[发明专利]基于透平膨胀机逆布雷顿循环的风洞试验方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于风洞试验技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

本发明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，本发明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。

本发明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。

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。

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。

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。

进一步地，其特征在于，所述的换热器为一级或多级换热器。

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。

本发明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；