CN108416183B - 一种用于引射器的二维支板一体化结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于引射器的二维支板一体化结构设计方法，属于引射器应用技术领域。本发明采用一体化设计方法，将用于引射气流导入的喷管导气腔、用于引射气流加速的二维拉瓦尔喷管以及用于被引射气流分流的前端导流段集成至二维支板内，二维支板的结构简单、紧凑、易加工；二维支板的外轮廓呈流线型，前端设置导流段，能够减少被引射气流经过支板时的流动损失，喷管导气腔能够保证引射气流的稳定供应；二维支板两端固定在引射器的壁面上，受力方式合理，在引射器工作过程中振动小，可靠性高。

Description

一种用于引射器的二维支板一体化结构设计方法

技术领域

本发明属于引射器结构技术领域，具体涉及一种用于引射器的二维支板一体化结构设计方法。

背景技术

引射器是一种依靠高总压气流给低总压气流进行增压的气体机械。机理上，引射器是通过引射气流和被引射气流之间接触的混合层中湍流的输运，把引射气流的动能传递给被引射气流，达到增加被引射气流总压的效果。因此，增强引射气流与被引射气流之间的混合是一种提高引射器性能的主要方式。增强混合主要有增加引射气流和被引射气流之间的混合面积、设计异型喷管出口增强两者气流之间的扰动两种方法。现有技术中，大多采用的方案有：在引射器中置入多组轴对称喷管增加混合面积，或者将喷管出口开槽或做成波瓣状来增强扰动。

超声速喷管是引射器的关键核心组部件，其功能是把高压的亚声速气流转变成低压的超声速气流。多喷管混合增强引射器需要在流动通道内置入多组喷管，这种构型的引射器虽然增加了引射性能，但是也给喷管的设计与布局带来了一些新的要求：1、置入的喷管对被引射气流的扰动要小；2、引射气流与被引射气流在流道内要均匀分布并且充分接触；3、保证进入每个喷管的引射气流稳定供应；4、喷管受力方式合理，在工作过程中的振动小。

目前，国内外关于多喷管引射器的技术使用的喷管大都是“L”型轴对称喷管，引射器中的多组喷管单层或多层周向均匀分布在流动通道内，这些喷管采用的固定方式为一端固定，管道较长时容易在工作过程中产生振动。被引射气流在流经通道内的多组喷管外壁时会造成较大的压力损失，并且存在分布不均匀，不能与引射气流充分接触混合等缺陷。

发明内容

为了克服现有多喷管引射器存在的不足，本发明提供了一种用于引射器的二维支板一体化结构设计。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于引射器的二维支板一体化结构设计方法，所述二维支板布置在引射器的内部，所述二维支板的上端设有上堵板，所述二维支板的下端设有下堵板，所述二维支板的内部设有用于引射气流稳定供应的喷管导气腔，所述喷管导气腔与用于引入引射气流的喷管导气腔进气口和用于导出引射气流的二维拉瓦尔喷管导通连接，引射气流从喷管导气腔进气口进入到喷管导气腔内，再从喷管导气腔出气口导入到二维拉瓦尔喷管的进气口，在二维拉瓦尔喷管的出气口流出，所述二维支板迎被引射气流的方向设有用于分流被引射气流的前端导流段，所述二维支板的设计步骤如下：

S1，二维支板的参数设置；

所述二维支板的厚度为δ，所述二维支板的高度为H，设定所述二维拉瓦尔喷管的引射气流马赫数为Ma、压力为P，设定引射器的被引射气流马赫数；

S2，二维支板内部的二维拉瓦尔喷管参数设计；

所述二维拉瓦尔喷管的出气口两侧壁厚度均为δ_o，所述二维拉瓦尔喷管的出气口宽度为d_o，满足d_o＝δ-2δ₀，根据气体动力学函数确定喷管喉部宽度为d_t，其中γ是引射气流的比热比，所述二维拉瓦尔喷管的进气口宽度为d_i，所述二维拉瓦尔喷管包括收缩段和扩张段，其中收缩段位于二维拉瓦尔喷管的前端，扩张段位于二维拉瓦尔喷管的后端，两者通过喷管喉部相连；

