CN110608205A - 引射充气系统用引气环 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种引射充气系统用引气环，其特征在于，所述引气环上设置有多个引射喷嘴，所述多个引射喷嘴均分在引气环一直径线的两侧，所述引气环上位于所述直径线同一侧的多个引射喷嘴均布设置在180°‑2α的圆心角度范围内，α表示靠近直径线端部的引射喷嘴相对于直径线的角度。该设备能够在危机发生时进行快速引射充气，使得充气容积达到救生用压力范围后尽快帮助旅客逃生。

Description

引射充气系统用引气环

技术领域

本发明属于航空、航海、消防应急逃生领域，特别涉及一种旅客逃生快 速引射充气系统引射器。

背景技术

旅客逃生快速引射充气系统由高压气源(比如装有高压气体的气瓶)、高 压减压稳压阀、高压引射器以及高压引气管路等组成，如图1所示。引射器 结构如图2所示，其中喷嘴可以优选采用扩张喷嘴以及拉法尔喷嘴两种形式。 高压气源10内装高压N₂与CO₂混合工质，高压减压稳压阀20将混合工质 压力降低到引射所需压力，混合工质流进引射器40，吸入大量环境大气共同 进入充气容积(未图示)进行快速引射充气，缩短充气时间，尽快帮助旅客 逃生。混合工质流量为引射流量，吸入的环境大气流量为吸入流量，吸入流 量与引射流量之比为引射比。

旅客逃生快速引射充气系统需要在尽可能短的时间内使充气容积达到要 求的压力，因此要求该系统引射流量大，引射比高，同时系统体积、重量不 能太大。高压气源中混合工质组分、充装质量、引射压力、高压引射器结构 等参数对系统要求的性能都有很大影响，这些参数需要进行合理设计确定， 以便于快速引射充气系统的广泛应用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明的第一方面提供了一种引 射充气系统用引气环，其特征在于，所述引气环上设置有多个引射喷嘴，所 述多个引射喷嘴均分在引气环一直径线的两侧，所述引气环上位于所述直径 线同一侧的多个引射喷嘴均布设置在180°-2α的圆心角度范围内，α表示 靠近直径线端部的引射喷嘴相对于直径线的角度，0°＜α。

本发明的第二方面提供一种引射充气系统用引气环，其特征在于，所述 引气环上设置有多个用来安装引射喷嘴的开口，多个所述开口均分在引气环 一直径线的两侧，所述引气环上位于所述直径线同一侧的多个开口均布设置 在180°-2α的圆心角度范围内，α表示靠近直径线端部的开口相对于直径 线的角度，0°＜α。

在如上所述的引气环中，优选：0°＜α＜30°。

在如上所述的引气环中，优选：α＝26°～27.5°。

在如上所述的引气环中，优选：α＝10°～15°

在如上所述的引气环中，优选：沿着所述直径线设置有一与所述引气环 连通的高压引气管，所述高压引气管的轴线与所述直径线重合，来自于高压 引气管的气体通过引射喷嘴喷出。

在如上所述的引气环中，优选：所述引气管固定于高压引气管。

在如上所述的引气环中，优选：所述引射喷嘴为拉法尔喷嘴，所述拉法 尔喷嘴的入口直径D1＝2.5mm～3.5mm；所述拉法尔喷嘴的出口直径 D2＝2.5mm～3.5mm。

在如上所述的引气环中，优选：D1＝D2。

在如上所述的引气环中，优选：所述引射喷嘴为拉法尔喷嘴，所述拉法 尔喷嘴的喉部直径D3＝1.7mm～2.0mm。

通过实验验证可知，如果采用上述结构的引气环用于救急逃生用引射充 气系统，能够实现快速充气的目的，甚至引射过程中的引射比可以达到2.5 以上，可使得救急逃生用气囊快速充满气体。

本发明的其他特征和优点将在如下的具体实施方式部分详细描述。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本 发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限 定。

