的輸運與噴注，工作原理如圖1所示。首先通過液氮存儲裝置的自增壓系統(tǒng)使儲罐內(nèi)形成一定的壓力；之后從液氮儲罐引流部分液氮進(jìn)入低溫泵，通過汽化器汽化增壓后進(jìn)入高壓氣瓶組，建立液氮擠推和氣動電磁閥所需的高壓氣源，并利用氣瓶組的高壓氮氣對液氮儲罐預(yù)增壓，進(jìn)一步提高儲罐內(nèi)的壓力，使其接近工作壓力；準(zhǔn)備工作完成后，風(fēng)洞降溫系統(tǒng)開始運行，打開擠推管路閥門，利用高壓氮氣擠推儲罐中的液氮；最后通過環(huán)形噴注裝置將液氮噴入風(fēng)洞。本實施例中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、內(nèi)容器、外殼與真空式過濾器組成。連續(xù)式高速風(fēng)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(zhǔn)備過程和過渡過程所需消耗的液氮量。所以液氮儲罐的總?cè)莘e滿足連續(xù)式高速風(fēng)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(fēng)洞準(zhǔn)備過程和過渡過程所需消耗的液氮量。連續(xù)式高速風(fēng)洞準(zhǔn)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(yù)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(biāo)為1％/天，設(shè)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(nèi)徑為填充所需液氮量約為548kg，取管路清洗和預(yù)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(jī)對氣流做功功率所需的液氮流量。抵消壓縮機(jī)對氣流做功功率所需的液氮流量通過風(fēng)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(jī)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(jié)果，設(shè)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(yīng)的液氮體積為6.76m3，考慮到液氮罐內(nèi)擴(kuò)散器安裝、液氮罐充灌系數(shù)的限制等因素，實際對應(yīng)的儲罐容積應(yīng)為7.76m3，保留一些余量后液氮罐的總?cè)莘e應(yīng)大于10m3，根據(jù)低溫壓力容器的相關(guān)規(guī)范，最終確定液氮儲罐的總?cè)莘e為13m3。所以本實施例中液氮儲罐主要技術(shù)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(nèi)補(bǔ)充液體，包括頂部進(jìn)液閥a-2、底部進(jìn)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(jìn)液閥和底部進(jìn)液閥共同充灌液氮總量的75％，剩余25％液氮由底部進(jìn)液閥單獨充灌；所述放空閥用于調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力，使進(jìn)氣壓力保持為0.2mpa。具體的液氮充灌方法為：儲罐進(jìn)液前首先進(jìn)行吹掃置換，即進(jìn)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(jié)霜。同時把液位計、儀表接頭打開，進(jìn)行吹掃。在正式進(jìn)液前，先開殘液排放閥，排除充裝軟管內(nèi)的空氣、水分等雜物，待充裝軟管出現(xiàn)結(jié)霜時，打開頂部進(jìn)液閥a-2進(jìn)液。進(jìn)液中，如果儲罐壓力與進(jìn)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(jìn)液閥a-1，在進(jìn)液到貯槽3/4時，關(guān)閉頂部進(jìn)液閥a-2閥，同時打開溢流閥a-4，待溢流閥出液時，關(guān)閉底部進(jìn)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(nèi)壓力增至0.7～0.8mpa。