一种高超声速高温风洞总体布局方法与流程

本发明属于大型风洞设备建设领域，具体涉及一种高超声速高温风洞总体布局方法。

背景技术：

1、高超声速风洞是空气动力领域的重要基础设施设备，主要用于开展马赫数大于5的高超声速气动试验，高超声速高温风洞在高超声速风洞基础上增加了温度模拟能力，高超声速高温风洞的马赫数和温度综合模拟能力更接近真实飞行条件。

2、目前，世界上仅有四个国家具备米量级喷管口径的高超声速高温风洞，由于技术路线和发展时间长短不一，各国高超声速高温风洞采用的总体布局方案各有不同，主要体现为：

3、1.布局方案和主体结构设计不同；

4、2.燃料方案不同，燃料包含酒精、异丁烷、煤油等；

5、3.排气方案不同，排气方式包括冷空气引射、蒸汽引射、真空罐抽吸、组合方式抽吸；

6、存在以下需要改进的地方：

7、1.整体布局不合理，由于历史发展沿革等原因，许多高超声速高温风洞在不断增加分系统、提升设备能力的过程中，存在结构拥挤、布局不合理等问题，导致高超声速高温风洞试验能力受限、运行安全存在隐患、维护费用高昂等问题；

8、2.酒精燃料方案的温度上限较低，限制设备运行能力；煤油燃料方案的燃烧不完全、炭黑多、成分较复杂，影响风洞来流纯净度；

9、3.引射方案所需配套设备复杂、长时间运行能力不足、噪声影响较大；单一的真空排气方案对高超声速高温风洞的运行能力限制较大。

10、当前，亟需发展一种考虑多种需求、提升综合试验能力的高超声速高温风洞总体布局方法。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种高超声速高温风洞总体布局方法，为高超声速高温风洞建设提供综合技术方案。

2、本发明的高超声速高温风洞总体布局方法，包括以下步骤：

3、s10.进行系统功能设计；

4、根据高超声速高温风洞技术需求，确定高超声速高温风洞包括动力系统、异丁烷燃料系统、燃烧试验系统、真空系统、真空排气系统、冷却系统、电源系统、测控系统；动力系统采用空气氧气氮气系统；

5、s20.进行安全布局设计；

6、空气氧气氮气系统和异丁烷燃料系统具有易燃易爆特性，首先确定空气氧气氮气系统和异丁烷燃料系统的位置和防护；测控系统是试验进行过程中，人员的主要活动区域，将测控系统安排在距离空气氧气氮气系统和异丁烷燃料系统最远且便于人员疏散和撤离地方；相应地，高压源靠近空气氧气氮气系统、中压部段位于中间、真空部段靠近测控系统；

7、s30.进行高超声速高温风洞总体布局设计；

8、按照高超声速高温风洞气流的流动方向，以燃烧试验系统所处的主体厂房为中心，在燃烧试验系统的西侧设置空气氧气氮气系统和异丁烷燃料系统，为燃烧试验系统提供燃烧工质；在燃烧试验系统北侧设置用于冷却燃烧试验系统的冷却系统；在燃烧试验系统的东侧依次设置用于排空燃烧试验系统试验余气的真空系统和真空排气系统，同时，设置为各系统提供电力的电源系统，以及控制、测量、计算和显示各系统状态和试验结果的测控系统；各系统之间通过管道和线路连接；

9、燃烧试验系统从西至东依次包括空氧混合段和燃烧加热装置；

10、s40.进行高超声速高温风洞各分系统设计；

11、s41.空气氧气氮气系统设计；

12、空气氧气氮气系统提供的氧化剂工质经燃烧试验系统的空氧混合段进入燃烧加热装置中辅助燃烧，为高超声速高温风洞提供高温试验气体；

13、按照液氧系统高压罐顶位和主体管路高位的原则设计空气氧气氮气系统；具体布局如下：

14、高压空气储罐群、中压低压氮气储罐群、高压氮气储罐群和低压液氧储罐安装在地面安装基础之上，处于主体厂房的外围；主体厂房包括上、中、下三层，下层为架空层，位于第一高度阶梯；燃烧加热装置安装在主体厂房的中层，位于第二高度阶梯；高压液氧储罐和液氧系列阀门及管道安装在主体厂房的上层，位于第三高度阶梯，其中，高压液氧储罐位于顶位，液氧系列阀门及管道位于次顶位；第一高度阶梯、第二高度阶梯和第三高度阶梯的高度依次增高；

