基于透平膨胀机逆布雷顿循环的风洞试验系统和试验方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于透平膨胀机逆布雷顿循环的风洞试验系统和试验方法。该风洞试验系统包括沿气流方向通过管道顺序连接的原料气源、原料气纯化装置、压缩机、压缩机冷却器、换热器、透平膨胀机、风洞洞体、换热器和循环出口，循环出口直通大气环境或者连接原料气源；保温层覆盖在风洞试验系统中气流温度低于或高于环境温度的设备、管道和阀门上。该风洞试验方法包括以下步骤：a.气体纯化；b.气体压缩冷却；c.气体膨胀；d.风洞吹风；e.余气处理。该风洞试验系统结构简单，风洞试验方法可调温度范围广、操作压力弹性大、单位能耗低、无需额外冷源，获得的试验段雷诺数高。获得的试验段雷诺数高。获得的试验段雷诺数高。

【技术实现步骤摘要】
基于透平膨胀机逆布雷顿循环的风洞试验系统和试验方法


[0001]本专利技术属于风洞试验
，具体涉及一种基于透平膨胀机逆布雷顿循环的风洞试验系统和试验方法。

技术介绍

[0002]跨声速飞行和流动过程存在很多粘性主导的复杂流动现象，如边界层发展与转捩、流动分离、激波与边界层干扰等，直接影响飞行器和透平机械叶片的气动特性。目前，我国跨声速雷诺数模拟能力严重不足，已经成为制约我国先进飞行器和透平机械研制与发展的关键技术瓶颈之一，高雷诺数风洞试验系统的设计和吹风试验方法的建立是解决这一瓶颈问题的可行途径。
[0003]逆布雷顿循环包括等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀和等压吸热4个过程，分别由压缩机、换热器、透平膨胀机和用冷设备组成，其中，高效的透平膨胀机是决定逆布雷顿循环能效的关键设备。逆布雷顿热力循环具有系统简单、运转可靠、温区范围广、工质易得（可使用空气作为循环介质）等优点，特别在制冷和低温领域得到了广泛的应用与发展。
[0004]当前，亟需发展一种基于透平膨胀机逆布雷顿循环的风洞试验系统和试验方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的一个技术问题是提供一种基于透平膨胀机逆布雷顿循环的风洞试验系统，本专利技术所要解决的另一个技术问题是提供一种基于透平膨胀机逆布雷顿循环的风洞试验系统的试验方法。
[0006]本专利技术的基于透平膨胀机逆布雷顿循环的风洞试验系统，其特点是，所述的风洞试验系统包括沿气流方向通过管道顺序连接的原料气源、原料气纯化装置、压缩机、压缩机冷却器、换热器的高温侧、透平膨胀机、风洞洞体、换热器的低温侧和循环出口，循环出口直通大气环境或者连接原料气源；保温层覆盖在风洞试验系统中气流温度低于或高于环境温度的设备、管道和阀门上。
[0007]进一步地，所述的压缩机为一级或多级压缩机，压缩机冷却器为与压缩机配套的一级或多级压缩机冷却器。
[0008]进一步地，其特征在于，所述的透平膨胀机为一级或多级透平膨胀机。
[0009]进一步地，其特征在于，所述的透平膨胀机的出口气流热力状态为单相过热流体或者气液两相流体。
[0010]进一步地，其特征在于，所述的换热器为一级或多级换热器。
[0011]进一步地，其特征在于，所述的风洞洞体中的风洞试验段为直通段或者型面结构段。
[0012]本专利技术的基于透平膨胀机逆布雷顿循环的风洞试验系统的试验方法，包括以下步骤：a.气体纯化；原料气源中的原料气进入原料气纯化装置，原料气中的纯净工质被
保留，烷烃类、二氧化碳、水分及杂质被除去，得到气体Ⅰ；b.气体压缩冷却；气体Ⅰ经过压缩机压缩，压力和温度升高，再经压缩机冷却器冷却，降温至环境温度，得到气体Ⅱ；c.气体膨胀；气体Ⅱ首先经过换热器将温度继续降低，得到气体Ⅲ，气体Ⅲ进入透平膨胀机进行等熵膨胀降温，在透平膨胀机中，根据风洞试验的工况要求，气体Ⅲ进行过热的单相膨胀或两相膨胀，得到气体Ⅳ；d.风洞吹风；气体Ⅳ进入风洞洞体，经风洞洞体的扩散段、稳定段、收缩段后进入试验段，提供满足风洞试验雷诺数、马赫数要求的吹风气流，进行风洞试验，出口气流为气体
Ⅴ
；e.余气处理；气体
Ⅴ
进入换热器与气体Ⅱ进行换热，复温后得到气体
Ⅵ
，气体
Ⅵ
从循环出口直接排放到大气环境或进入原料气纯化装置进行再循环。
[0013]本专利技术的基于透平膨胀机逆布雷顿循环的风洞试验系统的工作过程如下：原料气源中的气体经过原料气纯化装置、压缩机、压缩机冷却器进行纯化、压缩、冷却；然后经过换热器进行换热降温，经过透平膨胀机进行绝热膨胀；透平出口气流输送到风洞洞体提供风洞试验用气，完成风洞试验的出口气流回流进入换热器，回热后进行放空或循环进入原料气纯化装置进行再压缩；同时，针对低温工况，对有需要进行保温的设备或管路采取保温措施。
