一种两套高温超声速风洞共用的排气装置及方法与流程

本发明涉及风洞排气技术领域，尤其涉及一种两套高温超声速风洞共用的排气装置及方法。

背景技术：

高温超声速风洞一般用于对火箭等航天器和飞船返回舱等再入飞行器进行气动热和气动力试验。为了模拟高空环境，风洞一般工作在负压下。排气系统是此类风洞的重要组成部分，用于保证试验后的气流顺利排出风洞，并维持洞内负压。高温超声速风洞一般分为暂冲式和连续式两类。

暂冲式风洞主要采用大型真空容器排气方案。此类风洞排气系统一般如图1，由真空容器、真空机组、换热器等构成。风洞工作时，先将真空容器抽至较高真空度(低于1Pa)，而后进行试验。试验尾气经换热器降温后排入真空容器。当真空容器被风洞尾气填充至一定程度时，其压力会升高至接近风洞排气背压的上限，此时风洞试验必须结束。受限于真空容器容积和换热器冷却能力，此类排气系统对风洞工况变化的适应能力较差，且连续工作时间一般较短。

连续式风洞则多采用引射排气方案，一般构成如图2。此类风洞工作时，气源产生高压工作流体，经喷嘴高速喷入引射器，利用高速气流形成低压引射风洞尾气，随后尾气和工作流体在混合扩压器中充分混合并升至常压，再经降温装置处理排出。引射器所用气源可为压缩空气、燃气或水蒸汽。此类排气系统中，引射器有特定的设计工作点，偏离工作点时引射效率下降明显，因此系统调节范围较窄，工况适应能力有限。且引射器所需工作流体流量一般较大，难以长时间连续供应，对风洞的连续工作时间有一定制约。

不同的高温超声速风洞，排气压力、温度、流量等参数差别较大，因此风洞排气系统采用上述常见方案时，必须针对特定风洞专门设计，多个风洞难以共用一套排气系统。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：相比于现有技术，提供了一种两套高温超声速风洞共用的排气装置及方法，实现了两套不同参数高温超声速风洞共用一套排气系统，不仅省去了一套排气系统，且能源消耗较低，对风洞的工作时间基本无限制，使得所配套风洞的建设成本、运行成本和长时间工作能力相比现有风洞具有很大的优势。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种两套高温超声速风洞共用的排气装置，包括：第一风洞、第二风洞、第一喷淋器、第二喷淋器、进气分配器、第一冷凝器、第二冷凝器、第三冷凝器、收集装置和真空机组；其中，所述第一风洞与所述第一喷淋器相连接；所述第一喷淋器通过第一管道与所述进气分配器相连接，其中，所述第一管道设置有第一阀门；所述第二喷淋器通过第二管道与所述进气分配器相连接，其中，所述第二管道设置有第二阀门；所述进气分配器分别通过第三管道、第四管道和第五管道连接于所述收集装置，其中，所述第三管道设置有第一冷凝器，所述第四管道设置有第二冷凝器，所述第五管道设置有第三冷凝器；所述收集装置通过总管道与所述真空机组相连接。

上述两套高温超声速风洞共用的排气装置中，所述第一风洞的排气流量18kg/s～36kg/s，气流温度3550K-3600K，压力24kPa～36kPa。

上述两套高温超声速风洞共用的排气装置中，所述第二风洞的排气流量18kg/s～36kg/s，气流温度3550K-3600K，压力70kPa～100kPa。

上述两套高温超声速风洞共用的排气装置中，所述第一阀门为碟阀，直径为4000～4050mm。

上述两套高温超声速风洞共用的排气装置中，所述第二阀门为碟阀，直径为3000～3050mm。

一种两套高温超声速风洞共用的排气方法，采用两套高温超声速风洞共用的排气装置，所述装置包括：第一风洞、第二风洞、第一喷淋器、第二喷淋器、进气分配器、第一冷凝器、第二冷凝器、第三冷凝器、收集装置和真空机组，所述方法包括以下步骤：

