一种低温来流工质高精度供应系统及方法
阅读说明：本技术 一种低温来流工质高精度供应系统及方法 (High-precision supply system and method for low-temperature incoming flow working medium ) 是由 董冬 王栋 沈继彬 史雪梅 乔江晖 张洪春 于 2021-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种低温来流工质高精度供应系统及方法,以解决现有发动机试验中,为发动机燃烧室供应低温空气的供应管路因结冰堵塞不能正常供应,且难以将供应的空气维持在要求的温度和流量范围内的问题。该系统包括空气源单元、空气干燥单元、空气调节阀单元、第一三通、空气辅路供应单元、低温换热单元、第二三通及掺混单元。空气源单元输出常温高压空气并送入空气干燥单元,空气干燥单元对常温高压空气进行干燥,并通过空气调节阀单元进行流量调节,所输出的空气通过第一三通分别进入空气辅路供应单元和低温换热单元,空气辅路供应单元输出的常温空气和低温换热单元输出的低温空气通过第二三通汇合后进入混掺单元进行混掺,并送入发动机燃烧室。(The invention relates to a high-precision supply system and method for low-temperature incoming flow working media, which aim to solve the problems that a supply pipeline for supplying low-temperature air to an engine combustion chamber cannot be normally supplied due to icing and blockage in the existing engine test, and the supplied air is difficult to maintain in a required temperature and flow range. The system comprises an air source unit, an air drying unit, an air regulating valve unit, a first tee joint, an air auxiliary path supply unit, a low-temperature heat exchange unit, a second tee joint and a mixing unit. The air source unit outputs normal-temperature high-pressure air and sends the air to the air drying unit, the air drying unit dries the normal-temperature high-pressure air and carries out flow regulation through the air regulating valve unit, the output air respectively enters the air auxiliary path supply unit and the low-temperature heat exchange unit through a first tee joint, the normal-temperature air output by the air auxiliary path supply unit and the low-temperature air output by the low-temperature heat exchange unit are converged through a second tee joint and then enter the blending unit for blending, and the blended air is sent to the engine combustion chamber.)
技术领域
本发明涉及发动机试验领域，具体涉及一种低温来流工质高精度供应系统及方法。
背景技术
在发动机试验中，依据试验技术要求，需要为发动机燃烧室供应低温空气，供应流量应控制在0.041～0.220kg/s范围内，温度控制在217K(-56℃)。低温空气供应在目前的工程应用以及文献资料中均没有太多的技术积累，低温来流空气供应还具有一定的技术难度：一方面，空气在低温下易结冰(-30℃)，供应管路因结冰堵塞后会导致空气不能正常供应；另一方面，将供应的空气维持在要求的温度和流量范围内也是技术难点。因此亟需研发一种低温来流工质高精度供应系统。