[0014]本专利技术的基于透平膨胀机逆布雷顿循环的风洞试验系统中的压缩机、换热器、透平膨胀机、风洞洞体组成了逆布雷顿循环四个主要部件，依次起到的作用为：压缩机对原料气或循环气进行增压、换热器为压缩气流与回流气流的换热部件、透平膨胀机提供降温冷量、风洞机构为用冷和吹风试验部件。
[0015]本专利技术的基于透平膨胀机逆布雷顿循环的风洞试验系统的试验方法将风洞洞体作为用冷部分，结合等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀过程建立逆布雷顿循环，通过合理的循环热力学设计，不仅可以保证试验气体经透平膨胀机的近等熵绝热膨胀过程后仍具备满足风洞试验运行的总压，而且，试验气体形成的低至工质饱和液态温度的低温试验气流还能够提高风洞试验段雷诺数。
[0016]本专利技术的基于透平膨胀机逆布雷顿循环的风洞试验系统的试验方法通过控制系统控制透平膨胀机，确保基于逆布雷顿循环的风洞试验系统在常温到低温的较宽温度区间内工作，试验段总压调节范围更广，扩展了风洞试验模拟的雷诺数和马赫数，提高了风洞试验工况弹性。而且，从循环出口进入原料气纯化装置进行再循环的试验气体建立了自回热循环形式，不需要输入外部冷源，风洞试验段吹风温度快速降低的同时有效减少系统能耗，提升了风洞试验的经济性和持续性。
[0017]本专利技术的基于透平膨胀机逆布雷顿循环的风洞试验系统结构简单，试验方法可调温度范围广、操作压力弹性大、单位能耗低、无需额外冷源，获得的试验段雷诺数高。
附图说明
[0018]图1为本专利技术的基于透平膨胀机逆布雷顿循环的风洞试验系统的结构示意图。
[0019]图中，1.原料气源 2.原料气纯化装置 3.压缩机 4.压缩机冷却器 5.换热器 6.透平膨胀机 7.风洞洞体 8.循环出口 9.保温层。
具体实施方式
[0020]下面将结合附图和实施例详细描述本专利技术。
[0021]如图1所示，本实施例的基于透平膨胀机逆布雷顿循环的风洞试验系统包括沿气流方向通过管道顺序连接的原料气源1、原料气纯化装置2、压缩机3、压缩机冷却器4、换热器5的高温侧、透平膨胀机6、风洞洞体7、换热器5的低温侧和循环出口8，循环出口8直通大气环境或者连接原料气源1；保温层9覆盖在风洞试验系统中气流温度低于或高于环境温度的设备、管道和阀门上。
[0022]进一步地，所述的压缩机3为一级或多级压缩机3，压缩机冷却器4为与压缩机3配套的一级或多级压缩机冷却器4。
[0023]进一步地，所述的透平膨胀机6为一级或多级透平膨胀机6。
[0024]进一步地，所述的透平膨胀机6的出口气流热力状态为单相过热流体或者气液两相流体。
[0025]进一步地，所述的换热器5为一级或多级换热器5。
[0026]进一步地，所述的风洞洞体7中的风洞试验段为直通段或者型面结构段。
[0027]基于透平膨胀机逆布雷顿循环的风洞试验系统的试验方法，包括以下步骤：a.气体纯化；原料气源1中的原料气进入原料气纯化装置2，原料气中的纯净工质被保留，烷烃类、二氧化碳、水分及杂质被除去，得到气体Ⅰ；b.气体压缩冷却；气体Ⅰ经过压缩机3压缩，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于透平膨胀机逆布雷顿循环的风洞试验系统，其特征在于，所述的风洞试验系统包括沿气流方向通过管道顺序连接的原料气源（1）、原料气纯化装置（2）、压缩机（3）、压缩机冷却器（4）、换热器（5）的高温侧、透平膨胀机（6）、风洞洞体（7）、换热器（5）的低温侧和循环出口（8），循环出口（8）直通大气环境或者连接原料气源（1）；保温层（9）覆盖在风洞试验系统中气流温度低于或高于环境温度的设备、管道和阀门上。2.根据权利要求1所述的基于透平膨胀机逆布雷顿循环的风洞试验系统，其特征在于，所述的压缩机（3）为一级或多级压缩机（3），压缩机冷却器（4）为与压缩机（3）配套的一级或多级压缩机冷却器（4）。3.根据权利要求1所述的基于透平膨胀机逆布雷顿循环的风洞试验系统，其特征在于，所述的透平膨胀机（6）为一级或多级透平膨胀机（6）。4.根据权利要求1所述的基于透平膨胀机逆布雷顿循环的风洞试验系统，其特征在于，所述的透平膨胀机（6）的出口气流热力状态为单相过热流体或者气液两相流体。5.根据权利要求1所述的基于透平膨胀机逆布雷顿循环的风洞试验系统，其特征在于，所述的换热器（5）为一级或多级换热器（5）。6.根据权利要求1所述的基于透平膨胀机逆布雷顿循环的风洞试验系统，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛璐，田富竞，高鹏，司标，洪兴富，任国柱，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：