图1为旅客逃生快速引射充气系统的结构示意图。

图2为高压引射器结构图。

图3示出了混合工质中N₂含量对充气性能的影响图。

图4为带引气环的18喷嘴引射器喷嘴布局图。

图5为拉法尔喷嘴结构示意图。

图中的附图标记说明如下：

10高压气源；20高压减压稳压阀；30高压引气管道；35高压引气管； 40引射器；50引射流入口；60混合室；70吸入室；80引射喷嘴；350高压 引气管封闭端；553内引气环；557外引气环；Dh混合室直径；Lh混合室总 长度。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发 明的实施方式作进一步地详细描述。应当理解的是，此处所描述的具体实施 方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、 “右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图 所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示 或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作， 因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅 用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语 “安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以 是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是 直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对 于电和通信领域而言，可以是有线连接，也可以是无线连接。对于本领域的 普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的优选实施例提供了一种旅客逃生快速引射充气系统引射器。

1、高压气源N₂与CO₂混合工质组分的确定

高压气源体积有限，且以高压形式储存于高压气瓶中，快速引射充气系 统只能在短时间内利用有限的混合工质尽可能多地吸入环境空气，提高引射 阶段流入充气容积中的气体质量。因此参数设计应尽可能提高引射流量及引 射比。

发明人发现，高压气源工质由纯N₂逐渐增加CO₂含量过程中，即随混 合工质N₂质量分数的降低，系统引射流量逐渐升高，吸入流量变化不明显， 引射比逐渐降低。由这方面看，混合工质中N₂含量高对快速充气有利，因为 在这种情况下引射比高，说明引射效率高，有限的混合工质质量能吸入更多 的环境空气。然而，当高压气源中N₂含量很高时，同样容积、压力下气源中 储存的工质质量非常少，在引射过程中，随气源工质消耗，气源中剩余工质 压力降低非常快，大大缩短引射充气时间，引射充气过程过短，从而降低了 引射过程中吸入充气容积中的环境空气量，达不到充气压力,降低旅客安全逃 生机会。因此，适当提高混合工质中CO₂含量，可以有效增加高压气源中的 工质质量，维持引射过程中气源压力，延长引射过程，从而吸入足够的环境 空气，满足充气容积所需压力，使旅客能够安全逃生。当然随高压气源混合 工质中CO₂含量的增加，气源充装工质质量增加很快，使快速引射充气系统 重量增加，对系统不利。

高压气源工质中N₂的质量分数、引射比与混合气质量(充气容积)之间 的关系如图3所示。

根据图3可知，混合工质组分需要合理确定，首先应保证系统充气容积 需求，在此情况下尽可能提高引射器的引射比，同时减少气源混合工质总质 量。由图3可见，当混合气中N₂质量分数低于0.4左右时，混合气质量增加 非常快，N₂含量继续降低，引射效率明显比较低，对充分利用气源中的工质 不利。

因此，本发明选用CO₂与N₂的混合气作为充气高压气源用混合工质， 并且根据发明人的研究将CO₂与N₂混合工质中的N₂的质量组分范围确定为 0.4～0.7(即，N₂的质量分数为40％-70％)，例如可以为0.45、0.48、0.50、0.53、 0.55、0.57、0.60、0.62、0.65、0.68等。

另外，高压气瓶中CO₂与N₂的混合气以2MPa～5MPa的压力范围存在， 例如可以为2.2MPa、2.4MPa、2.6MPa、3MPa、3.3MPa、3.6MPa、3.9MPa、 4.0MPa、4.1MPa、4.4MPa、4.6MPa、4.8MPa等。

作为存放上述混合工质的高压气瓶，可以采用任何能承受上述压力且不 会与混合工质中任一气体发生反应的材质来制成。

2、引射压力

对于快速引射充气系统，引射压力均很高，引射压力与系统背压之比远 大于10，喷嘴出口为超音速气流。在这种情况下，引射压力提高可以成比例 的增大引射流量，但引射比将降低，引射效率低对充分利用气源工质不利。 另一方面，引射压力过低会由于引射流量低造成过低的混合流量，达不到充 气要求。因此引射压力设置非常重要，合理设置该压力也可以使系统达到快 速、高效的充气要求。为保证系统引射效率，对于拉法尔喷嘴引射器，优选 引射流入口处的总压绝对压力不大于3.4MPa；对于扩张喷嘴引射器，优选引 射流入口总压绝对压力不大于3.8MPa。