发明内容
本发明的目的是解决现有发动机试验中，为发动机燃烧室供应低温空气的供应管路因结冰堵塞不能正常供应，且难以将供应的空气维持在要求的温度和流量范围内的问题，而提供一种低温来流工质高精度供应系统及方法。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种低温来流工质高精度供应系统，其特殊之处在于：
包括空气源单元、空气干燥单元、空气调节阀单元、第一三通、空气辅路供应单元、低温换热单元、第二三通及掺混单元；
所述空气源单元用于输出常温高压空气并送入空气干燥单元；
所述空气干燥单元包括依次连接的入口管路、干燥器及出口管路；
所述空气调节阀单元包括依次连接的空气减压阀、第一手动截止阀、第一电控调压阀及第一节流孔板；所述空气减压阀的入口接空气干燥单元的出口管路；所述第一电控调压阀和第一节流孔板之间设置有质量流量计、压力传感器和温度传感器；所述第一节流孔板的出口接第一三通的入口端；
所述空气辅路供应单元包括第二电控调压阀；所述第二电控调压阀的入口接第一三通的其中一个出口端，其出口接第二三通的其中一个入口端；
所述低温换热单元包括依次连接的第二手动截止阀、换热器及第二节流孔板；所述第二手动截止阀的入口接第一三通的另一个出口端；所述换热器和第二节流孔板之间设置有压力传感器和温度传感器；所述第二节流孔板的出口接第二三通的另一个入口端；
所述掺混单元的入口接第二三通的出口端，用于将空气辅路供应单元输出的常温空气和低温换热单元输出的低温空气进行混掺，并送入发动机燃烧室。
进一步地，所述空气源单元包括空气压缩机和高压气瓶；所述空气压缩机压缩空气并送入高压气瓶贮存；所述高压气瓶输出不大于30MPa的常温高压空气并送入空气干燥单元的入口管路。
进一步地，所述干燥器内装有铝胶吸附干燥剂。
进一步地，所述换热器为不锈钢圆柱管壳式换热器。
进一步地，还包括用于向换热器供应液氮的换热工质供应单元。
进一步地，所述空气减压阀的流量范围为0～1kg/s。
进一步地，所述第一节流孔板的孔板尺寸为4mm；
所述第二节流孔板的孔板尺寸为8mm。
一种低温来流工质高精度供应方法，采用上述低温来流工质高精度供应系统，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)打开第一手动截止阀和第二手动截止阀，空气源单元输出不大于30MPa的常温高压空气并送入空气干燥单元；
2)通过干燥器对常温高压空气进行干燥，生成露点不高于-64℃的常温高压干燥空气；
3)常温高压干燥空气通过空气减压阀进行压力稳定，再依次通过第一电控调压阀、第一节流孔板进行流量调节；所述流量调节范围为0.041～0.220kg/s；
4)经流量调节后的常温高压干燥空气分为两路；其中一路通过第二电控调压阀进行常温空气流量调节；另一路通过换热器进行换热，生成温度低于发动机燃烧室所需温度的低温空气，再通过第二节流孔板进行低温空气流量调节；
5)将空气辅路供应单元输出的常温空气和低温换热单元输出的低温空气进行混掺，并送入发动机燃烧室。
本发明的有益效果是：
本发明提供的低温来流工质高精度供应系统及方法，通过第一电控调压阀和第一节流孔板对供应空气总流量进行调节，将供应空气总流量控制在0.041～0.220kg/s范围内，再通过第二电控调压阀和第二节流孔板分别对常温空气流量和低温空气流量进行调节，确保混掺后的空气温度控制在217K(-56℃)，实现稳定的低温空气供应，且空气经过干燥无结冰。
附图说明
图1是本发明低温来流工质高精度供应系统的结构示意图。
图中，1-空气源单元，11-空气压缩机，12-高压气瓶；2-空气干燥单元，21-干燥器；3-空气调节阀单元，31-空气减压阀，32-第一手动截止阀，33-第一电控调压阀，34-第一节流孔板；4-空气辅路供应单元，41-第二电控调压阀；5-低温换热单元，51-第二手动截止阀，52-换热器，53-第二节流孔板；6-掺混单元。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种低温来流工质高精度供应系统及方法作进一步详细说明。
本实施例提供的低温来流工质高精度供应系统如图1所示，包括空气源单元1、空气干燥单元2、空气调节阀单元3、第一三通、空气辅路供应单元4、低温换热单元5、第二三通及掺混单元6。
空气源单元1输出常温高压空气，并通过空气干燥单元2进行干燥处理，使得空气不易结冰；再通过空气调节阀单元3调节空气总流量，确保空气供应总流量维持在试验要求的范围内；然后将供应的空气分为两路，其中低温换热单元5对空气进行换热生成低温空气，再与空气辅路供应单元4输出的常温空气进行混掺，得到试验所需温度的空气，并送入发动机燃烧室。
