連續(xù)式高速風洞液氮降溫供配氣系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

李 峰，高 超

(西北工業(yè)大學翼型、葉柵空氣動力學國家重點實驗室，陜西，西安 710072)

雷諾數(shù)是風洞實驗模擬飛行器實際飛行能力的重要相似參數(shù)。從理論上來講，要使風洞實驗能完全模擬真實的飛行狀態(tài)，就必須使風洞實驗和實際飛行的雷諾數(shù)保持一致。然而，由于受到模型尺寸、風洞動力設備、能源系統(tǒng)等因素的限制，目前的風洞實驗雷諾數(shù)還難以達到實際的飛行雷諾數(shù)[1-2]。美國、加拿大、法國等國都相繼建造了千萬量級的高雷諾數(shù)翼型風洞[3-4]，其中美國CFWT 風洞和加拿大NAE 風洞為暫沖式，美國NASA Langley 風洞為低溫增壓連續(xù)式，法國ONARA T-2 風洞為低溫增壓暫沖式。上述四座風洞的翼型雷諾數(shù)均達到三千萬以上，具備了國際先進水平的高雷諾數(shù)實驗能力。因此，研制高(變)雷諾數(shù)風洞對我國航空工業(yè)和國防科技的發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義和工程應用價值[5]。

NF-6 風洞是西北工業(yè)大學自主研制的我國第一座連續(xù)式高速風洞，該風洞的總體性能達到國際先進水平，其常溫下的翼型實驗雷諾數(shù)可達1.5×107，但與飛行雷諾數(shù)仍有一定差距，不能很好地滿足戰(zhàn)斗機和大型高速民機氣動實驗的需求。在實驗段尺寸與流體介質不易改變的情況下，降溫運行不失為一種提高實驗雷諾數(shù)的有效途徑[6]。為此，針對連續(xù)式高速風洞的結構特點和運行模式[7]，通過噴注液氮的方式，利用液氮的氣化吸熱效應，西北工業(yè)大學在NF-6 連續(xù)式高速風洞平臺上建成了國內首套適用于噴液氮降溫系統(tǒng)，填補了我國在低溫連續(xù)式高速風洞方面空白[8]。降溫運行后，NF-6 風洞穩(wěn)定段氣流總溫可降低至-20 ℃，最大翼型實驗雷諾數(shù)達到2.3×107。供配氣系統(tǒng)是風洞液氮降溫系統(tǒng)的核心組成部分[9]，本文系統(tǒng)介紹其技術方案和工作原理，并給出運行測試結果，以為我國后續(xù)低溫風洞的研制提供一定的借鑒和參考。

1 NF-6 風洞降溫系統(tǒng)簡介

1.1 NF-6 風洞結構及主要技術指標

NF-6 風洞是一座由二級軸流壓縮機驅動的連續(xù)式高速風洞[10]，風洞結構如圖1 所示。該風洞配有兩個可以更換的實驗段，第一實驗段為二元翼型實驗段，第二實驗段為三元全機和半模實驗段，降溫系統(tǒng)的設計與調試在二元實驗段完成。二元實驗段尺寸：0.8 m×0.4 m×3 m(高×寬×長)；氣流Ma數(shù)：Ma=0.2～1.2；穩(wěn)定段氣流總壓：Pφ=1.0×105Pa～5.5×105Pa；穩(wěn)定段氣流總溫：Tφ≤318 K；翼型實驗雷諾數(shù)：Rec≥1.5×107(c=0.225 m)。

圖1 NF-6 連續(xù)式高速風洞結構示意圖Fig. 1 Schematic diagram of NF-6 continuous high speed wind tunnel

1.2 降溫系統(tǒng)總體結構及主要技術要求

NF-6 風洞降溫系統(tǒng)總體結構如圖2 所示，該系統(tǒng)由供配氣系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)四大主要子系統(tǒng)組成[11]。

圖2 NF-6 風洞降溫系統(tǒng)總體結構示意圖Fig. 2 General schematic diagram of cooling system for NF-6 wind tunnel

1)供配氣系統(tǒng)：包括液氮存儲裝置、配氣系統(tǒng)和液氮供給及噴注系統(tǒng)。該系統(tǒng)是液氮充灌與存儲、儲罐自增壓、氣動電磁閥高低壓配氣、儲罐預增壓、管路預冷清洗及液氮擠推輸運等核心功能的集成。其中液氮存儲裝置用于實現(xiàn)液氮的轉儲、安全存放、儲罐自增壓和泄壓等功能；配氣系統(tǒng)用于氣控氣與擠推氣的制備、存儲、調壓及供給，為氣動電磁閥和液氮儲罐提供穩(wěn)定的控制氣源和擠推壓力，形成液氮噴入風洞的驅動源；液氮供給及噴注系統(tǒng)用于液氮輸送管路的清洗、預冷及液氮的穩(wěn)定供給和精確調節(jié)。

