CN110377985B

CN110377985B - 一种气体喷射泵设计方法

Info

Publication number: CN110377985B
Application number: CN201910593060.1A
Authority: CN
Inventors: 王志武
Original assignee: Xian Aerospace Propulsion Testing Technique Institute
Current assignee: Xian Aerospace Propulsion Testing Technique Institute
Priority date: 2019-07-03
Filing date: 2019-07-03
Publication date: 2022-10-28
Anticipated expiration: 2039-07-03
Also published as: CN110377985A

Abstract

本发明涉及一种气体喷射泵设计方法，解决现有气体喷射泵设计方法效率不高以及计算过程较为复杂的问题。该气体喷射泵设计方法包括以下步骤：步骤一、获取混合流体速度系数λ_c2；1.1)根据动量守恒方程，计算喷射泵进口截面混合流体速度系数λ'_c2；1.2)根据能量守恒方程，计算喷射泵进口截面混合流体速度系数λ"_c2；1.3)计算混合流体速度系数λ_c2；步骤二、计算正激波前气流总压和正激波后气流总压；2.1)计算正激波前气流总压

2.2)计算正激波后气流总压

步骤三、进行迭代计算，得到喷射泵的流量系数；步骤四、根据步骤三确定的流量系数，求出其他参数。

Description

一种气体喷射泵设计方法

技术领域

本发明涉及一种气体喷射泵设计方法。

背景技术

在液体火箭发动机高空模拟试验过程中，气体喷射泵能够将降温器出口的气流压力保持在设定范围内，使经过降温器的气流能够顺利升压并排入大气，使得扩压器顺利起动，从而确保吸气式动力装置试验所需要的真空条件，因此，气体喷射泵是试验排气系统中的关键部件之一。

气体喷射泵工作原理如图1所示，气体喷射泵的工作过程分为三个阶段：①等熵膨胀阶段；动力流体通过喷嘴绝热膨胀，加速成具有一定马赫数的高速气体；②混合阶段；高速动力流体与被引射流体在混合室进行能量交换，动力流体携带被引射流体进入扩压器，并达到同一速度；③压缩阶段；高速混合流体经过一系列激波逐步升压，并降速至亚声速，在喷射泵出口达到低亚声速，气流排入大气或进入后继设备。

现有气体喷射泵设计包括以下两种方法：①采用经验公式计算喷射泵流量系数；此种方式计算的流量系数结果较为保守，导致效率不高，进而导致气体喷射泵的能耗较高；②采用索科洛夫方法计算喷射泵流量系数；此种方法的计算公式不允许被引射流体的压力与动力流体喷嘴出口压力存在差异，计算过程较为复杂，对初始参数的选择较为严格，只有在被引射流体和动力流体性质相近的条件下，能够对公式进行简化处理。