S3，二维支板内部喷管导气腔参数设计；

所述二维支板内部喷管导气腔的长度为l，喷管导气腔宽度是拉瓦尔喷管进气口d_i宽度的0.5-3倍；

S4，喷管导气腔进气口结构设计；

当引射器为单侧进气时，在所述二维支板的一端设置喷管导气腔进气口；

当引射器为两侧进气时，在所述二维支板的两端分别设置喷管导气腔进气口；

所述喷管导气腔进气口的横向总流通面积为所述拉瓦尔喷管的喉部流通面积的1-5倍；

S5，所述上堵板和下堵板的外轮廓与喷管导气腔、拉瓦尔喷管的收缩型面曲线和扩张型面曲线一致，上堵板和下堵板的厚度根据拉瓦尔喷管的进气口压力确定，需要保证喷管导气腔在高压下不变形。

进一步的，当被引射气流马赫数大于1时，所述前端导流段设置成尖角锥形；当被引射气流马赫数小于1时，所述前端导流段设置成钝角锥形。

进一步的，所述二维支板的喷管出气口两侧壁厚度δ_o的取值范围为0≤δ_o≤0.3δ。

进一步的，所述二维支板的喷管导气腔长度l的取值范围为0≤l≤30d_i。

进一步的，所述拉瓦尔喷管收缩段的型面曲线采用双圆弧曲线、维托幸斯基公式计算曲线、双三次曲线、五次曲线中的一种方法设计。

进一步的，所述拉瓦尔喷管扩张段的型面曲线采用抛物线法、特征线法、双圆弧法、Sivells方法中的一种方法设计。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

一种用于引射器的二维支板一体化结构设计方法，二维支板集成了喷管导气腔、拉瓦尔喷管以及前端导流段，采用一体化设计方法，二维支板的结构简单、紧凑、易加工；二维支板的外轮廓呈流线型，前端导流段设置成锐角锥形或钝角锥形，能够减少被引射气流流经支板时的流动损失，喷管导气腔能够保证引射气流的稳定供应；二维支板两端固定在引射器的壁面上，受力方式合理，在引射器工作工程中二维支板的振动小，可靠性高。

附图说明

图1为本发明单侧进气的二维支板立体结构示意图；

图2为本发明两侧进气的二维支板立体结构示意图；

图3为本发明二维支板的横向截面示意图。

附图中的图例说明：1：前端导流段，2：喷管导气腔进气口，3：上堵板，4：二维拉瓦尔喷管，5：下堵板，6：喷管导气腔；7：喷管进气口；8喷管出气口；9：喷管扩张段；10：喷管收缩段。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如附图1和3所示，本发明提出了一种用于引射器的二维支板一体化结构设计，所述二维支板布置在引射器的内部，所述二维支板的上端设有上堵板3，所述二维支板的下端设有下堵板5，所述二维支板的内部设有用于引射气流稳定供应的喷管导气腔6，所述喷管导气腔6与用于引入引射气流的喷管导气腔进气口2和用于导出引射气流的二维拉瓦尔喷管4导通连接，引射气流从喷管导气腔进气口2进入到喷管导气腔6内，再从喷管导气腔6导入到喷管进气口7，在二维拉瓦尔喷管的出气口8流出，所述二维支板迎被引射气流的方向设有用于分流被引射气流的前端导流段1，所述二维支板的设计步骤如下：

S1，二维支板的参数设置；

根据引射器结构设计参数确定二维支板设计的输入参数，所述二维支板的厚度为δ＝30mm，所述二维支板的高度为H＝350mm，设定所述拉瓦尔喷管4的引射气流马赫数为Ma＝4、压力为P＝3MPa，设定引射器的被引射气流马赫数为0.4；

