[发明专利]采用逆布雷顿循环控制温度的暂冲式风洞系统和试验方法

说明书

本发明公开了一种采用逆布雷顿循环控制温度的暂冲式风洞系统和试验方法。该暂冲式风洞系统包括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、回热器的高温侧、透平膨胀机、风洞洞体内的换热器（或气流输入/排出装置）、回热器的低温侧，回热器低温侧出口直通大气环境或连接原料气源；风洞洞体外置洞体气源；保温层覆盖在气流温度低于或高于环境温度的设备、管道和阀门上。该试验方法包括气体纯化，气体压缩冷却，气体膨胀，风洞吹风和余气处理。暂冲式风洞系统结构简单，风洞试验方法流程简单、可调温度范围广、温度控制精度高、可选用气体工质类型多、操作弹性大、单位能耗低和提高模拟雷诺数潜力大。

技术领域

本发明属于风洞试验技术领域，具体涉及一种采用逆布雷顿循环控制温度的暂冲式风洞系统和试验方法。

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。为了适应先进飞行器和透平机械的研制与发展，急需提高跨声速风洞的雷诺数模拟能力，有必要设计高雷诺数风洞系统并建立吹风试验方法。

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。

对于风洞，通过合理的逆布雷顿循环的热力学设计，不仅可以保证气体工质经透平膨胀机在近等熵绝热膨胀后在设计点具有较高的运行效率，并且可以使气体工质更深入的膨胀，在透平膨胀机出口达到饱和或气液两相状态，为风洞提供更充足的换热冷量，这是风洞进一步提高试验模拟雷诺数的有效手段。因此，通过一定的控制手段，使用透平膨胀机的逆布雷顿循环可使风洞工作在从常温到低温的较宽温度区间内，显著提高风洞试验工况弹性和温度控制精度，有助于提升风洞生产的经济性和持续性。

当前，亟需发展一种采用逆布雷顿循环控制温度的暂冲式风洞系统和试验方法。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是提供一种采用逆布雷顿循环控制温度的暂冲式风洞系统，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种采用逆布雷顿循环控制温度的暂冲式风洞试验方法。

本发明的采用逆布雷顿循环控制温度的暂冲式风洞系统，其特点是，所述的暂冲式风洞系统包括沿气流方向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、回热器高温侧、透平膨胀机、风洞洞体内的换热装置，回热器的低温侧，回热器的低温侧出口直通大气环境或者连接原料气源；风洞洞体外还安装有洞体气源，洞体气源沿风洞洞体气流方向向风洞洞体内供气；保温层覆盖在风洞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；

换热装置为换热器或者气流输入/排出装置中的一种；选择换热器时，透平膨胀机使用的气体与风洞洞体的气体相同或者不同；选择气流输入/排出装置时，透平膨胀机使用的气体与风洞洞体的气体相同。

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，所述的回热器为一级或多级回热器。

进一步地，所述的透平膨胀机为一级或多级透平膨胀机。

进一步地，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，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。

进一步地，所述的换热器设置在风洞洞体内的任意部段处。

进一步地，所述的气流输入/排出装置的输入口和排出口设置在风洞洞体的同一部段处，或者分开设置在风洞洞体的两个不同部段处。