CN111026176A - 一种高精度自适应的真空度控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度自适应的真空度控制系统，其包括真空室，进气管道，喷管和排气组件，所述排气组件包括彼此相连并同轴配置的可调节收集段，等直段和扩散段，所述排气组件穿过所述真空室壁进行设置，所述可调节收集段位于真空室内，其进气口面积可调，所述扩散段位于真空室外，所述喷管配置于真空室内，经由所述进气管道与真空室外的气源相连，所述喷管与所述排气组件彼此相间隔地同轴配置。本发明结构简单、并且在真空度高的前提下，不仅能够进行简单的真空度调节，还能够自适应稳定在某一所需真空度。

Description

一种高精度自适应的真空度控制系统

技术领域

本发明涉及一种自适应连续可调节真空度的设备，主要应用于风洞真空系统、真空罐、真空舱以及其他对真空度有控制要求的设备中。

背景技术

在一些低密度环境的光学相关的试验之中，需要保证试验空间之内的静压力保持稳定。特别是对于一些有关空气动力学的低密度环境光学试验之中，由于试验空间内部有较大的流体质量交换，需要专门的系统进行静压力的控制。

在控制试验空间内部的真空度时，一般会采用真空泵系统或引射排气系统控制其真空度。如果采用闭环真空度控制系统，其不仅需要真空泵，还需要测控系统和阀门系统进行控制，其系统复杂，集成成本高，控制难度大。而且真空泵的抽吸能力受其适用范围影响大，偏离适用压力时，其抽吸能力下降迅速。而引射器排气系统由引射器、混合段和扩散段组成。其抽吸能力受到引射压力和主气流同时确定，调节性能较差，抽吸能力受各方面影响大。如果想控制压力，对于不同的试验状态需要单独调试才能得到。

对于超声速风洞的喷管和超扩段结构而言，其一般具有以下三种状态。一种是喷管主气流完全膨胀，试验舱静压稳定，喷管主气流恰好全部进入超扩段，试验舱内部静压稳定。第二种是喷管未达到最终膨胀状态，试验舱静压较高，喷管主气流带动一部分周边的流体进入超扩段，试验舱静压逐渐降低至设计状态。第三种是喷管处于过膨胀状态，试验舱静压较低，喷管主气流超过了超扩段所能排出的极限，一部分多余气体溢出，补充到试验舱之中，试验舱压力逐渐升高达到设计状态。可以看出，对于超声速风洞而言，可以通过控制喷管流量和超扩段控制风洞试验舱的真空度。在超扩段抽吸能力足够的前提下，喷管的膨胀程度取决于收集段的入口尺寸。较大的收集段入口能够使主气流离开喷管后更为充分的膨胀，而较小的收集段入口会使得主气流离开喷管后膨胀程度较小。

发明内容

本发明设计了一种高精度自适应的真空度控制系统，解决了真空系统结构复杂，集成难度高；引射排气系统调节难度大，无法自适应控制的问题。

本发明的高精度自适应的真空度控制系统包括真空室，进气管道，喷管、和排气组件，所述排气组件包括彼此相连并同轴配置的可调节收集段，等直段和扩散段，所述排气组件穿过所述真空室壁进行设置，所述可调节收集段位于真空室内，其进气口面积可调，所述扩散段位于真空室外，所述喷管配置于真空室内，经由所述进气管道与真空室外的气源相连，所述喷管与所述排气组件彼此相间隔地同轴配置。

优选所述喷管的内腔包括喷管前室，喷管收缩段，喷管扩张段和混合段。

优选所述可调节收集段能够设计为方形，上下各有1个调节片，通过铰链与等直段入口处相连，根据试验需求调节调节片位置，控制收集段入口面积。

优选所述可调节收集段能够制成进气口面积不同的多种规格成品件，根据试验需求，进行更换。

优选所述喷管前室具有一定的稳定气流的能力，喷管收缩段通过收缩将气流加速至声速，所述喷管扩张段将声速气流加速至设计马赫数，能够根据不同的真空度和调节能力范围，自由更换喷管马赫数。

优选所述真空室具有根据试验所需的空间进行设计的保证密封的空间

有益效果：

本发明采用较为简单的结构，实现了自适应控制真空度的作用，而且真空度可以进行自由调节。

不仅可以将较高的真空室压力自动抽吸至设计压力，还能将较低的真空室压力补充气体提高至设计压力，这些过程均为自动完成的，不需要额外的控制系统。

可以通过更换喷管马赫数的方法，根据实验需要自由匹配喷管马赫数、前室压力等参数，这样可适应于不同的真空度需求，根据需要改变系统的调节能力，具有非常大的适用范围。

附图说明

图1是本发明高精度自适应的真空度控制系统的结构示意图。

图2是自适应控制原理图示意图。(1)表示真空室压力较高，主流抽吸降低真空室压力；(2)表示真空室压力较低，主流溢出增加真空室压力；(3)表示真空室达到设计压力，主气流全部被排出。