由于液氮輸送主管路較長，為了確保液氮輸送穩(wěn)定可靠，在管路充滿液氮之前需要將液氮流道適當(dāng)清洗并預(yù)冷到指定溫度，然后再對其填充液氮。通過自增壓系統(tǒng)來提供和維持儲罐壓力以完成主管路的清洗、預(yù)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(diào)壓閥c-1、汽化器b-1、增壓輸出閥a-11。調(diào)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(nèi)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(diào)壓閥c-1調(diào)節(jié)螺絲擰緊(c-1閥用來設(shè)定貯槽壓力，擰緊調(diào)節(jié)螺絲，則增加設(shè)定壓力，反之降低設(shè)定壓力)，增壓管路及汽化器開始結(jié)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(nèi)使壓力升高，增壓結(jié)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(shè)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(dá)到預(yù)增壓設(shè)定值。所述儲罐安全系統(tǒng)位于貯槽左側(cè)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(dāng)儲罐壓力高于安全閥起跳壓力時，安全閥起跳排氣，保證內(nèi)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(jìn)氣閥a-13、泵進(jìn)液閥a-18、泵回氣閥a-16；進(jìn)氣閥用于與外部的汽化器連接，泵進(jìn)液閥、泵回氣閥分別與低溫泵進(jìn)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(nèi)液氮液位的實時監(jiān)測。液氮輸送管路預(yù)置方法為：清洗管路，并置換掉管路中原有的濕空氣，防止出現(xiàn)水汽凝結(jié)，此階段的殘氣不進(jìn)入風(fēng)洞，通過專用管道直接排入大氣。具體操作時，開啟液氮供給氣動閥，在保持流道內(nèi)氣流溫度不太低的情況下以較小的氮氣流量將管道中的濕空氣置換掉。預(yù)冷液氮輸送管路，具體操作時，開啟液氮供給氣動閥以較小的液氮流量對管路持續(xù)降溫，直到管路中監(jiān)測點溫度達(dá)到預(yù)定值后停止。預(yù)冷期間需對管路中的壓力進(jìn)行監(jiān)測并進(jìn)入控制系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖，確保不超壓。填充液氮輸送管路，管路填充過程和管路的預(yù)冷過程可以結(jié)合進(jìn)行，具體操作時，開啟液氮供給氣動閥，以較小的液氮流量對管路進(jìn)行填充，直到管路中最高點出液為止。本實施例中供配氣系統(tǒng)用于解決高壓氮氣制備與存儲、液氮儲罐預(yù)增壓、氣控氣與擠推氣壓力、流量控制的問題，為降溫系統(tǒng)形成穩(wěn)定、可靠的閥門控制氣源與液氮驅(qū)動源。在建立供配氣系統(tǒng)之前，需對供配氣系統(tǒng)的氮氣需求量進(jìn)行計算，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。可以看出，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)計擠推壓力、運行時間及預(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，高壓氮氣總需求量為3.24m3，工作壓力為16.5mpa。表1擠推氣流量計算結(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3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9、汽化器8、高壓氣瓶組6、配氣系統(tǒng)18、連接管道19和配套閥門組成，系統(tǒng)通過高壓氮氣制備、存儲及管路壓力調(diào)節(jié)實現(xiàn)儲罐預(yù)增壓、氣動電磁閥驅(qū)動及液氮擠推輸運的目的。高壓氮氣制備通過液氮泵和汽化器配合完成。