CN104929990A - 引射器喷管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种引射器喷管，其包括多级引射喷管、混合室和超声速尾喷管，所述引射喷管为拉瓦尔喷管，在其扩张段壁上沿周向均布地开设有多个槽孔，以顺向引入被引射气流，多级所述引射喷管的第一级的进气端与稳压室相连，多级所述引射喷管分别通过所述混合室逐级串联相连，最末级所述引射喷管与所述超声速尾喷管相连。根据本发明的超声速引射喷管，被引射气流采用分级进气的形式，与引射气流接触面积大，混合充分，抽吸效果好。部件之间靠焊接固定，所有部件均位于在轴线上，易于加工和安装。

Description

引射器喷管
技术领域
本发明涉及一种引射器喷管，尤其涉及一种气流混合增压效率高的中心型引射喷管，属于空气动力学领域。
背景技术
超声速引射器在抽真空和提高被引射气体总压方面具有独特的优点，成功应用于高超声速风洞和化学激光器排气系统上，随大口径超声速风洞和大功率化学激光器的建造需要，如何提高超声速引射器的性能，吸引越来越多的研究。
超声速引射器主要有引射喷管，混合室，扩压器等组成，引射喷管是引射器的核心部件。引射喷管的形式主要有中心喷管，环形喷管，多点分布式喷管。研究表明，引射喷管的布局形式，对于提高引射器的性能，起着关键性的作用。
超声速引射器中，使用拉瓦尔喷管，安装在混合室的进口处，加速引射气流，通过一定面积比的设计，引入被引射气体；两种混合气流在混合室进行能量交换，提高被引射气体的静压。例如中心单喷管引射器，引射气体通过喷管单级膨胀，引射气流加速喷入混合室，靠湍流黏性力的作用与被引射气流在混合室混合，多喷管引射器的原理一样，单级膨胀，只是喷管分成若干个小喷管，环形引射器，采用单级膨胀，单边气流混合，摩擦损失比较大。
采用单级的喷管布局，混合过程复杂，为了达到充分混合，需要的混合室比较长。多喷管引射器，需要的混合室较短，单喷管之间的射流容易引起干扰，降低引射效率。总的来说，采用不同形式的引射喷管，在引射气流和被引射气流之间扩大混合面积，是提高引射效率、解决问题的途径。
例如CAAA的FD-07风洞环形引射器，引射器喷管为拉瓦尔喷管，气体单级膨胀，喷入混合室，与被引射气流掺混。引射面积比一定的条件下，引射Ma数为3，I级引射压力为1.0MPa，II级引射压力为1.2MPa，能够完成引射器的启动，使用压力为1.5MPa的中压气源就满足要求，引射效率也较高，如果调高使用高压力，流量会增大，将会造成气源的浪费。
FD-03风洞环形引射器，I级引射压力为0.8MPa，II级为1.6MPa，采用膨胀比较大的等截面引射形式，使用的运行压力与FD-07风洞引射器运行压力是不同的，FD-03风洞的引射气源是从11.0MPa压力气源减压，达到3.0MPa后再调压使用。这样，就会造成气体压力能的浪费。
国防科大的燃气引射器，燃烧压力为3.0MPa，为了释放压力，完成膨胀过程，引射面积选取比较小，这就产生了引射器的启动问题，同时单级膨胀，混合室的混合效率不高，造成引射器的启动运行不稳定，在这方面，国防科大的研究人员作了大量的研究，对这种现象的认识越来越清楚。
研究表明，气源压力较高，使用环形喷管，或者单级喷管，喷出的气流来不及膨胀，在管道内变成激波串，造成激波边界层干扰，成为主要的干扰损失。压力能来不及释放成动能，造成损失，如果把气体降压使用，对于气源的高压力能，也是一种浪费。
如何在气源高压下，充分发挥其引射能力，提高引射器的效率，特别针对完成引射器启动后，运行压力任然比较高的时候，充分发挥引射器的作用，提高效率，关键问题就是进行喷管设计，同时要求先进的引射喷管，应该结构简单，性能优良，易于制造。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种超声速引射喷管，能够有效利用气源的高压力，通过串联喷管加速气流，实现气体多级膨胀，特别针对引射气源压力高于1.5MPa，充分利用气体的压力能，气体进行多级膨胀、分步与被引射气流混合，掺混充分，大大提高气流的接触面积，减少压力损失，提高引射器运行稳定性，达到有效利用气体压力能的目的。