发明内容

本发明的目的是解决现有气体喷射泵设计方法效率不高以及计算过程较为复杂的问题，提供一种气体喷射泵设计方法。

本发明的技术方案是：

一种气体喷射泵设计方法，包括以下步骤：

步骤一、获取混合流体速度系数λ_c2；

1.1)根据动量守恒方程，计算喷射泵进口截面混合流体速度系数λ'_c2；

n—喷嘴的非设计度；

k_p—动力流体比热比；

—临界压比，

σ_p—喷嘴总压损失系数；

λ_p1—动力流体喷嘴出口速度系数；P_p1—动力流体在喷射泵进口截面A2处的静压；

—动力流体总压；

μ—流量系数；

W_k为被引射流体的气流速度；

动力流体的特征速度

k_p—动力流体比热比，R_p—动力流体的气体常数；

—动力流体的总温；

被引射流体的特征速度

k_k—被引射流体比热比；R_k—被引射流体的气体常数；

—被引射流体的总温；

混合流体的特征速度

k_c—混合流体比热比；R_c—混合流体的气体常数；

—混合流体的总温；

1.2)根据能量守恒方程，计算喷射泵进口截面混合流体速度系数

—动力流体总焓；

—被引射流体总焓；

h_p2—动力流体在混合后的焓值；

h_k2—被引射流体在混合后的焓值；

1.3)计算混合流体速度系数λ_c2；

步骤二、计算正激波前气流总压和正激波后气流总压；

2.1)计算正激波前气流总压

在喷射泵进口截面A2上已知：

根据速度系数计算出正激波前气流总压，正激波前气流总压

为

P_c2—混合流体在喷射泵进口截面处的静压；

P_k—被引射流体在喷射泵进口截面处的静压；

σ₁—由于摩擦引起的超声速段的总压损失系数；

2.2)计算正激波后气流总压

根据速度系数计算出正激波后气流总压，正激波后气流总压

为

P_b—喷射泵出口压力；

λ_e—喷射泵出口气流速度系数；

σ₂—由于摩擦引起的亚声速段的总压损失系数；

步骤三、进行迭代计算，得到喷射泵的流量系数；

由正激波前后总压比关系式以及公式(9)、公式(11)，得到气流正激波前后总压的平衡关系式：

σ_s—激波前后总压损失系数；

对流量系数进行迭代计算，使得正激波前气流总压与正激波后气流总压满足能量平衡关系式(12)，得到迭代计算后的流量系数；

步骤四、根据步骤三确定的流量系数，求出其他参数。

进一步地，步骤1.1)中，σ_p＝0.95；步骤2.1)中，σ₁＝0.95；步骤2.2)中，σ₂＝0.97；步骤三中，σ_s＝0.98。

本发明的优点为：

1.本发明方法涉及气体喷射泵一维流计算方法，由两种不同气流在混合过程中应同时满足动量方程和能量方程入手，计算混合流体的速度系数，进而根据能量平衡的原则，确定喷射泵的流量系数和相关参数，从而提高了喷射泵的效率。

2.本发明气体喷射泵设计方法考虑喷射泵内部气体实际流动过程，允许动力流体喷嘴出口静压与吸入口被引射流体压力的差异，与其它喷射泵设计方法相比，操作性强，经过与水蒸汽喷射泵、常温空气喷射泵的多次试验数据进行比对，喷射泵计算结果与试验数据相互符合。

附图说明

图1为气体喷射泵工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明方法对气体喷射泵(动力流体：常温气体、高温气体或过热水蒸汽)的实际流动过程建立模型，在其他参数已知的条件下计算动力流体的流量，在此基础上可通过现有方法进行喷射泵的气动型面和结构设计。本发明气体喷射泵设计计算方法考虑喷射泵内部气体实际流动过程，允许动力流体喷嘴出口静压与吸入口被引射气体静压的差异，与实际的气体流动过程相符，能够在喷射泵吸入口压力不同的情况下，准确评估喷射泵的性能。

本发明气体喷射泵的设计原理为：

1.已知计算条件：气体喷射泵入口处被引射气流的静压、流量以及其他相关的热力学参数(气体比热比、气体常数等)；喷射泵动力流体的静压以及相关的热力学参数(气体比热比、气体常数等)。

2.设定喷射泵出口压力：根据喷射泵吸入口静压和大气压力之比设定喷射泵的级数，进而确定各级喷射泵的出口压力。

3.计算气体喷射泵动力流体流量：

①根据气体喷射泵的实际流动过程，依次建立气体流动的连续方程、动量方程、能量过程，并考虑动力流体喷嘴出口静压与吸入口被引射气体压力的差异，计算喷射泵进口截面动力流体与被引射气体混合后的气流速度系数。

②由喷射泵进口截面气流速度系数和吸入口气体静压计算喷射泵内部正激波前气流总压。③设定喷射泵出口气流速度系数，由此计算正激波后混合流体的总压。④根据正激波前后气流总压应满足的能量平衡关系，确定动力流体的流量。

本发明提供的气体喷射泵设计方法包括以下步骤：

设定被引射流体的流量、进口压力、动力流体的进口压力、气体喷射泵的出口压力，初步预估动力流体的流量；

步骤一、混合流体速度系数λ_c2；

喷射泵一维流理论计算方法的流程如下：

1.1)利用动量守恒方程，计算喷射泵进口截面混合流速度系数λ'_c2；

在喷嘴出口截面A₁处，动力流体、被引射流体及混合流体的动量方程为：

P_p1—动力流体在喷射泵进口截面A2处的静压；

P_k—被引射流体在喷射泵进口截面A2处的静压；

P_c2—混合流体在喷射泵进口截面A2处的静压；

A₁—喷嘴出口截面的气流流动截面面积；

A₂—与喷嘴出口截面重合的喷射泵进口截面的气流流动截面面积；

—动力流体的气流质量流量；

—被引射流体的气流质量流量；

W_p—动力流体的气流速度；

W_k—被引射流体的气流速度；

W_c2—混合流体的气流速度；

假设在喷射泵进口截面A2处，混合流体压力与被引射流体压力相同，动力流体压力与被引射流体压力不同：

P_c2＝P_k， P_k＝nP_p1 (2)