也就是说，图1中的高压减压稳压阀出来的气体压力，可以根据喷嘴的 类型选择不同的压力。

3、引射器结构

如图1、2所示，作为本发明的发明人研发的引射充气系统用引射器，该 引射器包括：吸入室70、混合室60，和设置于所述吸入室70内的引射部， 该引射部包括：与高压气源连接的高压引气管35；与高压引气管35连通并 设置于吸入室内的引气部件(引气环)，以及安装在引气部件上的多个引射喷 嘴80；

来自高压气源10的气体，在经过高压减压稳压阀20降低到规定的压力 后，通过一个或者多个高压引气管道30来到高压引气管35的引射流入口处、 进而再通过引气部件以及引射喷嘴80被喷入混合室60，高压气体进入引射 器时，会有大量的环境大气从吸入室70的大气开口端被吸入并形成吸入流， 进而进入混合室60内与来自引射部件的高压气体混合，形成混合流后再共同 进入充气容积(比如救生气囊)，进行快速引射充气，使得充气容积达到救生 用压力范围后尽快帮助旅客逃生。

其中，高压引气管35可以固定于吸入室70，引气部件可固定于高压引 气管35上，他们也可根据需要直接安放于吸入室70。

而作为引气部件的具体实施方式，经常采用环形的引气环来实现发明目 的，比如在一定尺寸的引气环上开设有多个开口，引射喷嘴通过该开口安装 在引气环上，但是为了达到快速充气的目的，发明人发现需要把开口位置或 者说引射喷嘴的配置位置进行一定的限定。

比如将引气环上设置有的多个引射喷嘴均分在引气环一直径线的两侧， 要求引气环上位于直径线同一侧的多个引射喷嘴均布设置在180°-2α的圆 心角度范围内，α表示靠近直径线端部的引射喷嘴相对于直径线的角度。

也可以说是将引气环上设置有的多个用来安装引射喷嘴的开口均分在引 气环一直径线的两侧，且引气环上位于直径线同一侧的多个开口均布设置在 180°-2α的圆心角度范围内，α表示靠近直径线端部的开口相对于直径线 的角度。

可以根据引气环的尺寸以及安放引气环的引射器的尺寸来确定角度α 的大小，比如α＜30°或者α＝10～15°，在此角度范围内，能够更好地满 足快速充气的需要。

而作为引气环，可以是只设置一个其上布置有多个引射喷嘴80的一个引 气环，也可以包括分别设置有多个引射喷嘴80的多个引气环，比如内引气环 553和外引气环557，其中内引气环553与外引气环557均与高压引气管35 相连通。

作为内引气环553与高压引气管35连通的方式，可以是高压引气管35 与内引气环553在一处连通，也可以是两处连通，两处连通时，优选是沿着 内引气环的直径方向上与内引气环连通。

同样，作为外引气环557与高压引气管35连通的方式，可以是高压引气 管与外引气环在一处连通，也可以是两处连通，两处连通时，优选是沿着外 引气环的直径方向上与外引气环连通。

另外，高压引气管的封闭端350可以是设置于吸入室壁部，也可以是设 置于引气环的壁部(有内外引气环时可以是外引气环壁部)，还可以设置于引 气环壁部与吸入室壁部之间。

如图2所示，吸入室70由包括两段：锥台形的第一段和圆筒形的第二段， 其中第一段的大口径端(面向大气的开口端)是吸入室的环境大气开口端， 是吸入气流的流入端，第一段的小口径端是与第二段连接的一端。

作为引射喷嘴80在引气环上的分布方式，可以是多个引射喷嘴80在整 个引射环上均匀分布，也可以是均分在引气环的某一直径线的两侧一定的角 度范围内，在该一定的角度范围内，可以是均匀分布，也可以是基于需要的 其他分布，沿着该直径线设置高压引气管35。

引射器的喷嘴数量及布局

引射器喷嘴数量与引射器混合室大小有关，混合室大小随快速引射充气 系统充气容积变化，充气容积大时要求引射流量以及混合流量高，引射器混 合室相应也比较大。对于同样的引射器混合室，喷嘴数量以及布局对引射效 率影响非常显著。为保证系统比较高的引射效率，喷嘴数量不可过少也不能 过多，对于一定的喷嘴数量，喷嘴应选择合适的布置位置，布置位置随喷嘴 数量而变化。