15、高压空气储罐群包括若干个工作压力在30mpa以上的空气储罐，与燃烧试验系统的入口端连接，用于向燃烧加热装置提供所需的高压空气；中压低压氮气储罐群包括若干个工作压力不等的氮气储罐，与主体厂房的内的各系统连接，用于向主体厂房各系统提供阀门控制气和消防气；高压氮气储罐群包括若干个工作压力在30mpa以上的氮气储罐，与高压液氧储罐和高压异丁烷储罐102-4分别连接，用于向高压液氧储罐和高压异丁烷储罐102-4提供增压压力；低压液氧储罐与高压液氧储罐连接，在高超声速高温风洞工作前利用自增压特性将液氧由低压液氧储罐加注至高压液氧储罐；经氮气增压后，高压液氧储罐内的液氧经液氧系列阀门及管道的进入燃烧加热装置；液氧系列阀门及管道的管道包括若干条支路，若干条支路上分别具有对应的阀门，阀门包括截止阀、单向阀、溢流阀、快开阀中的一种或者二种以上的组合阀门；

16、高压液氧储罐底部与液氧系列阀门及管道平齐，利于液氧的预冷及高压供应；液氧系列阀门及管道位于高压液氧储罐和燃烧加热装置的中间位置，同样有利于液氧完全预冷和排除结构布局设计不当带来的夹气问题；

17、s42.异丁烷燃料系统设计；

18、异丁烷燃料系统提供的燃料工质经燃烧试验系统的空氧混合段进入燃烧加热装置，在燃烧加热装置中点火燃烧，为高超声速高温风洞提供高温试验气体；

19、按照低压罐埋地、增压罐顶位和主体管路高位的原则设计异丁烷燃料系统；具体布局如下：

20、低压异丁烷储罐102-1、增压泵系统102-2和高压氮气挤压系统102-3安装在地面安装基础之下，位于地下；高压异丁烷储罐102-4和异丁烷系列阀门及管道102-5安装在主体厂房的上层，位于第三高度阶梯，其中，高压异丁烷储罐102-4位于顶位，异丁烷系列阀门及管道102-5位于次顶位；

21、低压异丁烷储罐102-1的下端经并联的增压泵系统102-2和高压氮气挤压系统102-3连接高压异丁烷储罐102-4的上端，高压异丁烷储罐102-4经异丁烷系列阀门及管道102-5进入燃烧试验系统的入口端；

22、低压异丁烷储罐102-1采用埋地设计，高超声速高温风洞不工作时，异丁烷储存在低压异丁烷储罐102-1中，提高了对低压异丁烷储罐102-1的安全管控能力；增压泵系统102-2和高压氮气挤压系统102-3均可实现异丁烷由低压异丁烷储罐102-1向高压异丁烷储罐102-4的加注，高超声速高温风洞工作时任选其一；异丁烷系列阀门及管道102-5的管道包括若干条支路，若干条支路上分别具有对应的阀门，阀门包括截止阀、单向阀、溢流阀、快开阀中的一种或者二种以上的组合阀门；

23、高压异丁烷储罐102-4底部与异丁烷系列阀门及管道102-5平齐，利于燃料工质高压供应，不会因高度差削弱供应能力；异丁烷系列阀门及管道102-5位于高位，处于高压异丁烷储罐102-4和燃烧加热装置的中间位置，同样有利于燃料工质完全填充管路，排除结构布局设计不当带来的夹气问题；

24、s43.冷却系统设计；

25、冷却系统用于冷却燃烧试验系统，按照水池埋地储存、主体管路底层设计的原则设计冷却系统；具体布局如下：

26、低压水池、低压水泵组、高压水池、高压水泵组安装在地面安装基础之下，位于地下；冷却水管路系统安装在主体厂房的下层，位于第一高度阶梯；

27、低压水泵组从低压水池抽水冷却燃烧试验系统的前段，冷却后的水回到低压水池，降温后继续参与循环冷却；高压水泵组从高压水池抽水冷却燃烧加热装置，冷却后的水回到高压水池，降温后继续参与循环冷却；冷却水管路系统包括若干条支路，分别用于连接燃烧试验系统的各部段；

28、低压水泵组包含若干套低压增压水泵，低压增压水泵的增压压力不低于1mpa；高压水池包括纯净水水池和自来水水池，高压水泵组包括与纯净水水池连接的若干套高压增压水泵和与自来水水池连接的若干套高压增压水泵，高压增压水泵的增压压力不低于3mpa；

29、低压水池、低压水泵组、高压水池、高压水泵组采用埋地储存方式，节省了地面空间；冷却水管路系统安装在主体厂房的下层，位于燃烧试验系统的下方，在发生漏水时不影响燃烧试验系统。

30、本发明的高超声速高温风洞总体布局方法能够实现动力系统、异丁烷燃料系统、燃烧试验系统、真空系统、真空排气系统、冷却系统、电源系统、测控系统的总体布局和高低分布设计。其中，动力系统采用空气氧气氮气系统，空气氧气氮气系统按照液氧系统高压罐顶位和主体管路高位的原则设计；异丁烷燃料系统按照低压埋地、增压罐顶位和主体管路高位的原则设计；冷却系统按照水池埋地储存、主体管路底层设计的原则设计。

31、本发明的高超声速高温风洞总体布局方法获得的高超声速高温风洞总体布局中的各系统完全独立，安全性高、维护性好；燃烧试验系统通过分层设计，集成度高、实用性强；异丁烷燃料系统独立分区、埋地安全。