首先由液氮泵將儲罐內(nèi)的液氮輸送至汽化器，進(jìn)而液氮在汽化器內(nèi)蒸發(fā)增壓，最后進(jìn)入高壓氮氣瓶組。其中高壓液氮泵排量為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，液氮低溫泵停止運行，氮氣制備工作完成。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。液氮的預(yù)增壓、擠推及流量控制通過配氣系統(tǒng)完成。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。風(fēng)洞運行前，首先開啟增壓旁路對液氮儲罐進(jìn)行預(yù)增壓，直到儲罐壓力達(dá)到1.3～1.4mpa。儲罐預(yù)增壓完成后，清洗風(fēng)洞，啟動軸流壓縮機(jī)，使其在較低工況下(較小的靜葉角、較低的轉(zhuǎn)速)運轉(zhuǎn)，通過霧化噴嘴以較小的流量噴入液氮，以噴入的液氮蒸發(fā)后的氣態(tài)氮置換風(fēng)洞內(nèi)原有的空氣，當(dāng)風(fēng)洞內(nèi)氣體露點溫度達(dá)到-39℃后停止清洗。風(fēng)洞清洗完成后，降溫系統(tǒng)開始正式運行，調(diào)節(jié)風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速至實驗工況，打開高、低壓控制氣路與液氮擠推氣路，利用液氮儲罐與風(fēng)洞內(nèi)的壓差將液氮送入風(fēng)洞，并通過氣動電磁閥控制液氮噴入流量，實現(xiàn)風(fēng)洞內(nèi)氣流溫度與壓力的精確控制。液氮具有超低溫、蒸發(fā)快、膨脹系數(shù)大的特點，連續(xù)式高速風(fēng)洞是鋼制的密閉容器，液氮噴入過程中極易造成金屬材料凍裂、超壓等問題。因此，液氮噴注是整體降溫系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，用于將來自主管道的液氮均勻、可控的噴入風(fēng)洞內(nèi)部。本實施例中的連續(xù)式高速風(fēng)洞降溫系統(tǒng)的液氮噴注裝置包括集液環(huán)、上游液氮噴嘴組、下游液氮噴嘴組。所述液氮噴注裝置安裝在液氮噴注實驗段內(nèi)；集液環(huán)為環(huán)形耐低溫不銹鋼管路，內(nèi)徑與安裝位置處的實驗段洞壁外徑相同，呈環(huán)狀安裝于實驗段洞壁，用于接受來自主管道的低溫液氮并將液氮輸送至液氮噴嘴組，如圖4所示。所述上游液氮噴嘴組由16只上游超低溫高壓末端電磁閥、16個上游液氮噴嘴和16條上游支架管路組成，16個上游液氮噴嘴沿實驗段洞壁外側(cè)周向均勻分布，通過上游支架管路接受來自集液環(huán)的液氮，并在上游超低溫高壓末端電磁閥的控制下將液氮噴入風(fēng)洞內(nèi)。16個上游液氮噴嘴由0.5mpa壓差下，其中3個上游液氮噴嘴的流量為0.02kg/s、3個上游液氮噴嘴的流量為0.12kg/s、6個上游液氮噴嘴的流量為0.6kg/s、4個上游液氮噴嘴的流量為0.73kg/s；3個流量為0.02kg/s的上游液氮噴嘴分別安裝于沿逆氣流方向觀察上游噴射截面的0°、135°、225°位置，3個流量為0.12kg/s的上游液氮噴嘴分別安裝于沿逆氣流方向觀察上游噴射截面的45°、180°、315°位置，6個流量為0.6kg/s的上游液氮噴嘴分別安裝于沿逆氣流方向觀察上游噴射截面的67.5°、112.5°、157.5°、247.5°、292.5°、337.5°位置，4個流量為0.73kg/s的上游液氮噴嘴分別安裝于沿逆氣流方向觀察上游噴射截面的22.5°、90°、202.5°、270°位置。所述下游液氮噴嘴組由16只下游超低溫高壓末端電磁閥、16個下游液氮噴嘴和16條下游支架管路組成，16個下游液氮噴嘴沿實驗段洞壁外側(cè)周向均勻分布，通過下游支架管路接受來自集液環(huán)的液氮，并在下游超低溫高壓末端電磁閥的控制下將液氮噴入風(fēng)洞內(nèi)。16個下游液氮噴嘴由0.5mpa壓差下，其中3個下游液氮噴嘴的流量為0.02kg/s、2個下游液氮噴嘴的流量為0.12kg/s、8個下游液氮噴嘴的流量為0.6kg/s、3個下游液氮噴嘴的流量為0.73kg/s；3個流量為0.02kg/s的下游液氮噴嘴分別安裝于沿逆氣流方向觀察下游噴射截面的45°、180°、315°位置，2個流量為0.12kg/s的下游液氮噴嘴分別安裝于沿逆氣流方向觀察下游噴射截面的90°、270°位置，8個流量為0.6kg/s的下游液氮噴嘴分別安裝于沿逆氣流方向觀察下游噴射截面的22.5°、67.5°、112.5°、157.5°、202.5°、247.5°、292.5°、337.5°位置，3個流量為0.73kg/s的下游液氮噴嘴分別安裝于沿逆氣流方向觀察下游噴射截面的0°、135°、225°位置。