CN109236759B - 一种多单元蜂窝状组合结构的超声速引射器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多单元蜂窝状组合结构的超声速引射器，引射器接口为被引射气流入口、引射气流入口和混合气流出口，引射器内部由环隙结构扩压系统呈蜂窝状排列组成。工作原理为：高压引射气流进入压力室，通过各单元环隙加速喷出，形成超声速射流，在扩压管内引射气流与被引射气流进行混合、扩压变成亚音速气流，最终以较小的压力损失排出。该引射器相比多级串联环形引射器，具有主次流横向掺混距离短、引射效率高、结构紧凑等特点；相比多喷管引射器，具有排气干扰相混小、压力损失小、引射性能更优等特点。

Description

一种多单元蜂窝状组合结构的超声速引射器

技术领域

本发明涉及空气动力学领域，具体而言，涉及一种多单元蜂窝状组合结构的超声速引射器。

背景技术

引射器是一种流体控制装置，能够对低压力气体增压和具备抽真空能力，广泛应用于风洞、试验台、化学激光器领域；对于超声速引射器，引射气流以超声速状态进入混合室与被引射气流混合，内部流场极其复杂，涉及超声速剪切层，激波边界层干扰等多种复杂流动现象，而且这些流动现象还相互作用和干扰，目前，对于引射器的设计和性能预测，还没有十分可靠的办法。

多年来，人们使用理论计算、数值模拟、试验方法进行研究，并形成了很多科研成果，在风洞设备上成熟应用引射器，具有代表性的单位是中国空气动力研究与发展中心(CARDC)和中国航天空气动力技术研究院(CAAA)。

CARDC应用引射器的时间较早，20世纪60年代建成的FL-31常规高超声速风洞，采用3级环形引射器，耗气量大，效率低，通过研究认为，随引射器尺度增大，一、二次流之间的横向混合距离增加，效率降低。

1993年，CARDC建成的2m亚跨超风洞采用多喷管引射器，在混合室内多喷管射流与被引射气流混合，缩小了掺混距离，混合流通过扩压段排出，提高了引射效率，很好满足低超声速风洞试验，结果表明，此类混合的方法，仅适用于一次流Ma数较低的情况，在一次流Ma数较高的情况下，会带来较大的压力损失。后来研究发现，多喷管引射气流汇聚在一个混合室，这类方法主要考虑增强混合，较少考虑压力恢复性能，在速度较低的领域应用比较有效。

CAAA是应用引射器最早的单位之一，FD-02、03、07高超声速风洞都是用环形引射器作为增压排气系统，引射器技术属于50、60年代水平。“九五”期间，CAAA研究多级多喷管中心引射器，把研究成果具体应用到设备中，完成FD-12风洞多喷管引射器建设，但技术手段与CARDC的2m风洞引射器基本一致。

1993年底，701所(CAAA前身)曾组团到俄罗斯的中央流体力学研究院(TsAGI)进行考察，得知研制出了一种多喷管中心引射器，并且给出技术指标，一个内含45个小喷管的多喷管中心引射器，抽吸真空的能力可达300Pa；当此引射器用到高超声速风洞时，相当于一个四级环形引射器。当时，俄罗斯在此技术领域国际领先，对此技术是保密的。CAAA的王铁进、朱孝业等对于多级多喷管中心引射器技术展开研究，并指出多级多喷管中心引射器技术是一项新的引射器技术，提出用串联方式研制高增压比引射器，后来，使用多喷管共用混合室的方式，建设了1台三级引射器，应用到CAAA的FD-16风洞中，但是其多喷管混合的技术特点依旧沿用FD-12风洞引射器的形式。

CARDC的任泽斌等在《新型引射器技术研究》一文中指出，以超声速气体引射器为主体的引射型压力恢复系统，则是替代大型真空罐的最佳选择，提出阵列式模块化引射器技术研究，方案是将单台大口径引射器分成多台并联的小口径引射器，既能有效地减小长度尺寸，增加横向尺寸，使系统紧凑小型化，还能通过开启或关闭部分引射器模块，调节系统引射能力。同时，指出这种引射器存在的问题，在阵列式引射系统中，多台引射器的入口和出口分别并联在一起，导致各台引射器入口的被引射气流以及出口的排气反压相互干扰，特别是在引射器的启动阶段，启动较晚的模块需要的启动压力可能会大大高于设计压力，严重时甚至不能启动。

