[發明專利]基于透平膨脹機逆布雷頓循環的風洞試驗方法

有效

• 申請號: 202110921764.4
• 申請日: 2021-08-12
• 公開（公告）號: CN113375892B
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發明（設計）人: 牛璐;田富竟;高鵬;司標;洪興富;任國柱
• 申請（專利權）人: 中國空氣動力研究與發展中心高速空氣動力研究所
• 主分類號: G01M9/02
• 分類號: G01M9/02
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 王丹

本發明公開了一種基于透平膨脹機逆布雷頓循環的風洞試驗系統和試驗方法。該風洞試驗系統包括沿氣流方向通過管道順序連接的原料氣源、原料氣純化裝置、壓縮機、壓縮機冷卻器、換熱器、透平膨脹機、風洞洞體、換熱器和循環出口，循環出口直通大氣環境或者連接原料氣源；保溫層覆蓋在風洞試驗系統中氣流溫度低于或高于環境溫度的設備、管道和閥門上。該風洞試驗方法包括以下步驟：a.氣體純化；b.氣體壓縮冷卻；c.氣體膨脹；d.風洞吹風；e.余氣處理。該風洞試驗系統結構簡單，風洞試驗方法可調溫度范圍廣、操作壓力彈性大、單位能耗低、無需額外冷源，獲得的試驗段雷諾數高。

技術領域

本發明屬于風洞試驗技術領域，具體涉及一種基于透平膨脹機逆布雷頓循環的風洞試驗系統和試驗方法。

背景技術

跨聲速飛行和流動過程存在很多粘性主導的復雜流動現象，如邊界層發展與轉捩、流動分離、激波與邊界層干擾等，直接影響飛行器和透平機械葉片的氣動特性。目前，我國跨聲速雷諾數模擬能力嚴重不足，已經成為制約我國先進飛行器和透平機械研制與發展的關鍵技術瓶頸之一，高雷諾數風洞試驗系統的設計和吹風試驗方法的建立是解決這一瓶頸問題的可行途徑。

逆布雷頓循環包括等熵壓縮、等壓冷卻、等熵膨脹和等壓吸熱4個過程，分別由壓縮機、換熱器、透平膨脹機和用冷設備組成，其中，高效的透平膨脹機是決定逆布雷頓循環能效的關鍵設備。逆布雷頓熱力循環具有系統簡單、運轉可靠、溫區范圍廣、工質易得（可使用空氣作為循環介質）等優點，特別在制冷和低溫領域得到了廣泛的應用與發展。

當前，亟需發展一種基于透平膨脹機逆布雷頓循環的風洞試驗系統和試驗方法。

發明內容

本發明所要解決的一個技術問題是提供一種基于透平膨脹機逆布雷頓循環的風洞試驗系統，本發明所要解決的另一個技術問題是提供一種基于透平膨脹機逆布雷頓循環的風洞試驗系統的試驗方法。

本發明的基于透平膨脹機逆布雷頓循環的風洞試驗系統，其特點是，所述的風洞試驗系統包括沿氣流方向通過管道順序連接的原料氣源、原料氣純化裝置、壓縮機、壓縮機冷卻器、換熱器的高溫側、透平膨脹機、風洞洞體、換熱器的低溫側和循環出口，循環出口直通大氣環境或者連接原料氣源；保溫層覆蓋在風洞試驗系統中氣流溫度低于或高于環境溫度的設備、管道和閥門上。

進一步地，所述的壓縮機為一級或多級壓縮機，壓縮機冷卻器為與壓縮機配套的一級或多級壓縮機冷卻器。

進一步地，其特征在于，所述的透平膨脹機為一級或多級透平膨脹機。

進一步地，其特征在于，所述的透平膨脹機的出口氣流熱力狀態為單相過熱流體或者氣液兩相流體。

進一步地，其特征在于，所述的換熱器為一級或多級換熱器。

進一步地，其特征在于，所述的風洞洞體中的風洞試驗段為直通段或者型面結構段。

本發明的基于透平膨脹機逆布雷頓循環的風洞試驗系統的試驗方法，包括以下步驟：

a.氣體純化；原料氣源中的原料氣進入原料氣純化裝置，原料氣中的純凈工質被保留，烷烴類、二氧化碳、水分及雜質被除去，得到氣體Ⅰ；

b.氣體壓縮冷卻；氣體Ⅰ經過壓縮機壓縮，壓力和溫度升高，再經壓縮機冷卻器冷卻，降溫至環境溫度，得到氣體Ⅱ；

c.氣體膨脹；氣體Ⅱ首先經過換熱器將溫度繼續降低，得到氣體Ⅲ，氣體Ⅲ進入透平膨脹機進行等熵膨脹降溫，在透平膨脹機中，根據風洞試驗的工況要求，氣體Ⅲ進行過熱的單相膨脹或兩相膨脹，得到氣體Ⅳ；

d.風洞吹風；氣體Ⅳ進入風洞洞體，經風洞洞體的擴散段、穩定段、收縮段后進入試驗段，提供滿足風洞試驗雷諾數、馬赫數要求的吹風氣流，進行風洞試驗，出口氣流為氣體Ⅴ；