2)測量系統(tǒng)：測量系統(tǒng)包括9 點總溫排架、溫度探頭(感溫元件)、溫度變送器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中，用于測量穩(wěn)定段總溫的排架是經(jīng)過專門設計加工的，該排架為全不銹鋼9 點總溫排架，感溫元件采用熱電偶，測點間距300 mm。

3)控制系統(tǒng)：降溫運行控制系統(tǒng)在風洞已經(jīng)具備的控制設備基礎上實現(xiàn)，包括壓力變送器、溫度變送器、電磁閥、氣動閥、核心控制器、控制柜及控制軟件等?？刂葡到y(tǒng)的軟硬件與原風洞控制系統(tǒng)設備整合并實現(xiàn)對馬赫數(shù)、總壓和總溫的多變量精確控制，并具有參數(shù)監(jiān)測和安全聯(lián)鎖功能。

4)監(jiān)控系統(tǒng)：該系統(tǒng)將降溫運行時的主要參數(shù)和重要監(jiān)視點的數(shù)據(jù)傳遞到主控室，以便測控人員實時掌握設備工作狀態(tài)。

NF-6 風洞降溫系統(tǒng)的主要設計目標為[12]：1) 降溫指標：要求穩(wěn)定段總溫達到Tφ≤253 K；2)穩(wěn)定段溫度均勻性：在穩(wěn)定段用溫度排架測量溫度分布，要求|ΔT|≤2 K；3)控制要求(降溫運行時)：|ΔTφ|≤2 K，|ΔPφ/Pφ|≤0.3%，εMa≤0.003；4)持續(xù)時間：液氮儲罐的容積應能保證一次裝填后，風洞穩(wěn)態(tài)連續(xù)運轉90 s 以上；5)軟件要求：設計新的降溫運行控制軟件和人機界面，并與原風洞的主控軟件融合。

2 供配氣系統(tǒng)組成與工作原理

2.1 液氮輸運方案選擇

從技術角度講，擠推方式或液氮泵增壓方式均可作為液氮噴入的驅動源。液氮泵輸送方式適合長時間連續(xù)工作，但最主要問題是響應較慢，且需要較大的驅動功率。擠推方式的特點是響應快，可以提供穩(wěn)定的噴前壓，不需要較大的驅動動力，適合于短時間間隙工作。由于液氮流量較大，液氮罐自備蒸發(fā)器的蒸發(fā)量無法滿足液氮擠推氣量需求，需要在系統(tǒng)運行之前預先儲備擠推氣；擠推方式驅動要求液氮儲罐和管路系統(tǒng)具有較高的承壓能力。

本降溫系統(tǒng)采用擠推方式輸運液氮[13]，通過高壓氣瓶組向液氮儲罐提供擠推壓力，在儲罐與噴嘴間的壓差驅動下，液氮被送入風洞，圖見圖3。

圖3 擠推式液氮輸運原理圖Fig. 3 Diagram of pushing liquid nitrogen transportation

2.2 系統(tǒng)組成與工作原理

1) 液氮存儲裝置

NF-6 風洞降溫系統(tǒng)液氮存儲裝置由液氮儲罐和外部管路兩部分組成。其中液氮儲罐采用立式真空粉末絕熱低溫液體貯槽，貯槽由內容器與外殼組成，內容器與外殼間抽真空絕熱。液氮儲罐的容積通過每日蒸發(fā)的液氮、擠推氣消耗的液氮、管路清洗、預冷和填充消耗的液氮、過渡工況所消耗的液氮及其它損耗估算獲得，另外考慮到液氮罐內擴散器安裝、液氮罐充灌系數(shù)的限制等因素，最終確定液氮儲罐的總容積為13 m3。儲罐其它主要技術參數(shù)為：最高工作壓力2.0 MPa，設計溫度-196 ℃～50 ℃，液氮日蒸發(fā)率≤1.0%。