为解决模块间干扰的问题，CARDC的任泽斌等给出的建议是，1、把各模块的入口和出口分别隔离，如安装真空阀；2、严格控制各模块启动的同步性，使各模块同时建立流场；3、为实现单通道向多通道的过渡和均匀分流，在引射器与扩压器之间设置了稳压腔式的过渡段，过渡段设计时尽量降低气流速度，并配置空心分流隔板，实现被引射器流的均匀分配，以期分流过程压力损失达到最小。

由于增加辅助设备，这种引射系统体积庞大，根本达不到引射器小型化的要求，实现起来成本很高；整套引射器系统构型复杂、加工难度大，目前还没有见到此类引射器的成功应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种超声速引射器，满足引射系统小型化的要求，用于大型风洞、试车台、化学激光器等设备的排气增压，结构简单，装配容易实现，启动压力低，引射效率高。

本发明所采用的技术方案是：一种多单元蜂窝状组合结构的超声速引射器，该引射器包括入口管、前固定板、压力室壳体、进气口、后固定板和出口管和N个环隙扩压单元，N≥1，其中：

前固定板、压力室壳体、后固定板三者形成空腔，作为压力室；

进气口固定安装在压力室壳体上，用于连接引射器的引射气流进气管道，引射气流从外部进气管道进入压力室；

N个环隙扩压单元并列固定在前固定板和后固定板之间，呈蜂窝状排列；

被引射气流从入口管进入，引射气流均匀进入压力室，通过各环隙扩压单元环隙加速喷出，形成超声速射流，在各环隙扩压单元内引射气流与被引射气流进行混合、扩压变成亚音速气流，最终以较小的压力损失从出口管排出。

所述环隙扩压单元包括吸入管和扩压管，吸入管的排气端位于扩压管进气端内部，与扩压管内壁之间存在一定间隙，形成环隙结构。

所述吸入管固定安装在前固定板上，扩压管固定安装在后固定板上。

所述吸入管进气端外部轮廓在入口管内组成六边形蜂窝结构，内部为六边形向圆形过渡的收缩管道。

所述扩压管排气端在出口管内成六边形蜂窝结构布局。

所述N个环隙扩压单元为不同的引射Ma数。

所述扩压管的长径比取值范围为4～12。

所述环隙扩压单元的引射面积比的取值范围是0.3～0.5。

所述扩压管的入口角的取值范围是：5°～15°。

所述扩压管出口角的取值范围是：4°～7°。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明采用并联方式，不是简单的把大口径引射器分割成小口径引射器，在解决缩小横向掺混距离，提高引射效率问题的同时，在布局上，解决引射器的能量分配方式，更有利于引射器的启动；这种结构，引射器流量同时进入引射喷管，进气口流量分配均匀；

(2)、本发明超声速引射器由单元模块组成，各单元模块内，主、被动气流在收缩段内实现掺混，然后在超声速扩压器中，使得超声速流动在强烈的逆压梯度环境下，变为亚声速；

(3)、本发明由于在单元模块小的扩压管进行混合，大幅减小一、二次流之间横向掺混距离，提高引射效率，在模块引射器出口，接亚声速扩压段，气流进一步升压；

(4)、本发明由于小尺度的混合扩压，大大增加了引射气流和被引射器流的接触面，加强了主、被动气流的掺混过程，缩短了混合室的长度，提高了引射效率；

(5)、本发明多喷管超声速引射器进气端为实现单通道向多通道的过渡和均匀分流，采用蜂窝状结构，进气分配均匀，基本实现了被引射器流的均匀分配，且分流过程压力损失小，对于启动性能有大幅度的改善，确保引射器单元同时启动；排气端采用蜂窝状结构布局，排气相混干扰小，降低了压力损失；

(6)、本发明通过单喷管混合、扩压功能，易于调试确定气动参数，有利于设计不同增压比和不同启动压力的引射系统；而且，模块的轴对称特点非常适合加工制造高Ma数喷管，有利于形成不同Ma数喷管组成的引射系统；

(7)、本发明结构紧凑，便于加工，由于吸入管和扩压管安装在固定板上，径向距离靠固定板上的定位孔保证，引射器流的喷管喉道大小由轴向距离确定，减少了单引射器安装误差的影响，引射器模块的组合尺寸合理，一致性好；

(8)、本发明引射器采用模块化设计，制造安装方便，便于工程化应用，适用于大型风洞、发动机试车台、化学激光器等军工设备的排气增压系统，同时在民用领域具有应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例超声速引射器剖视图；