图3是调节收集段面积控制压力原理示意图。(1)表示收集段入口面积小，主流膨胀程度较低，平衡静压较高；(2)表示收集段入口面积大，主流膨胀程度较大，平衡静压较低。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，该高精度自适应的真空控制系统由真空室1，进气管道2，喷管3，喷管前室4，喷管收缩段5，喷管扩张段6，混合段7，可调节收集段8，等直段9，扩散段10组成。可调节收集段8，等直段9，扩散段10彼此同轴相连，混合段7与可调节收集段8彼此相间隔地同轴配置。

其中真空室1可根据具体试验所需的空间进行设计，需要保证一定的密封程度，结构形式并无特殊相关要求。

进气管道2由真空室外穿入真空室内部，其应上游应具备气源系统，具备一定的压缩空气量和一定程度的调压能力。

喷管3的内腔结构由喷管前室4，喷管收缩段5，喷管扩张段6组成，喷管前室具有一定的稳定气流的能力，喷管收缩段通过收缩将气流加速至声速，而喷管扩张段将声速气流加速至设计马赫数。针对不同的真空度和调节能力范围，可以自由更换喷管马赫数。

图2是自适应控制原理图，如图2(1)所示，真空室压力较高，主流抽吸降低真空室压力；图2(2)为真空室压力较低的情况，主流溢出增加真空室压力；图2(3)为真空室达到设计压力，主气流全部被排出。

混合段7是主气流与真空室内部空气接触、混合的部段。如图2所示，其作用是在真空室压力较低时，通过主气流的溢出为真空室补充流体介质；在真空室压力较高时，通过主气流的抽吸能力，将多余流体介质带离真空室，最终达到真空度的自适应调节。

图3是调节收集段面积控制压力原理，如图3(1)所示，收集段入口面积小，主流膨胀程度较低，平衡静压较高；图3(2)为收集段入口面积大，主流膨胀程度较大，平衡静压较低。

可调节收集段8，是通过调节其入口面积，调节主气流离开喷管后的膨胀程度，达到控制真空度的作用。如图3所示，当可调节收集段入口面积较小时，主气流离开喷管后膨胀程度小，主气流静压高，真空室内自适应达到的静压较高；而当可调节收集段入口面积较大时，主气流离开喷管后膨胀程度大，主气流静压低，真空室内自适应达到的静压较低。

等直段9是一个等直管道，其能够保证超声速主气流保持其超声速状态，使下游的压力波动不影响到上游气流。

扩散段10是一个扩散的管道，其作用是将主气流的速度降低，使其动压恢复成静压。其后根据需求可直接将主气流排出，或者连接引射排气或大流量真空泵组将主气流排出。

工作过程：

对于真空室内部没有气体介质进出的情况下，真空室的真空度与喷管前室总压、收集段入口面积是一一对应的。而对于有气体介质进出时，需要使用系统的自适应平衡能力控制真空室内部压力。

无气体介质进出真空室时：

1.根据实验所需的真空度，查询调试参数确定最佳的喷管总压和收集段入口面积，事先将其调节至相应参数。

2.开启喷管，真空室内部压力逐渐降低至所需真空度。

3.完成实验，关闭喷管。

有气体介质进出真空室时：

1.根据实验所需的真空度和气体交换量，查询调试参数确定喷管总压和收集段入口面积的大概参数。

2.开启喷管，真空室内压力逐渐降低至某一真空度。

3.根据实验需求调节收集段入口面积。若真空度较高，则增加收集段入口面积，若真空度较低，则降低收集段入口面积，直至真空室压力达到试验所需的真空度。

4.试验结束，关闭喷管。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种高精度自适应的真空度控制系统，其特征在于：包括真空室，进气管道，喷管和排气组件，所述排气组件包括彼此相连并同轴配置的可调节收集段，等直段和扩散段，所述排气组件穿过所述真空室壁进行设置，所述可调节收集段位于真空室内，其进气口面积可调，所述扩散段位于真空室外，所述喷管配置于真空室内，经由所述进气管道与真空室外的气源相连，所述喷管与所述排气组件彼此相间隔地同轴配置。

2.根据权利要求1所述的高精度自适应的真空度控制系统，其特征在于：所述喷管的内腔包括喷管前室，喷管收缩段，喷管扩张段和混合段。

3.根据权利要求1所述的高精度自适应的真空度控制系统，其特征在于：所述可调节收集段设计为方形，上下各有1个调节片，通过铰链与等直段入口处相连，根据试验需求调节调节片位置，控制收集段入口面积。

4.根据权利要求1所述的高精度自适应的真空度控制系统，其特征在于：所述可调节收集段能够制成进气口面积不同的多种规格成品件，根据试验需求，进行更换。

5.根据权利要求2所述的高精度自适应的真空度控制系统，其特征在于：所述喷管前室具有一定的稳定气流的能力，喷管收缩段通过收缩将气流加速至声速，所述喷管扩张段将声速气流加速至设计马赫数，能够根据不同的真空度和调节能力范围，自由更换喷管马赫数。

6.根据权利要求1所述的高精度自适应的真空度控制系统，其特征在于：所述真空室具有根据试验所需的空间进行设计的保证密封的空间。

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