具体来说，空气源单元1包括空气压缩机11和高压气瓶12，空气压缩机11压缩空气并送入高压气瓶12贮存，高压气瓶12输出不大于30MPa的常温高压空气并送入空气干燥单元2。
空气干燥单元2包括依次连接的不锈钢材质入口管路、内装铝胶吸附干燥剂的干燥器21和不锈钢材质出口管路。高压气瓶12输出的常温高压空气通过入口管路进入干燥器21进行干燥处理，输出的常温高压干燥空气露点达到-64℃。
空气调节阀单元3包括依次连接的空气减压阀31、第一手动截止阀32、第一电控调压阀33和第一节流孔板34。空气减压阀31的入口接空气干燥单元2的出口管路，用于稳定空气压力，其流量范围为0～1kg/s。第一手动截止阀32用于实现该段管路空气供应的通断。第一电控调压阀33通过远程控制阀门电缸电流的数值达到阀门机械执行机构的开度，实现空气流量调节。第一电控调压阀33和第一节流孔板34之间设置有质量流量计、压力传感器和温度传感器，表征该段管路的空气流量、压力和温度。第一节流孔板34的出口接第一三通的入口端，第一节流孔板34的孔板尺寸为4mm，用于实现高压空气流量调节，经计算覆盖所有流量工况点(0.041～0.220kg/s)。该单元中的连接管路为DN20不锈钢材质。
空气辅路供应单元4包括第二电控调压阀41，第二电控调压阀41的入口接第一三通的其中一个出口端，其出口接第二三通的其中一个入口端。第二电控调压阀41通过远程控制阀门电缸电流的数值达到阀门机械执行机构的开度，实现空气流量调节。该单元中的连接管路为DN20不锈钢材质。
低温换热单元5包括依次连接的第二手动截止阀51、换热器52和第二节流孔板53。第二手动截止阀51的入口接第一三通的另一个出口端，用于实现该段管路空气供应的通断。换热器52外接换热工质供应单元，换热器52和第二节流孔板53之间设置有压力传感器和温度传感器，表征该段管路的压力和温度。第二节流孔板53的出口接第二三通的另一个入口端，第二节流孔板53的孔板尺寸为8mm，用于实现高压空气压力稳流、升压，提高换热效率。该单元中的连接管路为DN20不锈钢材质。低温换热单元5的工作原理为：通过换热工质供应单元供应液氮，液氮在换热器52内部进行流动、汽化、挥发、换热后，对换热器52内部的常温空气进行降温换热，换热后通过第二节流孔板53输出稳定流量的低温空气。
换热器52为不锈钢圆柱管壳式换热器，换热器52长度为2500mm，外径为200mm，内嵌入10根长7000mm、DN6不锈钢液氮换热管，呈螺旋式连接布置，换热管总长70000mm，绕管间隔150mm，绕管弯直径125mm。壳体外壁上下两端分别设置两个开口，上端设置常温空气进口和液氮排放出口，其中液氮排放出口通过连接长4000mm、DN20不锈钢管路，管路出口敞口，实现低温工质挥发排放，且具备变形补偿能力。下端设置液氮进口和低温空气出口，其中液氮进口通过长6000mm、DN20不锈钢管路连接换热工质供应单元。低温空气出口连接6000mm、DN20不锈钢管路，并通过不锈钢材质的第二三通与空气辅路供应单元4汇合。换热器52、低温换热单元5的低温空气出口管路及液氮输送管路外均包覆5mm厚橡塑海绵，外用铝箔胶带包裹固定，实现低温温度保持。
换热工质供应单元包括依次连接的低温冷藏贮罐、自循环增压单元、安全阀组、应急切断阀和手动调节阀。低温冷藏贮罐的容积为30m3。手动调节阀用于实现液氮流量控制，手动调节阀的出口接换热器52的液氮进口。该单元中的连接管路规格为DN50，16MPa，不锈钢材质，供应最大液氮流量为1kg/s。
掺混单元6的入口接第二三通的出口端，用于将空气辅路供应单元4输出的常温空气和低温换热单元5输出的低温空气进行混掺，掺混单元6出口管路接发动机燃烧室，其上设置有质量流量计、压力传感器和温度传感器，表征该段管路空气流量、压力、温度。混掺后的空气送入发动机燃烧室。
基于上述系统的低温来流工质高精度供应方法，包括以下步骤：
1)打开第一手动截止阀32和第二手动截止阀51；通过空气压缩机11对常温、常压空气进行压缩并送入高压气瓶12贮存，高压气瓶12输出不大于30MPa的常温高压空气并送入空气干燥单元2的入口管路；
2)通过干燥器21对常温高压空气进行干燥，生成露点不高于-64℃的常温高压干燥空气；
3)常温高压干燥空气通过空气减压阀31进行压力稳定，再依次通过第一电控调压阀33、第一节流孔板34进行流量调节，流量调节范围为0.041～0.220kg/s；
4)经流量调节后的常温高压干燥空气分为两路；其中一路通过第二电控调压阀41进行常温空气流量调节；另一路通过换热器52进行换热，生成温度低于发动机燃烧室所需温度的低温空气，再通过第二节流孔板53进行低温空气流量调节；
5)将空气辅路供应单元4输出的常温空气和低温换热单元5输出的低温空气进行混掺，得到试验所需温度的空气，并送入发动机燃烧室。
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