外部管路由六個部分組成：組合充灌系統(tǒng)、自增壓系統(tǒng)、儲罐安全系統(tǒng)、儲罐的供氣(液)系統(tǒng)、儀表監(jiān)測系統(tǒng)及抽真空及測量系統(tǒng)六部分組成。其中組合充灌系統(tǒng)包括頂部進液閥、底部進液閥和殘液排放閥，用于向儲罐內充灌液體。自增壓系統(tǒng)位于儲罐的下部，包括增壓輸入閥、調壓閥、汽化器、增壓輸出閥，用于儲罐內壓力的自調節(jié)。儲罐安全系統(tǒng)由并聯(lián)的兩組安全閥、爆破片組和放空閥組成，儲罐壓力高于安全閥起跳壓力時，安全閥就會起跳排氣，保證內容器不會因超壓而破壞。儀表監(jiān)測系統(tǒng)位于儲罐正面，由液位計、壓力表及氣相閥、液相閥及平衡閥組成，用于監(jiān)測儲罐內的液位高度。抽真空及測量系統(tǒng)位于儲罐底部，用于監(jiān)測和調節(jié)儲罐內容器與外殼間的真空度。

2) 配氣系統(tǒng)

配氣系統(tǒng)由液氮增壓泵、汽化器、高壓氣瓶組、減壓閥、氣控閥、連接管道、配氣臺和配套閥門組成，主要承擔儲罐預增壓、液氮擠推輸運及氣動電磁閥的驅動，因此首先需對系統(tǒng)的氮氣需求量進行估算，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4 給出了不同來流條件下的液氮需求流量?？梢钥闯?，在馬赫數(shù)小于0.3 時，液氮流量都不大于2 kg/s，穩(wěn)定工況下的最大液氮流量需求為16 kg/s。擠推氣的流量估算見表1，可見在最大擠推壓力(3 MPa)和最大液氮流量下(16 kg/s)擠推氣的最大質量流量不超過1.1 kg/s。根據(jù)設計擠推壓力、運行時間及預增壓耗氣量，最終確定高壓氣瓶組由27 只分層堆疊式布置的高壓氣瓶組成，總容積為3.24 m3，最高工作壓力為16.5 MPa，見圖5。根據(jù)高壓氣瓶組的規(guī)格，確定高壓氮氣制備系統(tǒng)的技術參數(shù)，其中高壓液氮泵排量為250 L/h，最高出口壓力為15 MPa；汽化器蒸發(fā)量為200 N·m3/h(2.5 h 以內可將高壓氣瓶組充滿)，最高工作壓力為15 MPa，出口溫度等級：≥5 ℃，見圖6。

圖4 不同來流條件下的液氮需求流量Fig. 4 Liquid nitrogen demand flow under different flow conditions

表1 擠推氣流量估算Table 1 Flow estimation of pushing and squeezing gas

圖5 高壓氣瓶組Fig. 5 High pressure cylinder group

圖6 高壓氮氣制備系統(tǒng)Fig. 6 High pressure nitrogen preparation system

配氣系統(tǒng)用于驅動氣動電磁閥、儲罐預增壓及擠推液氮。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的液氮輸送至汽化器，進而液氮在汽化器內蒸發(fā)增壓，最后進入高壓氣瓶組。高壓氣瓶組壓力達到目標壓力值(15 MPa)后，液氮泵停止運行，氮氣制備工作完成。

氣源準備就緒后，通過配氣臺對系統(tǒng)進行配氣。配氣系統(tǒng)的工作原理如圖7 所示。氣瓶組分兩路將高壓氮氣接入配氣臺，一路用于向液氮儲罐供氣(預增壓和擠推液氮)，需要的容積為3.0 m3，對應的出氣總管通徑為25 mm；另一路對應容積為0.2 m3，用于向多個氣動閥汽缸供氣，以實現(xiàn)閥門的快速啟閉，匯流后的出氣總管通徑為15 mm。配氣系統(tǒng)的出口分為四路，配氣工作通過調壓閥對這四路氣進行壓力設定，從而建立滿足高低壓氣動閥驅動、儲罐預增壓及液氮擠推的氣源條件。根據(jù)降溫系統(tǒng)的總體設計方案，低壓控制氣口的壓力配置為1 MPa，高壓控制氣口的壓力配置為5 MPa，預增壓氣口的壓力配置為2 MPa，擠推供氣口的壓力配置為2.7 MPa。

圖7 配氣系統(tǒng)工作原理Fig. 7 Working principle of gas distribution system

2.3 液氮供給及噴注系統(tǒng)