上游液氮噴嘴組與下游液氮噴嘴組沿風(fēng)洞氣流軸線平行分布，上游液氮噴嘴組距實驗段上游端面0.61d，下游液氮噴嘴組距實驗段上游端面1.72d，其中d為實驗段上游端面內(nèi)徑。本實施例中，d＝1800mm，上游液氮噴嘴組距風(fēng)洞洞壁上游端面1100mm，下游液氮噴嘴組距風(fēng)洞洞壁上游端面3100mm。支架管路前端通過膨脹節(jié)連接于集液環(huán)，膨脹節(jié)用于調(diào)節(jié)噴嘴裝置與實驗段洞壁安裝孔的位置；液氮噴嘴前端通過超低溫高壓末端電磁閥連接于支架管路末端，液氮噴嘴末端安裝于實驗段洞壁；超低溫高壓末端電磁閥用于控制液氮噴嘴的開閉，最高工作壓力均為3mpa，可以完成單動或任意組合的組動，從而實現(xiàn)液氮噴注流量的調(diào)節(jié)。液氮噴注方法為：供配氣控制系準(zhǔn)備就緒，風(fēng)洞調(diào)制實驗工況后，液氮噴注裝置開始工作，根據(jù)風(fēng)洞內(nèi)氣流的溫度和壓力反饋，系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)噴嘴開閉數(shù)量及噴嘴前后壓差，實現(xiàn)液氮噴注量的精確控制。表2給出了不同壓差下的液氮噴注量?？梢钥闯?，當(dāng)噴嘴前后壓差大于8bar后，噴注裝置向風(fēng)洞內(nèi)噴注的液氮量大于18.0kg/s，達(dá)到連續(xù)式高速風(fēng)洞降溫系統(tǒng)的液氮噴注量要求。表2不同壓差下的液氮噴注量常壓降溫運行測試：在噴液氮的常壓試驗時，將風(fēng)洞排氣閥打開再往風(fēng)洞里面噴液氮，以確保風(fēng)洞總壓處于常壓水平。以m＝0.5的常壓降溫試驗為例，圖6給出了其整個降溫試驗過程中的物理參數(shù)變化，圖7給出了其穩(wěn)定段總溫的變化情況。從圖上可知，在本次試驗中：1)穩(wěn)定段9個總溫測點的平均值達(dá)到-20℃，且滿足2)試驗段ma數(shù)的平均值達(dá)到0.5，馬赫數(shù)偏差為|δma|≤0.003，即滿足σma≤0.003；3)穩(wěn)定段總壓的平均值為1.022bar，其變化幅度滿足4)風(fēng)洞降溫運行的有效時間超過90s。增壓降溫運行測試：以m＝0.8的增壓降溫試驗為例，圖8給出了其整個降溫試驗過程中的物理參數(shù)變化，圖9給出了其穩(wěn)定段總溫的變化情況，從圖上可知，在本次試驗中：1)穩(wěn)定段9個總溫測點的平均值達(dá)到-20℃，且滿足2)試驗段ma數(shù)的平均值達(dá)到0.8，馬赫數(shù)偏差為|δma|≤0.003，即滿足σma≤0.003；3)穩(wěn)定段總壓的平均值達(dá)到1.7bar，其變化幅度滿足4)風(fēng)洞降溫運行的有效時間超過90s。重復(fù)性試驗結(jié)果：以m＝0.5常壓的重復(fù)性試驗為例，測試了降溫系統(tǒng)的可靠性。圖10給出了其穩(wěn)定段總溫的變化情況，圖11給出了其試驗段ma數(shù)的變化情況，圖12給出了其穩(wěn)定段總壓的變化情況，從圖上可知，在本次試驗中：1)穩(wěn)定段9個總溫測點的平均值達(dá)到-20℃，且滿足2)試驗段ma數(shù)的平均值達(dá)到0.5，馬赫數(shù)偏差為|δma|≤0.003，即滿足σma≤0.003；3)穩(wěn)定段總壓的平均值為1.018bar，其變化幅度滿足4)風(fēng)洞降溫運行的有效時間超過90s。通過上述運行測試及重復(fù)性實驗結(jié)果可知，本發(fā)明設(shè)計的液氮輸運系統(tǒng)得當(dāng)，液氮噴注精確可控，未出現(xiàn)液氮滴落風(fēng)洞洞壁的現(xiàn)象；風(fēng)洞自身流場未受干擾，風(fēng)洞降溫系統(tǒng)工作穩(wěn)定，溫度指標(biāo)和有效運行時間達(dá)到設(shè)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(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)可以對上述實施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。當(dāng)前第1頁12