n—喷嘴的非设计度；

利用气体流量公式

可得：

k_p—动力流体比热比；

—临界压比；

σ_p—喷嘴总压损失系数；

—动力流体总压；

λ_p1—动力流体喷嘴出口速度系数，设计参数；

动力流体的特征速度

k_p—动力流体比热比，R_p—动力流体的气体常数；

—动力流体的总温；

将关系式

流量系数

及公式

及(2)、(3)代入(1)式，得到混合流体速度系数λ'_c2，

—动力流体的质量流量；

—被引射流体的质量流量；

被引射流体的特征速度

k_k—被引射流体比热比；R_k—被引射流体的气体常数；

—被引射流体的总温；

混合流体的特征速度

k_c—混合流体的比热比；R_c—混合流体的气体常数；

—混合流体的总温；

假设在进口截面A₂截面处，动力流体、被引射流体及混合流体的能量平衡方程为：

式中：h_p1、h_k1—分别为动力流体、被引射流体在A₂截面处的焓值；

h_p2、h_k2—分别为动力流体、被引射流体在混合后的焓值；

将关系式

流量系数

代入(5)式，并考虑到：

得到混合流体速度系数

—动力流体总焓；

—被引射流体总焓；

1.3)λ'_c2和λ"_c2相符合，两种气流混合过程应同时满足动量方程和能量方程，混合流体速度系数可取值为：

步骤二、计算正激波前气流总压和正激波后气流总压；

2.1)设

和

分别为正激波前后的总压，在喷射泵进口截面A₂上得到：

P_c2—混合流体在喷射泵进口截面处的静压；

P_k—被引射流体在喷射泵进口截面处的静压；

σ₁—由于摩擦引起的超声速段的总压损失系数；

正激波前气流总压

为

2.2)在喷射泵出口截面上有

正激波后气流总压

为

P_b—喷射泵出口压力；

λ_e—喷射泵出口气流速度系数；

σ₂—由于摩擦引起的亚声速段的总压损失系数；

由正激波前后总压比关系式以及公式(9)、(11)，得到气流正激波前后的总压需满足的平衡关系式：

式中：σ_s—激波前后总压损失系数；

步骤三、进行迭代计算，得到喷射泵的流量系数；

根据能量守恒，气流激波前后的总压要求能够满足能量平衡关系式；

在一定流量系数μ下，由

即可确定喷射泵的流量系数及喷嘴出口截面A1处混合流体的速度系数；如果

则改变流量系数，转入步骤一、步骤二、步骤三，继续进行计算，直至激波前后总压满足能量平衡关系式(12)为止。

步骤四、根据步骤三得到的流量系数，即可通过已知方法进行计算，进而可求出其他参数。在此基础上，能够进行喷射泵的气动型面设计和结构设计。

在上述方法中，相关设计参数取值可为：σ₁＝0.95，σ₂＝0.97，σ_s＝0.98，σ_p＝0.95。

Claims

1.一种气体喷射泵设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、获取混合流体速度系数λ_c2；

n—喷嘴的非设计度；

k_p—动力流体比热比；

—临界压比，

σ_p—喷嘴总压损失系数；

—动力流体总压；

μ—流量系数；

W_k为被引射流体的气流速度；

动力流体的特征速度

k_p—动力流体比热比，R_p—动力流体的气体常数；

—动力流体的总温；

被引射流体的特征速度

k_k—被引射流体比热比；R_k—被引射流体的气体常数；

—被引射流体的总温；

混合流体的特征速度

k_c—混合流体比热比；R_c—混合流体的气体常数；

—混合流体的总温；

1.2)根据能量守恒方程，计算喷射泵进口截面混合流体速度系数λ"_c2；

—动力流体总焓；

—被引射流体总焓；

h_p2—动力流体在混合后的焓值；

h_k2—被引射流体在混合后的焓值；

1.3)计算混合流体速度系数λ_c2；

步骤二、计算正激波前气流总压和正激波后气流总压；

2.1)计算正激波前气流总压

在喷射泵进口截面A2上已知：

根据速度系数计算出正激波前气流总压，正激波前气流总压

为

P_c2—混合流体在喷射泵进口截面处的静压；

P_k—被引射流体在喷射泵进口截面处的静压；

σ₁—由于摩擦引起的超声速段的总压损失系数；

2.2)计算正激波后气流总压

根据速度系数计算出正激波后气流总压，正激波后气流总压

为

P_b—喷射泵出口压力；

λ_e—喷射泵出口气流速度系数；

σ₂—由于摩擦引起的亚声速段的总压损失系数；

步骤三、进行迭代计算，得到喷射泵的流量系数；

σ_s—激波前后总压损失系数；

步骤四、根据步骤三确定的流量系数，求出其他参数。

2.根据权利要求1所述的气体喷射泵设计方法，其特征在于：

步骤1.1)中，σ_p＝0.95。

3.根据权利要求1所述的气体喷射泵设计方法，其特征在于：

步骤2.1)中，σ₁＝0.95。

4.根据权利要求1所述的气体喷射泵设计方法，其特征在于：

步骤2.2)中，σ₂＝0.97。

5.根据权利要求1所述的气体喷射泵设计方法，其特征在于：

步骤三中，σ_s＝0.98。

6.根据权利要求1所述的气体喷射泵设计方法，其特征在于：

步骤1.1)中，σ_p＝0.95；

步骤2.1)中，σ₁＝0.95；

步骤2.2)中，σ₂＝0.97；

步骤三中，σ_s＝0.98。