CN104533846A - 一种适用于泵压式供应系统的高压环形射流泵 - Google Patents

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Abstract

本发明属于航空、航天技术领域，具体涉及一种适用于泵压式供应系统的高压环形射流泵。该高压环形射流泵包括沿主流体的流向依次设置的入口段管道、混合段管道、喉管、扩压段管道、出口段管道；其特征在于：还包括依次设置在入口段管道与混合段管道之间的台阶段管道；所述台阶段管道包括收敛段管道和平直段管道；所述平直段管道上设置有提供高压流体的喷嘴。该高压环形射流泵不仅结构紧凑、质量轻、抗汽蚀性能好，而且可以满足在高转速和低的入口压力下的工况下正常工作。

Description

一种适用于泵压式供应系统的高压环形射流泵
技术领域
本发明属于航空、航天技术领域，涉及一种预增压装置，具体涉及一种适用于泵压式供应系统的高压环形射流泵。
背景技术
航空航天飞行器需要在远离地面的高空或太空工作。受飞行器空间尺寸和结构质量的约束，泵压式供应系统的结构尺寸和质量受到严格限制。为了尽量减小结构尺寸和质量，推进剂泵的转速越来越高。而为了减轻贮箱增压系统的质量和规模，推进剂贮箱的压力越来越低。推进剂泵具有的高转速和低入口压力的特点，要求泵具有非常高的抗汽蚀性能。
泵的汽蚀性能由汽蚀比转速来衡量。普通离心轮的汽蚀比转速最多只有1500～2000，而在离心轮前增设诱导轮后泵的汽蚀比转速最高也只能达到3500～4500左右。要想进一步提高泵的汽蚀比转速，必须另辟蹊径。
一种方式是将低转速离心泵或类似叶片式预压装置作为增压泵设置在离心泵前，使离心泵的入口压力提高，可以在低的入口压力下正常工作。但这种叶片式预压装置需要额外增设驱动源，增加系统的结构尺寸和重量，使得系统复杂化，在空间尺寸紧张的情况下，是不能够实现的。
一种方式是在离心泵前设置一台预增压泵射流泵，将泵后的高压流体引入泵进口，利用泵后的高压，可提高离心泵进口压力，使离心泵在高转速和低入口压力条件下正常工作。
传统的射流泵如图2所示，由喷嘴1、入口组件2、喷管3组成。其特点是主流由侧面喷嘴外侧进入，主流受到中心喷嘴的阻隔，入口压力存在一定程度的损失,适应的泵入口压力有限。此外，传统射流泵的流量比(主流流量/引射流量)通常较小，因此为了提高射流泵的效率，通常采用较小的面积比(喉部面积/喷嘴总面积),喉部面积较小。因此，在这种情况下,当传统射流泵工作于很低的入口压力时，射流泵进口通道和喉部都将发生严重堵塞，无法提供足够的扬程给下游的离心泵,导致下游离心泵不能在高转速下运转,将增大系统的尺寸和重量。因此，传统射流泵难以满足高速离心泵低入口压力下和小空间尺寸使用的难题。
一种方式，采用的射流泵主流体方向上依次设置有入口段管道、混合段管道、喉管、扩压段管道、出口段管道；其中，提供高压流体的喷嘴布置在入口段管道上，此种方式，虽然射流泵可以在低入口压力下使用，但是，主流体与高压流体的流速差较大，射流泵增压能力较低，容易造成下游的主泵汽蚀，使得离心泵难以达到高转速和小尺寸的使用要求。
发明内容
为了解决现有技术中离心泵无法在低入口压力下高速运行、以及小尺寸空间下使用的难题，本发明提供一种结构紧凑、质量轻、抗汽蚀性能好的高压环形射流泵，使推进剂泵可以在更高转速和更低的入口压力下正常工作。
本发明的具体技术方案是：
一种适用于泵压式供应系统的高压环形射流泵，包括沿主流体流向依次设置的入口段管道、混合段管道、喉管、扩压段管道、出口段管道；其特征在于：还包括依次设置在入口段管道与混合段管道之间的台阶段管道；所述台阶段管道包括收敛段管道和平直段管道；所述平直段管道上设置有提供高压流体的喷嘴。
上述喷嘴沿圆周方向均匀开设有多个；所述喷嘴的喷射方向与主流体的流向一致；所述喷嘴与平直段管道管壁之间的角度为锐角。
上述台阶段管道设置有多个。
上述喷嘴对应的外部空间设置有环形腔体；所述喷嘴通过环形腔体与高压流体连通。
上述喉管截面积与多个喷嘴总截面积的比值范围50～100。
上述喉管的长径比为3～6。
上述喷嘴喷射位置的内径为Dj＝Ds+χ(D0-Ds)；其中，D0为入口段管道直径，Ds为喉管直径，Dj为喷嘴喷射位置的内径；χ为系数，0≤χ≤1(χ＝1时，喷嘴位于入口段管道，χ＝0时，喷嘴位于喉管段，0<χ<1时，喷嘴位于台阶型管道的平直段)。
本发明的优点在于：
1、本发明的高压环形射流泵的主通道是沿轴向布置的，主流不受阻隔，因此没有拐弯、撞击损失，大大提高了自身的抗汽蚀性能。
2、本发明采用台阶段管道，使得喷嘴的喷射位置直径小于入口段管道直径。由于主流通道的收缩，因此提高了掺混前主流的流速，减小了主流与高压引射流体之间的速度差,使得射流泵的掺混效率高,射流泵的扬程高,提高了主泵进口的能量,允许主泵在高转速下运转,减小离心泵和供应系统的尺寸和重量.
3、本发明与常规的射流泵相比，喉管截面积与多个喷嘴总截面积的比值比较大，范围为50～100。流体流经射流泵时的动压降小,允许射流泵在非常低的入口压力下正常工作。
4、本发明的喷嘴采用斜向贴壁喷射，主流与工作流体的夹角较小，因此两股射流的动量掺混损失小，可以达到很高的掺混效率，使射流泵的效率和扬程提高。
5、本发明结构紧凑、轴向尺寸小。由于采用了轴向多点喷射技术，因此射流泵的掺混效率很高，用很短的距离即可完成动量交换，喉管的长径比可以选择较小的3～6。较短的喉管长度，可以幅缩短射流泵的轴向长度和重量。这点在空间布局比较紧张的情况下优势明显。
附图说明
图1为泵压式供应系统中射流泵的安装功能图；
1-高压环形射流泵、2-离心泵、3-驱动机、4-高压引流管路。
图2为传统射流泵的结构示意图；
1-入口部件；2-喉管部件；3-喷嘴；
图3为本发明一组喷嘴的结构示意图；
图4为本发明多组喷嘴的结构示意图。
1-主通道；2-环腔盖板；3-引射接管嘴；4-喷嘴、11-入口段管道；12—混合段管道；13-喉管、14-扩压段管道；15-出口段管道混合段；16-台阶段管道；161-收敛段管道、162-平直段管道；
具体实施方式
如图1所示，泵压式供应系统包括高压环形射流泵1、离心泵2、驱动机3以及高压引流管路4等组成；高压射流泵1主流进口与上游管路相连接，高压流体通过高压引射管路4与离心泵2后管路相连接，混合流出口与离心泵2的进口相连接。高压环形射流泵1利用离心泵2出口的一股高压，对上游管路来的低压流体进行增压，提高离心泵2进口的压力，使得离心泵2可以工作在很高的转速，取得小的结构尺寸和重量。
如图3所示，本发明的高压环形射流泵1包括沿主流体的流向依次设置的入口段管道11、混合段管道12、喉管13、扩压段管道14、出口段管道15；其改进之处是：该管道还包括依次设置在入口段管道11与混合段管道12之间的台阶段管道16；台阶段管道16包括收敛段管道161和平直段管道162；平直段管道162上设置有提供高压流体的喷嘴4。
特别之处还在于，喷嘴4沿圆周方向均匀开设有多个；喷嘴4的喷射方向与主流体的流向一致；喷嘴4与平直段管道162管壁之间的角度为锐角；，
特别之处还在于，如图4该高压环形射流泵1在入口段管道11与混合段管道12之间还可依次设置多个台阶段管道16，而且每个台阶段管道16的平直段管道162上都均设置有喷嘴4，喷嘴4在圆周方向上均匀开设多个。
特别之处还在于，该高压环形射流泵1在喷嘴4对应的外部空间设置有环形腔体2；喷嘴4通过环形腔体2与高压流体连通，高压流体通过引射接管嘴3引入环形腔体2。
另外，需要说明的是，所述喉管13截面积与多个喷嘴4总截面积的比值范围50～100；
所述喉管13的长径比为3～6。
由于泵压式供应系统的工作需要(需要高压环形射流泵能够适应较低的入口压力，同时需要高压环形射流泵有较高的喷射效率和扬程)，需要定义喷嘴喷射位置的内径尺寸；
设高压环形射流泵的入口段管道直径和喉管直径分别为D0和Ds、系数χ；喷嘴喷射位置的内径为Dj＝Ds+χ(D0-Ds)。
其中，系数χ通过射流泵抗汽蚀性能和射流泵效率权衡确定，0≤χ≤1；(χ＝1时，喷嘴位于入口段管道，χ＝0时，喷嘴位于喉管段，0<χ<1时，喷嘴位于台阶型管道的平直段)。
在射流泵的入口直径D0和喉管直径Ds一定的情况下，系数χ越大，喷射位置越靠近入口段，射流泵所能适应的入口压力越低；系数χ越小，喷射位置越接近喉管，射流泵的效率和扬程越高。