該系統(tǒng)用以液氮的供給和噴注(見圖8)，包括低溫電動閥、液氮輸送主管路、超低溫高壓末端電磁閥組、液氮噴嘴等裝置。

圖8 液氮供給及噴注系統(tǒng)Fig. 8 Liquid nitrogen supply and injection system

低溫電動截止閥：該閥位于液氮罐出口，通徑DN125，最高工作壓力2.5 MPa；

液氮輸送主管路：管路通徑DN125，管路總長度為60 m，采用保溫不銹鋼管路，主管路液氮流速不超過2 m/s；

液氮噴嘴：液氮噴嘴均勻分布在風洞第四擴散段(壓縮機下游)的2 個環(huán)形截面上，噴嘴共計32 個，噴嘴壓降均為0.5 MPa～2.5 MPa，當噴嘴前后壓差大于0.6 MPa 后，液氮量噴注量達到16.0 kg/s的流量要求；

超低溫高壓末端電磁閥組：末端電磁閥組用于精確控制噴入風洞的液氮流量，配合液氮噴嘴使用，最高工作壓力均為3 MPa，末端電磁閥共計32 個，啟閉迅速，可以完成單動或任意組合的聯(lián)動。

3 供配氣系統(tǒng)的運轉方式

3.1 準備階段

在風洞壓縮機啟動前供配氣系統(tǒng)需要完成的工作包括：

1)液氮準備：在試驗前約三天內完成液氮的訂購、運輸和轉儲(由于液氮罐有一定的蒸發(fā)量，存放時間過長，則會造成液氮浪費)；

2)擠推氣制備：在試驗前約一天內完成擠推氣制備，利用液氮泵、汽化器對高壓氣瓶組充氣；

3)配氣臺準備：配氣臺主要為后續(xù)氣動閥啟閉操作提供驅動力，調節(jié)配氣臺的手動閥和減壓閥，使各路減壓閥輸出壓力達到設定值；

4)液氮輸送管路準備：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清洗并預冷到指定溫度，然后再對其填充液氮。此階段液氮儲罐處于較低的壓力狀態(tài)(0.2 MPa～0.3 MPa)，通過儲罐的自增壓功能即可維持，無需消耗氣瓶組的高壓氮氣。具體過程如下：

a) 清洗：清洗的意義在于置換掉管路中原有的濕空氣，防止出現(xiàn)水汽凝結，此階段的殘氣不進入風洞，通過專用管道直接排入大氣。具體操作時，開啟較小的液氮供給氣動閥，用較小流量的氮氣(靠液氮蒸發(fā))置換管道中的濕空氣；

b) 預冷：對液氮輸送管路進行預冷是保證其安全工作的一個重要環(huán)節(jié)，通過較小流量的低溫液氮對管路持續(xù)降溫，直到管路中監(jiān)測點溫度達到預定值后停止。預冷期間需對管路中的壓力進行監(jiān)測并進入控制系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖，確保不超壓。

c) 填充：對液氮輸送管路填充液氮是保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作的另一個重要環(huán)節(jié)；管路填充過程和管路的預冷過程可以結合進行，直到管路中最高點出液為止。

5)儲罐預增壓：開啟增壓旁路對液氮儲罐進行預增壓，直到儲罐壓力達到預定值為止。

3.2 運行階段

在風洞運行階段主要包括風洞清洗、氣流降溫、狀態(tài)過渡和穩(wěn)參數(shù)試驗等工作：

1)風洞氣體置換：開啟壓縮機并在較低工況下(較小的靜葉角、較低的轉速)運轉，通過霧化噴嘴以較小的流量噴入液氮，利用蒸發(fā)后的氮氣置換風洞內原有的空氣，對風洞內氣流干燥度進行監(jiān)測，當氣流露點溫度達到-39 ℃后停止置換；

2)氣流降溫：壓縮機在較低工況運轉，以預先設定的方式、參數(shù)和流量向風洞內噴入液氮，將氣流溫度降低至設定溫度；降溫速率須根據(jù)理論計算和監(jiān)測結果精確控制，以確保洞體結構安全；

3)參數(shù)過渡：控制系統(tǒng)通過調節(jié)液氮噴嘴啟閉、壓縮機轉速和排氣閥門將風洞的工作參數(shù)由降溫階段的低參數(shù)(總壓和馬赫數(shù))向設定參數(shù)過渡；

4)穩(wěn)參數(shù)試驗：控制系統(tǒng)對風洞馬赫數(shù)、總溫、總壓等參數(shù)進行多變量精確控制，保證這些參數(shù)穩(wěn)定在指定的精度范圍內，并達到預定的試驗時間。