S2，二维支板内部的二维拉瓦尔喷管4参数设计；

确定拉瓦尔喷管4的出气口两侧壁厚度均为δ_o＝4mm，确定拉瓦尔喷管4的出气口宽度为d_o＝22mm，根据气体动力学函数其中γ是引射气流的比热比，确定喷管喉部宽度为d_t＝2.05mm，确定拉瓦尔喷管4的进气口宽度为d_i＝22mm，采用维托幸斯基公式将拉瓦尔喷管4的进气口设计成收缩型面曲线，采用特征线方法将拉瓦尔喷管4的出气口设计成扩张型面曲线；

S3，二维支板内部喷管导气腔6参数设计；

确定二维支板内部喷管导气腔6的长度为l＝5×d_i＝110mm，确定喷管导气腔6宽度是拉瓦尔喷管4喉部宽度的2倍；

S4，喷管导气腔6进气口2结构设计；

引射器为单侧进气，在二维支板的一端设置喷管导气腔6进气口2；

喷管导气腔6进气口2的横向总流通面积为拉瓦尔喷管4的喉部流通面积(H×d_t)的4倍，即717.5mm²；

S5，上堵板3和下堵板5的外轮廓与喷管导气腔6、拉瓦尔喷管4的收缩型面曲线和扩张型面曲线一致，上堵板3和下堵板5的厚度以保证喷管导气腔6在引射气流的高压下不会变形为设计要求，确定上堵板3和下堵板5的厚度都为10mm。

由于被引射气流马赫数为0.4，小于1，支板的前端导流段1设计成钝角锥形，锥形角度为25°，钝角为半径为10mm的圆角；

实施例2

如附图1和3所示，本发明提出了一种用于引射器的二维支板一体化结构设计，所述二维支板的设计步骤如下：

S1，二维支板的参数设置；

根据引射器结构设计参数确定二维支板设计的输入参数，所述二维支板的厚度为δ＝30mm，所述二维支板的高度为H＝350mm，设定所述拉瓦尔喷管4的引射气流马赫数为Ma＝4、压力为P＝3MPa，设定引射器的被引射气流马赫数为0.4；

S2，二维支板内部的二维拉瓦尔喷管4参数设计；

确定拉瓦尔喷管4的出气口两侧壁厚度均为δ_o＝4mm，确定拉瓦尔喷管4的出气口宽度为d_o＝22mm，根据气体动力学函数其中γ是引射气流的比热比，确定喷管喉部宽度为d_t＝2.05mm，确定拉瓦尔喷管4的进气口宽度为d_i＝22mm，采用维托幸斯基公式将拉瓦尔喷管4的进气口设计成收缩型面曲线，采用特征线方法将拉瓦尔喷管4的出气口设计成扩张型面曲线；

S3，二维支板内部喷管导气腔6参数设计；

确定二维支板内部喷管导气腔6的长度为l＝5×d_i＝110mm，确定喷管导气腔6宽度是拉瓦尔喷管4喉部宽度的2倍；

S4，喷管导气腔6进气口2结构设计；

引射器为两侧进气时，在所述二维支板的两端分别设置喷管导气腔6进气口2；

每个喷管导气腔6进气口2的横向总流通面积为拉瓦尔喷管4的喉部流通面积(H×d_t)的2倍，即358.75mm²；

S5，上堵板3和下堵板5的外轮廓与喷管导气腔6、拉瓦尔喷管4的收缩型面曲线和扩张型面曲线一致，上堵板3和下堵板5的厚度以保证喷管导气腔6在引射气流的高压下不会变形为设计要求，确定上堵板3和下堵板5的厚度都为10mm。