步骤一：将所述第一风洞与所述第一喷淋器相连接，将所述第一喷淋器通过第一管道与所述进气分配器相连接，将所述第二喷淋器通过第二管道与所述进气分配器相连接，将所述进气分配器分别通过第三管道、第四管道和第五管道连接于所述收集装置，最后将所述收集装置通过总管道与所述真空机组相连接，其中，所述第一管道设置有第一阀门，所述第二管道设置有第二阀门，所述第三管道设置有第一冷凝器，所述第四管道设置有第二冷凝器，所述第五管道设置有第三冷凝器；

步骤二：根据步骤一中第一风洞或第二风洞的流量和压力，确定真空机组所使用真空泵的台数；

步骤三：利用真空机组中的小型真空泵将第一风洞和第二风洞抽至起动压力；

步骤四：启动第一风洞时，打开第一阀门同时关闭第二阀门，第一风洞中的尾气到达第一喷淋器，第一喷淋器将雾化为液滴的喷淋水均匀混入尾气中，吸收尾气热量汽化，降低尾气温度，尾气到达进气分配器后通过第一冷凝器、第二冷凝器和第三冷凝器再次降温后变成常温进入收集装置，最后通过真空机组将收集装置中尾气抽出；

步骤五：启动第二风洞时，打开第二阀门同时关闭第一阀门，第二风洞中的尾气到达第二喷淋器，第二喷淋器将雾化为微液滴的喷淋水均匀混入尾气中，吸收尾气热量汽化，降低尾气温度，尾气到达进气分配器后通过第一冷凝器、第二冷凝器和第三冷凝器再次降温后变成常温进入收集装置，最后通过真空机组将收集装置中尾气抽出。

上述两套高温超声速风洞共用的排气方法中，在所述步骤二中，确定真空机组(10)所使用真空泵的台数的公式为：

N＝9.68×10^-7pG_m

其中，N为台数；p为风洞压力；G_m为风洞流量。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明能够解决现有技术中两种现有排气方技术中大型真空容器排气不能满足本项目风洞的工作时间要求以及引射排气工况适应能力差、且需消耗以百吨计的酒精和氧气、能耗高和安全性差的问题，本发明通过真空机组能够在常压至高真空全范围内高效工作，适应能力优于现有技术；

(2)本发明真空机组的应用，除解决了压力适应问题外，还解决了流量适应问题，采用多台真空泵，可以通过调节泵的开启台数和转速来调节排气流量，很好地适应了两套风洞体积流量差异巨大的工况；

(3)本发明通过喷淋器与冷凝器的组合应用，使大流量风洞尾气由没有材料能够承受的3600K高温，迅速降至常温，使机械真空泵的应用成为可能，同时又有效降低了机械真空泵的负荷，控制了系统规模；

(4)本发明通过柴油机驱动真空机组，避免了风洞试验时对公共电网的冲击；而且相对现有技术中引射排气方式下以百吨计的燃料消耗，能耗减小了数十倍。

附图说明

图1是现有技术的真空容器排气方法原理图；

图2是现有技术的引射排气方法原理图；

图3是本发明的两套高温超声速风洞共用的排气装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

图3是本发明的两套高温超声速风洞共用的排气装置的结构示意图。如图3所示，该两套高温超声速风洞共用的排气装置包括：第一风洞1、第二风洞2、第一喷淋器3、第二喷淋器4、进气分配器5、第一冷凝器6、第二冷凝器7、第三冷凝器8、收集装置9和真空机组10；其中，

第一风洞1与第一喷淋器3相连接。具体的，第一风洞1与第一喷淋器3通过管道相连接。

第一喷淋器3通过第一管道31与进气分配器5相连接，其中，第一管道31设置有第一阀门32。具体的，第一阀门32能够关闭和打开第一管道31的流通，第一喷淋器3与第一管道31的左端螺纹连接，第一管道31的右端与进气分配器5螺纹连接。