4 系統(tǒng)調試運行

4.1 供配氣系統(tǒng)調試

圖9 給出了供配氣系統(tǒng)的調試結果，可以看出：

圖9 供配氣系統(tǒng)調試結果Fig. 9 Debug results of gas distribution system

1)在整個試驗過程中，液氮供應充足，擠推源壓一直保持在2 MPa 以上，表明液氮存儲量和驅動氣源的能力滿足系統(tǒng)需求；

2)氣動電磁閥動作靈敏，預增壓裝置工作正常，擠推壓力控制平穩(wěn)，配氣系統(tǒng)達到設計要求；

3)液氮輸運管路設計合理，沿程壓力損失小，噴前壓達到1.2 MPa，液氮量噴注量得到有效保障；

4)電磁閥的啟閉會造成噴前壓出現(xiàn)微小跳動，壓力波動時間持續(xù)2 s～3 s，但很快恢復平穩(wěn)，未對降溫效果產(chǎn)生明顯影響。

4.2 風洞降溫系統(tǒng)運行測試結果

各子系統(tǒng)建設完成后，進行了風洞降溫系統(tǒng)的通氣運行與調試，風洞總壓采用閉環(huán)控制，來流風速設定為Ma=0.5。圖10 給出了其整個降溫試驗過程中總溫、總壓及馬赫數(shù)的變化曲線，圖11給出了風洞穩(wěn)定段總溫的變化情況，測試結果表明：

圖10 噴液氮降溫試驗過程Fig. 10 Liquid nitrogen cooling test process

圖11 降溫試驗過程中的總溫變化Fig. 11 Changes on total temperature during cooling test

1)供配氣系統(tǒng)與其它子系統(tǒng)匹配良好，風洞降溫系統(tǒng)工作正常，運行穩(wěn)定。

2)降溫系統(tǒng)與風洞原測控系統(tǒng)取得很好兼容，風洞總壓和馬赫數(shù)控制未受明顯影響，

3)試驗段9 個總溫測點的平均值達到-20 ℃，且滿足|ΔTφ|≤2 K；

4)圖12 給出了降溫過程中試驗段Ma數(shù)的變化情況，可以看出，馬赫數(shù)偏差為|ΔMa|≤0.003，滿足 σMa≤0.003，表明噴灑液氮后，風洞流場品質未受明顯影響，仍可達到國軍標先進指標；

圖12 降溫試驗過程中的馬赫數(shù)變化Fig. 12 Changes on Mach number during cooling test

5)穩(wěn)定段總壓的平均值為1.022 bar，其變化幅度|ΔPφ/Pφ|≤0.3%；

6)風洞降溫運行的有效時間超過90 s，達到設計要求。

圖13 給出了NF-6 風洞降溫前后的實驗雷諾數(shù)范圍，可以看出，在不改變模型尺寸、流體介質及總壓的情況下，降溫運行全面提高了風洞的實驗雷諾數(shù)，增幅接近50%。由此表明降溫運行確是提高實驗雷諾數(shù)的一種可行途徑，今后如能在多變量精確閉環(huán)控制和運行時間等關鍵技術上取得進一步突破，將會取得更為廣闊的應用前景。

圖13 降溫前后NF-6 風洞的實驗雷諾數(shù)范圍Fig. 13 Experimental Reynolds number range in NF-6 wind tunnel before and after cooling

5 結論

本文介紹了我國首套連續(xù)式高速風洞液氮降溫供配氣系統(tǒng)的設計方案及調試結果，得出以下結論：

(1)建成了我國第一套風洞噴液氮降溫系統(tǒng)，國內首次實現(xiàn)了連續(xù)式高速風洞的降溫運行；

(2)連續(xù)式高速風洞降溫系統(tǒng)的液氮需求量計算方法合理，液氮存儲裝置工作穩(wěn)定，液氮存儲量和驅動氣源的能力滿足降溫實驗要求；

(3)配氣系統(tǒng)設計合理，氣動電磁閥動作靈敏，預增壓裝置工作穩(wěn)定，噴前壓和擠推壓控制平穩(wěn)；

(4)供配氣系統(tǒng)與其它子系統(tǒng)匹配良好，風洞降溫系統(tǒng)運行穩(wěn)定，流場品質未受影響，總溫、總壓、馬赫數(shù)及運行時間等關鍵指標達到設計要求，風洞實驗雷諾數(shù)得到有效提高。