由于被引射气流马赫数为1.4，大于1，前端导流段1设置成尖角锥形，锥形角度为10°，导流段头部无圆角；

以上实施例仅起到解释本发明技术方案的作用，本发明所要求的保护范围并不局限于上述实施例的实现系统和具体实施步骤。因此，仅对上述实施例中具体的公式及算法进行简单替换，但其实质内容仍与本发明方法相一致的技术方案，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于引射器的二维支板一体化结构设计方法，其特征在于，所述二维支板布置在引射器的内部，所述二维支板的上端设有上堵板，所述二维支板的下端设有下堵板，所述二维支板的内部设有用于引射气流稳定供应的喷管导气腔，所述喷管导气腔与用于引入引射气流的喷管导气腔进气口和用于导出引射气流的二维拉瓦尔喷管导通连接，引射气流从喷管导气腔进气口进入到喷管导气腔内，再从喷管导气腔导入到二维拉瓦尔喷管的进气口，在二维拉瓦尔喷管的出气口流出，所述二维支板迎被引射气流的方向设有用于分流被引射气流的前端导流段，所述二维支板的设计步骤如下：

S1，二维支板的参数设置；

所述二维支板的厚度为δ，所述二维支板的高度为H，设定所述二维拉瓦尔喷管的引射气流马赫数为Ma、压力为P，设定引射器的被引射气流马赫数；

S2，二维支板内部的二维拉瓦尔喷管参数设计；

所述二维拉瓦尔喷管的出气口两侧壁厚度均为δ_o，所述二维拉瓦尔喷管的出气口宽度为d_o，满足d_o＝δ-2δ₀，根据气体动力学函数确定喷管喉部宽度为d_t，其中γ是引射气流的比热比，所述二维拉瓦尔喷管的进气口宽度为d_i，所述二维拉瓦尔喷管包括收缩段和扩张段，其中收缩段位于二维拉瓦尔喷管的前端，扩张段位于二维拉瓦尔喷管的后端，两者通过喷管喉部相连；

S3，二维支板内部喷管导气腔参数设计；

所述二维支板内部喷管导气腔的长度为l，喷管导气腔宽度是二维拉瓦尔喷管进气口d_i宽度的0.5-3倍；

S4，喷管导气腔进气口结构设计；

当引射器为单侧进气时，在所述二维支板的一端设置喷管导气腔进气口；

当引射器为两侧进气时，在所述二维支板的两端分别设置喷管导气腔进气口；

所述喷管导气腔进气口的横向总流通面积为所述拉瓦尔喷管的喉部流通面积的1-5倍；

S5，所述上堵板和下堵板的外轮廓与喷管导气腔、拉瓦尔喷管的收缩型面曲线和扩张型面曲线一致，上堵板和下堵板的厚度根据拉瓦尔喷管的进气口压力确定，需要保证喷管导气腔在高压下不变形。

2.根据权利要求1所述的一种用于引射器的二维支板一体化结构设计方法，其特征在于，所述二维支板的喷管出气口两侧壁厚度δ_o的取值范围为0≤δ_o≤0.3δ。

3.根据权利要求1所述的一种用于引射器的二维支板一体化结构设计方法，其特征在于，所述二维支板的喷管导气腔长度l的取值范围为0≤l≤30d_i。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种用于引射器的二维支板一体化结构设计方法，其特征在于，当被引射气流马赫数大于1时，所述前端导流段设置成尖角锥形；当被引射气流马赫数小于1时，所述前端导流段设置成钝角锥形。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种用于引射器的二维支板一体化结构设计方法，其特征在于，所述二维拉瓦尔喷管收缩段的型面曲线采用双圆弧曲线、维托幸斯基公式计算曲线、双三次曲线、五次曲线中的一种方法设计。

6.根据权利要求1-3任一项所述的一种用于引射器的二维支板一体化结构设计方法，其特征在于，所述二维拉瓦尔喷管扩张段的型面曲线采用抛物线法、特征线法、双圆弧法、Sivells方法中的一种方法设计。