連續式高速風洞液氮降溫供配氣系統設計與實現

李 峰，高 超

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

雷諾數是風洞實驗模擬飛行器實際飛行能力的重要相似參數。從理論上來講，要使風洞實驗能完全模擬真實的飛行狀態，就必須使風洞實驗和實際飛行的雷諾數保持一致。然而，由于受到模型尺寸、風洞動力設備、能源系統等因素的限制，目前的風洞實驗雷諾數還難以達到實際的飛行雷諾數[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均達到三千萬以上，具備了國際先進水平的高雷諾數實驗能力。因此，研制高(變)雷諾數風洞對我國航空工業和國防科技的發展具有重要戰略意義和工程應用價值[5]。

NF-6 風洞是西北工業大學自主研制的我國第一座連續式高速風洞，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可達1.5×107，但與飛行雷諾數仍有一定差距，不能很好地滿足戰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的有效途徑[6]。為此，針對連續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，西北工業大學在NF-6 連續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，填補了我國在低溫連續式高速風洞方面空白[8]。降溫運行后，NF-6 風洞穩定段氣流總溫可降低至-20 ℃，最大翼型實驗雷諾數達到2.3×107。供配氣系統是風洞液氮降溫系統的核心組成部分[9]，本文系統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：Ma=0.2～1.2；穩定段氣流總壓：Pφ=1.0×105Pa～5.5×105Pa；穩定段氣流總溫：Tφ≤318 K；翼型實驗雷諾數：Rec≥1.5×107(c=0.225 m)。

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

1.2 降溫系統總體結構及主要技術要求

NF-6 風洞降溫系統總體結構如圖2 所示，該系統由供配氣系統、測量系統、控制系統和監控系統四大主要子系統組成[11]。

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

1)供配氣系統：包括液氮存儲裝置、配氣系統和液氮供給及噴注系統。該系統是液氮充灌與存儲、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液氮的轉儲、安全存放、儲罐自增壓和泄壓等功能；配氣系統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用于液氮輸送管路的清洗、預冷及液氮的穩定供給和精確調節。

2)測量系統：測量系統包括9 點總溫排架、溫度探頭(感溫元件)、溫度變送器和數據采集系統。其中，用于測量穩定段總溫的排架是經過專門設計加工的，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：降溫運行控制系統在風洞已經具備的控制設備基礎上實現，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。控制系統的軟硬件與原風洞控制系統設備整合并實現對馬赫數、總壓和總溫的多變量精確控制，并具有參數監測和安全聯鎖功能。

4)監控系統：該系統將降溫運行時的主要參數和重要監視點的數據傳遞到主控室，以便測控人員實時掌握設備工作狀態。

NF-6 風洞降溫系統的主要設計目標為[12]：1) 降溫指標：要求穩定段總溫達到Tφ≤253 K；2)穩定段溫度均勻性：在穩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)持續時間：液氮儲罐的容積應能保證一次裝填后，風洞穩態連續運轉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，液氮罐自備蒸發器的蒸發量無法滿足液氮擠推氣量需求，需要在系統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具有較高的承壓能力。

本降溫系統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 系統組成與工作原理

1) 液氮存儲裝置

NF-6 風洞降溫系統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為：最高工作壓力2.0 MPa，設計溫度-196 ℃～50 ℃，液氮日蒸發率≤1.0%。

外部管路由六個部分組成：組合充灌系統、自增壓系統、儲罐安全系統、儲罐的供氣(液)系統、儀表監測系統及抽真空及測量系統六部分組成。其中組合充灌系統包括頂部進液閥、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。儲罐安全系統由并聯的兩組安全閥、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。儀表監測系統位于儲罐正面，由液位計、壓力表及氣相閥、液相閥及平衡閥組成，用于監測儲罐內的液位高度。抽真空及測量系統位于儲罐底部，用于監測和調節儲罐內容器與外殼間的真空度。

2) 配氣系統

配氣系統由液氮增壓泵、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量。

圖4 給出了不同來流條件下的液氮需求流量。可以看出，在馬赫數小于0.3 時，液氮流量都不大于2 kg/s，穩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。根據高壓氣瓶組的規格，確定高壓氮氣制備系統的技術參數，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Fig. 6 High pressure nitrogen preparation system

配氣系統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，通過配氣臺對系統進行配氣。配氣系統的工作原理如圖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，以實現閥門的快速啟閉，匯流后的出氣總管通徑為15 mm。配氣系統的出口分為四路，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。根據降溫系統的總體設計方案，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 配氣系統工作原理Fig. 7 Working principle of gas distribution system

2.3 液氮供給及噴注系統

該系統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動。

3 供配氣系統的運轉方式

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：配氣臺主要為后續氣動閥啟閉操作提供驅動力，調節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(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)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節，通過較小流量的低溫液氮對管路持續降溫，直到管路中監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測并進入控制系統的安全聯鎖，確保不超壓。

c) 填充：對液氮輸送管路填充液氮是保證系統穩定工作的另一個重要環節；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、狀態過渡和穩參數試驗等工作：

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；降溫速率須根據理論計算和監測結果精確控制，以確保洞體結構安全；

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

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

4 系統調試運行

4.1 供配氣系統調試

圖9 給出了供配氣系統的調試結果，可以看出：

圖9 供配氣系統調試結果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，配氣系統達到設計要求；

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微小跳動，壓力波動時間持續2 s～3 s，但很快恢復平穩，未對降溫效果產生明顯影響。

4.2 風洞降溫系統運行測試結果

各子系統建設完成后，進行了風洞降溫系統的通氣運行與調試，風洞總壓采用閉環控制，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、總壓及馬赫數的變化曲線，圖11給出了風洞穩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)供配氣系統與其它子系統匹配良好，風洞降溫系統工作正常，運行穩定。

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

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數的變化情況，可以看出，馬赫數偏差為|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變化Fig. 12 Changes on Mach number during cooling test

5)穩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，增幅接近50%。由此表明降溫運行確是提高實驗雷諾數的一種可行途徑，今后如能在多變量精確閉環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式高速風洞液氮降溫供配氣系統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，國內首次實現了連續式高速風洞的降溫運行；

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

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

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