本发明的引射器喷管包括多级引射喷管、混合室和超声速尾喷管，所述引射喷管为拉瓦尔喷管，在其扩张段壁上沿周向均布地开设有多个槽孔，以顺向引入被引射气流，多级所述引射喷管的第一级的进气端与稳压室相连，多级所述引射喷管分别通过所述混合室逐级串联相连，最末级所述引射喷管与所述超声速尾喷管相连。
优选所述稳压室为筒体状，其圆周壁上连接有进气管，所述稳压室的一端焊接有尖形封头，其另一端用焊接方式与所述一级引射喷管的进气端连接。
优选所述混合室均为直径与所连接所述引射喷管相配合的圆筒状结构。
优选所述槽孔沿所述引射喷管的周壁均布有4个，所述槽孔的孔壁均与所述引射喷管的中轴线平行，所述槽孔的截面积之和与该引射喷管出口的截面积之比为1∶3。
优选所述压力室的圆周壁上以沿周向均布的方式连接有3个所述进气管。
优选所述超声速尾喷管包括加长的直管进气段和拉瓦尔喷管段。
优选其为两级引射喷管结构，包括一级所述引射喷管、所述混合室、二级所述引射喷管和所述超声速尾喷管，所述一级引射喷管的进气端与所述稳压室焊接连接，所述一级引射喷管的出口与所述混合室的一端连接，所述二级引射喷管的进气端与所述混合室的另一端连接，所述二级引射喷管的出口与所述超声速尾喷管的直管进气段相连接，所述超声速尾喷管的出口与超声速扩压段套接。
本发明与现有技术相比，优点体现在：
(1)引射气体高压能量利用充分，能分级引射更多的气体。
(2)引射气体多次膨胀压缩，分级与被引射气体混合，混合充分。
(3)易于加工，便于形成工业化产品。
附图说明
图1为引射喷管结构图。
图2(1)为压力室纵截面图，(2)为压力室的横截面图。
图3(1)为一级引射喷管侧视图，(2)为一级引射喷管的纵截面图。
图4为混合室结构图。
图5(1)为二级引射喷管侧视图，(2)为二级引射喷管的纵截面图。
图6为超声速尾喷管结构图。
图7为超声速扩压段结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行详细说明。
如图1所示，为引射喷管结构图，所有部件在一条中心线上安装定位，最前端为压力室1，依次连接有一级引射喷管2，混合室3，二级引射喷管4，超声速尾喷管5，最后端为超声速扩压段6。高压气体从压力室1进入，压力室1起到稳压的作用，通过一级引射喷管2进行膨胀加速，膨胀后气流到达喷管尾部截面时，速度达到Ma＝4，气流静压很低，在一级引射喷管2的后部，沿径向开槽的位置，吸入低压被引射气体，通过气流的黏性剪切作用，吸入被引射气体并加速，两种气体进入混合室3，进行混合增压。混合后的气体，通过膨胀和压缩混合，总压较高，进入二级引射喷管4，加速气流，二级引射喷管4的速度为Ma＝3，重新变为超声速气流，在尾部吸入被引射气体。混合后的气体，进入超声速尾喷管5，通过喷管加速，变为较低Ma数的超声速气流，在后部的扩压段，进行最后一级的膨胀，吸入被引射气体，然后扩压，气体减速，完成对被引射气体的增压作用，排到大气中。
如图2(1)、(2)为压力室结构图，压力室1采用压力管道材料制作，在圆筒主体1-2上，前段焊接尖状封头1-1，圆筒主体1-2的中间部分，沿径向均匀布局3个方形通气管1-3，焊接在园筒主体1-2上，作为气体的输入通道。压力室1主要是稳定进入喷管的气流压力，在喷管管前形成一定的总压，当达到一定的压力比时，在喷管的出口，产生超声速气流。本实施例，压力室的耐压为6.4MPa，圆筒主体内径为30mm。
如图3(1)、(2)为一级引射喷管2结构图，采用拉瓦尔喷管的形式，把气流加速到超声速，由于利用气体的高压力能，喷管的Ma数可以选择为高些，不产生冷凝，就不会影响气体的膨胀，从而降低引射效率，本实施例选择Ma＝4。在拉瓦尔喷管的后部，在其扩张段壁上沿周向均布地开设有4个槽孔，槽孔的孔壁均与一级引射喷管2的中轴线平行，以顺向引入被引射气流。两种顺向射流通过气流的剪切作用，混合增压，通过尾部排出。本实施例，在开槽孔的截面处，4个槽孔的流通面积之和与此引射喷管出口截面的流通面积比为1∶3。喷管喷出的气体保持较高的动能，保持较高的动压，以产生必要的低静压，把被引射气体吸进来，起到引射作用。