对于混合室直径为80～100mm范围，优选引射喷嘴的数量设置为18个， 引射喷嘴相对于混合室空间的布局位置分析如下。

如图4所示，引射器吸气室内设置内外两个引气环，其中18个引射喷嘴 安装在引气环上，也就是说，在引气环上设置有18个用来安装引射喷嘴的开 口，高压混合工质(可以是任何能满足充气救生用的高压气体，优选CO₂与 N₂的混合气)引射流由高压引气管35引导而到达内外引气环，经引气环进 入18个引射喷嘴进而喷射进混合室，在高压混合工质被射入混合室的同时， 环境中的低压空气沿混合室轴向被引射吸入到吸入室，进而进入混合室。

作为18个引射喷嘴的布置方式，可以如图4那样，在外引气环上布置 12个引射喷嘴，在内引气环上布置有6个喷嘴，作为引气环与引射喷嘴的关 系，可以是引气环上设置有用来安装引射喷嘴的开口，也可以是引射喷嘴与 引气环形成为一体，具体可以根据实际需要来选择，一般优选前者。

外引气环上设置的12个引射喷嘴(也可以说是用来安装喷嘴的开口)对 称布置在高压引气管的管轴线两侧，靠近引气管的喷嘴相对于高压引气管35 的管轴线的角度用β表示，每侧的6个喷嘴均匀分布在180°-2β角度范围 内。内引气环上布置的6个喷嘴(也可以说是用来安装喷嘴的开口)，也是对 称布置在高压引气管35的管轴线两侧，靠近引气管的喷嘴相对于管轴线的角 度用α表示，每侧的3个喷嘴均匀分布在180°-2α角度范围内。假设混合 室直径为D，内引气环中心线直径为d，内外引气环中心线相距δ。则图4 中喷嘴布置位置优选满足如下关系：

α＜30°，比如10°、12°、15°、18°、20°、22°、25°、26.5°、 27°、28°、28.5°、29°、29.5°等，优选为26°～27.5°；β＝10～15°， 比如11°、11.5°、12°、12.5°、13°、13.5°、14°、14.5°等。

根据实验验证可知，如果采用这样结构的引射器，引射过程中的引射比可 以达到2.5以上，达到了快速充气的要求。

4拉法尔喷嘴大小

作为上述的引射喷嘴，可以采用拉法尔喷嘴，也可以采用扩张喷嘴。下 面以拉法尔喷嘴为例说明对喷嘴结构的要求。拉法尔喷嘴的结构如图5所示， 入口、喉部及出口直径分别为D1、D2、D3，出口直径D3不能小于喉部直 径D2。喷嘴入口、出口直径变化可以显著影响引射流量、引射效率。大引射 流量和高引射效率可以充分利用气源高压工质提高充气容积、缩短充气时间， 实现快速充气。

喷嘴入口直径在一定范围内可以调整引射流量，但对引射效率影响不明 显，随入口直径增大引射流量提高，当增大到一定值后引射流量不再变大， 此时入口直径达到最佳状态，可以使引射器在一定的引射压力下获得较高的 引射流量。

喷嘴出口直径在一定范围内改变引射效率，对引射流量影响不明显，随 着出口直径增大引射效率明显提高，当增大到一定值后引射效率不再提高， 达到最大值，此时出口直径达到最佳状态。因此出口直径存在最大值，在此 状态下引射器处于高效工作状态。

喷嘴的入口以及出口直径最佳值需根据引射器总体结构，利用CFD分析 软件【一种商用软件】确定。最大喷嘴入口直径的确定方法为：在仿真软件 中将喷嘴入口直径D1参数化，修改尺寸数值其余尺寸固定不变并仿真分析， 根据最大引射流量确定最佳入口直径；同样在仿真软件中将喷嘴出口直径D3 参数化，修改尺寸数值其余尺寸固定不变并仿真分析，根据最大引射比确定 最佳出口直径。

对于前面所说的18喷嘴引射器，当混合室直径在80～100mm范围内， 拉法尔喷嘴入口直径D1的范围为2.5～3.5mm，喉部直径D2的范围为 1.7～2.0mm，出口直径D3范围为2.5～3.5mm。D1、D2和D3满足如下关系：