图2为本发明实施例入口管、出口管结构示意图；

图3为本发明实施例压力室壳体结构图；

图4为本发明实施例压力室壳体的进气口法兰盘结构图；

图5为本发明实施例吸入管的结构剖视图；

图6为本发明实施例扩压管的结构示意图。

图7为本发明实施例锁紧螺母示意图；

图8为本发明实施例多个蜂窝布局的超声速引射器单元侧视图；

图9(a)为本发明实施例前、后固定板结构正视图；

图9(b)为本发明实施例前、后固定板结构剖视图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种超声速引射器，包括入口管1、前固定板3、锁紧螺母4、8、压力室壳体5、进气口6、后固定板9和出口管10和N个环隙扩压单元，N≥1。

所述入口管1和前固定板3通过螺栓与压力室外壳体5相连，出口管10和后固定板9通过螺栓与压力室外壳体5相连，构成引射器的整体结构。入口管1和出口管10结构相同，如图2所示，采用法兰结构。

前固定板3、压力室壳体5、后固定板9三者形成空腔，作为压力室。

如图3和图4所示，所述进气口6为法兰结构，进气口6固定安装在压力室壳体5上，用于连接引射器的引射气流进气管道，引射气流从外部进气管道进入压力室，同时为环隙扩压单元供气。稳定的气源压力有利各引射器模块启动同步，引射气流的压力取值范围为0.6到0.8MPa之间，本发明压力气体的压力取值为0.7MPa最佳。

环隙扩压单元包括吸入管2和扩压管7，如图5所示，吸入管2前段外部为六边形结构，有利于多喷管的组合安装，中段中间为圆柱形，与前固定板3上的孔配合，后段外部车螺纹，与锁紧螺母4的尺寸相配，后段尾部为气流喉道和膨胀段，组成环形喷管内壁；吸入管2内部为六边形逐渐变为圆形的过渡结构，内壁光滑无逆向台阶，是被引射器流的通道。

如图6所示，扩压管7前段是收缩的锥管，内型面是环形喷管的外壁，中间段为有一定长径比的等值段，后段为逐渐扩口的扩压段。扩压管7的最尾段外部为六边形，从后往前，依次有一段与后固定板9上的孔配合的圆柱部分，和与锁紧螺母8连接的螺纹部分，扩压管7内壁过渡光滑，无逆向台阶。

吸入管2的排气端位于扩压管7进气端内部，与扩压管7内壁之间存在一定间隙，形成环隙结构，吸入管2通过锁紧螺母4安装在前固定板3上，扩压管7通过锁紧螺母8安装在后固定板9上，吸入管2和扩压管7在压力室壳体5内形成超声速环形喷管。

N个环隙扩压单元并列固定在前固定板3和后固定板9之间，呈蜂窝状排列；

被引射气流从入口管1进入，引射气流均匀进入压力室，通过各环隙扩压单元环隙加速喷出，形成超声速射流，在各环隙扩压单元内引射气流与被引射气流进行混合、扩压变成亚音速气流，最终以较小的压力损失从出口管10排出。

如图1所示，前固定板3、后固定板9的位置通过压力室外壳体5的轴向距离确定，这样就确定了吸入管1和扩压管7所形成的环形喷管喉道大小，引射器入口、出口尺寸就确定了，引射面积和引射Ma数随之确定。所述N个环隙扩压单元可以设计成相同或者不同的引射Ma数。

本发明选取扩压管7长径比取值范围为4～12、引射面积比的取值范围是0.3～0.5、扩压管的入口角的取值范围是5°～15°、所述扩压管出口角的取值范围是4°～7°，环隙扩压单元安装结构相同，内部的结构参数根据流动特点可精细化设计，例如内圈喷管的Ma数高一些，不仅可减小引射气源流量而且有利于提高增压比。

吸入管2通过锁紧螺母4安装在前固定板3上，安装前，吸入管2的安装面和前固定板3安装孔涂上密封胶，然后用锁紧螺母紧固密封。锁紧螺母如图7所示。

如图8所示，所述吸入管2进气端外部轮廓在入口管1内组成六边形蜂窝结构，内部为六边形向圆形过渡的收缩管道，使得气流的阻挡面积有效减小，进气分配均匀。多组吸入管2在入口管1内组合，在吸入管1形成蜂窝状进气结构，气流分配均匀。

扩压管7通过锁紧螺母4安装在后固定板9上，安装前，扩压管7的安装面和后固定板9安装孔涂上密封胶，然后用锁紧螺母紧固密封。

扩压管7的气流出口端为圆形逐渐变为六边形的管道，多组扩压管7在出口管10内组合安装，在出口管10形成蜂窝状排气结构，流动相互隔离无干扰，气流排出均匀；由于在低速下混合，混合过程压力损失小。