第二喷淋器4通过第二管道41与进气分配器5相连接，其中，第二管道41设置有第二阀门42。具体的，第二阀门42能够关闭和打开第二管道41的流通，第二喷淋器4与第二管道41的左端螺纹连接，第二管道41的右端与进气分配器5螺纹连接。

进气分配器5分别通过第三管道51、第四管道52和第五管道53连接于收集装置9，其中，第三管道51设置有第一冷凝器6，第四管道52设置有第二冷凝器7，第五管道53设置有第三冷凝器8。具体的，第一冷凝器6、第二冷凝器7和第三冷凝器8为立塔式冷凝器，采用低温水与尾气直接混合的方式降低尾气温度，使其中含有的水饱和并析出。这不仅进一步将燃气温度降常温，还使尾气-水蒸汽混合气中70％以上的质量变为液体析出，大大降低了真空机组10中真空泵的负荷。

收集装置9通过总管道91与真空机组10相连接。

工作时，判断启动第一风洞1还是第二风洞2，当启动第一风洞1时，第一风洞1中的尾气到达第一喷淋器3，第一喷淋器3将雾化为微液滴的喷淋水均匀混入尾气中，吸收尾气热量汽化，降低尾气温度，尾气到达进气分配器5后通过第一冷凝器6、第二冷凝器7和第三冷凝器8再次降温后变成常温进入收集装置9；当启动第二风洞2时，第二风洞2中的尾气到达第二喷淋器4，第二喷淋器4将雾化为微液滴的喷淋水均匀混入尾气中，吸收尾气热量汽化，降低燃气温度，尾气到达进气分配器5后通过第一冷凝器6、第二冷凝器7和第三冷凝器8再次降温后变成常温进入收集装置9；最后通过真空机组10将收集装置9将尾气抽出。具体的，通过喷淋器的尾气可以由其温度由3600K降至673K，再次经过冷凝器的尾气的温度可以进一步降至293K以下，变为常温气体。需要理解的是，上述的是两个风洞都处于工作的状态，第一阀门32和第二阀门42都为打开的状态，本实施例中可以根据风洞的工作状态进行选择，例如，只有第一风洞1工作，则可以将第一阀门32打开，将第二阀门42关闭；如果只有第二风洞2工作，则可以将第二阀门42打开，将第一阀门32关闭。

本实施例能够解决现有技术中两种现有排气方技术中大型真空容器排气不能满足本项目风洞的工作时间要求以及引射排气工况适应能力差、且需消耗以百吨计的酒精和氧气、能耗高和安全性差的问题，本实施例通过真空机组能够在常压至高真空全范围内高效工作，适应能力好于现有技术。并且本实施例真空机组的应用，除解决了压力适应问题外，还解决了流量适应问题，采用多台真空泵，可以通过调节泵的开启台数和转速来调节排气流量，很好地适应了两套风洞体积流量差异巨大的工况；并且本实施例通过喷淋器与冷凝器的组合应用，使大流量风洞尾气由没有材料能够承受的3600K高温，迅速降至常温，使机械真空泵的应用成为可能，同时又有效降低了机械真空泵的负荷，控制了系统规模。

上述实施例中，第一风洞1的排气流量18kg/s～36kg/s，气流温度3600K，压力24kPa～36kPa。第二风洞2的排气流量18kg/s～36kg/s，气流温度3600K，压力70kPa～100kPa。两风洞排气压力最大相差约4倍；排气质量流量虽然相同，但是(同质量流量下)体积流量却相差4倍。除此以外，两风洞各自流量的调节范围也很大。本实施例的排气装置有很大的压力调节和流量调节能力。