如图4为混合室3结构图，其用于超声速混合气流减速增压，恢复总压，提高静压。混合室3实现两种气流充分混合，进行动量交换，长度根据前级Ma和压力值确定，达到最高的混合效率。混合室结构是一个圆筒，长度根据前部喷管的直径确定，长度需要根据喷管的需要来设计，长度是一个关键的因素，把气流的速度降为亚声速，激波串的形式，传递压力能，进行膨胀加速。本实施例，长径比选择为5.0。
如图5(1)、(2)为二级引射喷管4结构图，在拉瓦尔喷管的后部，在其扩张段壁上沿周向均布地开设有4个槽孔，槽孔的孔壁均与二级引射喷管4的中轴线平行，以顺向引入被引射气流。两种顺向射流通过气流的剪切作用，混合增压，通过尾部排出。本实施例，设计喷管Ma＝3。以上槽孔的设置位置和数量可根据需要而改变。
如图6为超声速尾喷管5结构图，采用普通的超声速喷管，加长前部的直管段。从二级引射喷管4喷出的混合气流，管道面积增大，总压已经降低，选取较低Ma数，以便喷管能够在较低的压力下启动，大量的试验证明，Ma＝2，压比达到2，就能够建立超声速流场，所以总压在0.3MPa能够保证引射器的运行。本实施例，喷管Ma＝2，前部的加长部分的长径比为3.0，能够确保喷管形成超声速气流。
如图7为超声速扩压段6结构图，采用前部收缩后部扩张的形状，用来对喷管喷出的超声速气流进行扩压，同时引射周围的气体，混合气体进一步减速增压排到大气中，与喷射式引射器的模式相同。超声速扩压段前部套装在在尾喷管的后部，中心保持在同一轴线上，本实施例，喷管出口直径50mm，扩压段内部直径70mm，等值段的长径比为8，后部扩压段的扩散角为6°，满足气流的减速增压，排到大气中。
本发明的超声速引射喷管，可以采用一级引射喷管，也可以采用三级引射喷管串联。后部设排气混合室，位于超声速尾喷管下游，用于后部喷管引射气流和被引射气流混合。
以上是对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明并不现定于上述实施例。对本领域的技术人员来说，在权利要求书所记载的范畴内，显而易见的能够想象到各种变更例或者修正例，当然也属于本发明的技术范畴。

Claims (7)

1.一种引射器喷管，其特征在于：包括多级引射喷管、混合室和超声速尾喷管，所述引射喷管为拉瓦尔喷管，在其扩张段壁上沿周向均布地开设有多个槽孔，以顺向引入被引射气流，多级所述引射喷管的第一级的进气端与稳压室相连，多级所述引射喷管分别通过所述混合室逐级串联相连，最末级所述引射喷管与所述超声速尾喷管相连。
2.根据权利要求1所述的引射器喷管，其特征在于：所述稳压室为筒体状，其圆周壁上连接有进气管，所述稳压室的一端焊接有尖形封头，其另一端用焊接方式与所述一级引射喷管的进气端连接。
3.根据权利要求1所述的引射器喷管，其特征在于：所述混合室均为直径与所连接所述引射喷管相配合的圆筒状结构。
4.根据权利要求1所述的引射器喷管，其特征在于：所述槽孔沿所述引射喷管的周壁均布有4个，所述槽孔的孔壁均与所述引射喷管的中轴线平行，所述槽孔的截面积之和与该引射喷管出口截面积之比为1∶3。
5.根据权利要求2所述引射器喷管，其特征在于：所述压力室的圆周壁上以沿周向均布的方式连接有3个所述进气管。
6.根据权利要求1所述引射器喷管，其特征在于：所述超声速尾喷管包括加长的直管进气段和拉瓦尔喷管段。
7.根据权利要求1～6的任一项所述引射器喷管，其特征在于：其为两级引射喷管结构，包括一级所述引射喷管、所述混合室、二级所述引射喷管和所述超声速尾喷管，所述一级引射喷管的进气端与所述稳压室焊接连接，所述一级引射喷管的出口与所述混合室的一端连接，所述二级引射喷管的进气端与所述混合室的另一端连接，所述二级引射喷管的出口与所述超声速尾喷管的直管进气段相连接，所述超声速尾喷管的出口与超声速扩压段套接。
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