Claims (7)

1.一种适用于泵压式供应系统的高压环形射流泵，包括沿主流体的流向依次设置的入口段管道、混合段管道、喉管、扩压段管道、出口段管道；其特征在于：还包括依次设置在入口段管道与混合段管道之间的台阶段管道；所述台阶段管道包括收敛段管道和平直段管道；所述平直段管道上设置有提供高压流体的喷嘴。
2.根据权利要求1所述的适用于泵压式供应系统的高压环形射流泵，其特征在于：所述喷嘴沿圆周方向均匀开设有多个；所述喷嘴的喷射方向与主流体的流向一致；所述喷嘴与平直段管道管壁之间的角度为锐角。
3.根据权利要求2所述的适用于泵压式供应系统的高压环形射流泵，其特征在于：所述台阶段管道设置有多个。
4.根据权利要求2或3所述的适用于泵压式供应系统的高压环形射流泵，其特征在于：所述喷嘴对应的外部空间设置有环形腔体；所述喷嘴通过环形腔体与高压流体连通。
5.根据权利要求4所述的适用于泵压式供应系统的高压环形射流泵，其特征在于：所述喉管截面积与多个喷嘴总截面积的比值范围50～100。
6.根据权利要求5所述的适用于泵压式供应系统的高压环形射流泵，其特征在于：所述喉管的长径比为3～6。
7.根据权利要求6所述的适用于泵压式供应系统的高压环形射流泵，其特征在于：所述喷嘴喷射位置的内径为Dj＝Ds+χ(D0-Ds)；其中，D0为入口段管道直径，Ds为喉管直径，Dj为喷嘴喷射位置的内径；χ为系数，0≤χ≤1。
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