上述实施例中，真空机组10中的真空泵采用柴油机为动力，功率为1440kW，抽气能力54000Am3/h。具体的，本实施例采用柴油机驱动大流量机械真空泵，作为风洞排气机组。用柴油机驱动大流量真空泵，避免了风洞试验时对公共电网的冲击；而且相对图2中引射排气方式下以百吨计的燃料消耗，能耗减小了数十倍，例如8台柴油机工作20min仅耗柴油540kg。

上述实施例中，第一阀门32为碟阀，直径为4000mm-4050mm；第二阀门42为碟阀，直径为3000mm-3050mm。具体的，第一阀门32的直径优选为4000mm，第二阀门42的直径优选为3000mm，第一阀门32和第二阀门42具备真空密封能力。可以保证不工作时风洞与喷淋器可靠隔离。

本发明还提供了一种两套高温超声速风洞共用的排气方法，采用两套高温超声速风洞共用的排气装置，如图3所示，该装置包括：第一风洞1、第二风洞2、第一喷淋器3、第二喷淋器4、进气分配器5、第一冷凝器6、第二冷凝器7、第三冷凝器8、收集装置9和真空机组10，该方法包括以下步骤：

步骤一：将第一风洞1与第一喷淋器3相连接，将第一喷淋器3通过第一管道31与进气分配器5相连接，将第二喷淋器4通过第二管道41与进气分配器5相连接，将进气分配器5分别通过第三管道51、第四管道52和第五管道53连接于收集装置9，最后将收集装置9通过总管道91与真空机组10相连接，其中，第一管道31设置有第一阀门32，第二管道41设置有第二阀门42，第三管道51设置有第一冷凝器6，第四管道52设置有第二冷凝器7，第五管道53设置有第三冷凝器8；

步骤二：根据步骤一中第一风洞1和第二风洞2的质量流量和压力，计算出排气体积流量，确定真空机组10所使用真空泵的台数；

步骤三：利用真空机组10中的小型真空泵101将第一风洞1和第二风洞2抽至起动压力；

步骤四：启动第一风洞1时，打开第一阀门32同时关闭第二阀门42，第一风洞1中的尾气到达第一喷淋器3，第一喷淋器3将雾化为微液滴的喷淋水均匀混入尾气中，吸收尾气热量汽化，降低尾气温度，尾气到达进气分配器5后通过第一冷凝器6、第二冷凝器7和第三冷凝器8再次降温后变成常温进入收集装置9，最后通过真空机组10将收集装置9将尾气抽出；

步骤五：启动第二风洞2时，打开第二阀门42同时关闭第一阀门32，第二风洞2中的尾气到达第二喷淋器4，第二喷淋器4将雾化为微液滴的喷淋水均匀混入尾气中，吸收尾气热量汽化，降低尾气温度，尾气到达进气分配器5后通过第一冷凝器6、第二冷凝器7和第三冷凝器8再次降温后变成常温进入收集装置9，最后通过真空机组10将收集装置9中尾气抽出。

上述实施例中，在步骤二中，确定真空机组10所使用真空泵的台数的公式为：N＝9.68×10^-7pG_m

其中，N为台数；p为风洞压力；G_m为风洞流量，单位为kg/s。

本发明能够解决现有技术中两种现有排气方技术中大型真空容器排气不能满足本项目风洞的工作时间要求以及引射排气工况适应能力差、且需消耗以百吨计的酒精和氧气、能耗高和安全性差的问题，本发明通过真空机组能够在常压至高真空全范围内高效工作，适应能力好于现有技术；并且本发明真空机组的应用，除解决了压力适应问题外，还解决了流量适应问题，采用多台真空泵，可以通过调节泵的开启台数和转速来调节排气流量，很好地适应了两套风洞体积流量差异巨大的工况；并且本发明通过喷淋器与冷凝器的组合应用，使大流量风洞尾气由没有材料能够承受的3600K高温，迅速降至常温，使机械真空泵的应用成为可能，同时又有效降低了机械真空泵的负荷，控制了系统规模。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。