如图9(a)和图9(b)所示，前固定板3和后固定板9的结构图，开孔位置用于安装吸入管2和扩压管7。

吸入管2和扩压管7组成的引射单元，根据吸入管2出口和扩压管7入口不同形状尺寸的组合，形成不同引射马赫数喷管。

根据吸入管2和扩压管7不同口径、不同数量的组合，形成不同应用场合的超声速引射器。

本发明吸入管和扩压管安装在前、后定位板上，在压力室组成引射器的环形喷嘴，高压气流通过环形缝隙加速喷出，形成超声速射流，在扩压管内引射气流与吸入管进入的被引射气流进行混合、扩压，最终混合气流以较小的压力损失，由扩压管排出，达到对被引射气流增压作用。

本发明这种由多组并联小喷管组成的引射器，从空气动力学角度分析，产生如下作用，从喷管喷出的高速气流，进入扩压段混合室，一方面把能量传递给边界层内的低速低能量气流，另一方面在扩压段内形成喉道，加速被引射气流；吸入管在入口管道前端，以及扩压管出口在出口管道后端形成蜂窝状结构布局，对于气流的流动干扰小，混合均匀。

本发明这种多组并联的引射器组合，增强了混合，提高了引射效率，缩短了由大尺寸环形引射器引起的横向掺混距离；

本发明在喷管Ma数布局上，可以实现中心引射气流Ma与四周引射气流Ma数相互匹配的射流状态，实现快速启动，在出口产生的顺向射流形成一个低压区，相当于降低了排气口压力，提高压比，有利于相邻引射器的启动。本发明设计的引射喷管，根据被引射流量、增压比的需要，合理选取引射面积比、扩压段长径比、扩压段入口角和出口角等参数，进行了优化设计。

本发明多个扩压管出口的低速气流顺向流动，在扩散段混合扩压排出，满足空气动力学流动规律。通过合理的结构设计，实现了压力损失小，引射混合效率高的目的。

本发明装置的部件以法兰连接密封安装，降低了加工难度，提高装配效率。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种多单元蜂窝状组合结构的超声速引射器，其特征在于包括入口管(1)、前固定板(3)、压力室壳体(5)、进气口(6)、后固定板(9)和出口管(10)和N个环隙扩压单元，N≥1，其中：

前固定板(3)、压力室壳体(5)、后固定板(9)三者形成空腔，作为压力室；

进气口(6)固定安装在压力室壳体(5)上，用于连接引射器的引射气流进气管道，引射气流从外部进气管道进入压力室；

N个环隙扩压单元并列固定在前固定板(3)和后固定板(9)之间，呈蜂窝状排列；

被引射气流从入口管(1)进入，引射气流均匀进入压力室，通过各环隙扩压单元环隙加速喷出，形成超声速射流，在各环隙扩压单元内引射气流与被引射气流进行混合、扩压变成亚音速气流，最终以较小的压力损失从出口管(10)排出。

2.根据权利要求1所述的一种多单元蜂窝状组合结构的超声速引射器，其特征在于所述环隙扩压单元包括吸入管(2)和扩压管(7)，吸入管(2)的排气端位于扩压管(7)进气端内部，与扩压管(7)内壁之间存在一定间隙，形成环隙结构。

3.根据权利要求2所述的一种多单元蜂窝状组合结构的超声速引射器，其特征在于吸入管(2)固定安装在前固定板(9)上，扩压管(7)固定安装在后固定板(9)上。

4.根据权利要求2所述的一种多单元蜂窝状组合结构的超声速引射器，其特征在于所述吸入管(2)进气端外部轮廓在入口管(1)内组成六边形蜂窝结构，内部为六边形向圆形过渡的收缩管道。

5.根据权利要求2所述的一种多单元蜂窝状组合结构的超声速引射器，其特征在于所述扩压管(7)排气端在出口管(10)内成六边形蜂窝结构布局。

6.根据权利要求1所述的一种多单元蜂窝状组合结构的超声速引射器，其特征在于所述N个环隙扩压单元为不同的引射Ma数。

7.根据权利要求2所述的一种多单元蜂窝状组合结构的超声速引射器，其特征在于所述扩压管(7)的长径比取值范围为4～12。

8.根据权利要求1所述的一种多单元蜂窝状组合结构的超声速引射器，其特征在于所述环隙扩压单元的引射面积比的取值范围是0.3～0.5。

9.根据权利要求2所述的一种多单元蜂窝状组合结构的超声速引射器，其特征在于所述扩压管(7)的入口角的取值范围是：5°～15°。

10.根据权利要求2所述的一种多单元蜂窝状组合结构的超声速引射器，其特征在于所述扩压管(7)出口角的取值范围是：4°～7°。

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