D1＝D3

混合室直径为100mm左右时，D1＝D3≈2·D2，喷嘴入口、出口直径 最佳值为3.5mm。

5、混合室的长径比

另外，混合室的尺寸结构也会对引射效率以及吸气流量具有一定的影响。 这其中一个重要的参数就是引射器混合室长径比。

如图2所示，混合室2包括等截面尺寸的第一段和变截面尺寸的第二段， 其中第一段是一端与吸入室连接，接收来自引射喷嘴的高压工质气体或者N2 以及自吸入室70吸入的环境大气气体，其另一端与第二段的小口径端连接， 第二段随着远离小口径端，直径变大，将混合得到的气流导入救生用充气容 积比如气囊。第一段和第二段的总长度是Lh，引射器混合室长径比为混合室 的总长度Lh与混合室的等截面段的直径Dh之比。

混合室长径比对引射性能的影响趋势是变化的。长径比很小时，同样的 高压工质吸气流量低，引射效率低；随长径比增大，引射效率逐渐升高，但 长径比超过3时，引射比提高不再显著，再继续增加长径比反而会降低引射 比。引射器长径比不可过小，也不可过大，否则除了可能会降低引射效率外， 还使引射器体积及重量太大。

经综合考虑，本发明中混合室的长径比范围取2.2～3.0，例如可以为2.35、 2.45、2.45、2.60、2.75、2.90。

6、混合室的面积比

另外，本申请的发明人发现引射器混合室的面积也会对引射效率以及吸 气流量具有一定的影响。这其中一个重要的参数就是引射器混合室的面积比

引射器混合室的面积比为混合室等截面段流通面积与喷嘴最小流通总面 积之比。最小流通总面积即：喷嘴最细位置的截面积×喷嘴数。

在合理的喷嘴布局情况下，合理设计混合室的面积比可有效提高快速引 射充气系统的引射效率。面积比很小时，同样的高压工质吸气流量低，引射 效率低；随面积比增大，引射效率逐渐升高；但面积比增大到一定范围时， 引射比变化不大，再继续增加反而会降低引射比。因此，当引射比变化不大 时，应尽可能减小面积比以降低引射器体积及重量。

经综合考虑，本发明中混合室的面积比范围取130～190，这样可以保证 在不降低引射效率情况下，减小引射器的体积及重量。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征 的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举 例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的 改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种引射充气系统用引气环，其特征在于，

所述引气环上设置有多个引射喷嘴，

所述多个引射喷嘴均分在引气环一直径线的两侧，

所述引气环上位于所述直径线同一侧的多个引射喷嘴均布设置在180°-2α的圆心角度范围内，

α表示靠近直径线端部的引射喷嘴相对于直径线的角度，0°＜α。

2.一种引射充气系统用引气环，其特征在于，

所述引气环上设置有多个用来安装引射喷嘴的开口，

多个所述开口均分在引气环一直径线的两侧，

所述引气环上位于所述直径线同一侧的多个开口均布设置在180°-2α的圆心角度范围内，

α表示靠近直径线端部的开口相对于直径线的角度，0°＜α。

3.根据权利要求1或2所述的引气环，其特征在于，

α＜30°。

4.根据权利要求1或2所述的引气环，其特征在于，

α＝26°～27.5°。

5.根据权利要求1或2所述的引气环，其特征在于，

α＝10°～15°。

6.根据权利要求1或2所述的引气环，其特征在于，

沿着所述直径线设置有一与所述引气环连通的高压引气管，

所述高压引气管的轴线与所述直径线重合，

来自于高压引气管的气体通过引射喷嘴喷出。

7.根据权利要求1或2所述的引气环，其特征在于，

所述引气管固定于高压引气管。

8.根据权利要求1或2所述的引气环，其特征在于，

所述引射喷嘴为拉法尔喷嘴，

所述拉法尔喷嘴的入口直径D1＝2.5mm～3.5mm；

所述拉法尔喷嘴的出口直径D2＝2.5mm～3.5mm。

9.根据权利要求7所述的引气环，其特征在于，

D1＝D2。

10.根据权利要求1或2所述的引气环，其特征在于，

所述引射喷嘴为拉法尔喷嘴，

所述拉法尔喷嘴的喉部直径D3＝1.7mm～2.0mm。