CN111120422A - 一种抽真空引射器及发动机抽真空方法 - Google Patents

一种抽真空引射器及发动机抽真空方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种抽真空引射器及发动机抽真空方法，包括依次连接的一级喷嘴段、一级混合段、二级喷嘴段、二级混合段和扩张段，一级喷嘴段集成一级引射喷嘴和发动机抽真空口，一级引射喷嘴连接高压气源，将引射气流静压转化为动压，通过发动机抽真空口对发动机内腔抽真空；二级喷嘴段上安装二级引射喷嘴，对流经的气流进一步加速；一级混合段和二级混合段使气流充分混合；经二级混合段混合后的气流经扩张段增速后喷出，进入大气。本发明采用两级引射方式，极限引射能力高，可至2.7KPa以下，通过将抽真空口与一级引射喷嘴垂直设置，相比直通式，有效减少结构长度的同时，避免一级喷嘴段在流场中悬空，减小一级喷嘴段加工难度，同时可有效提高流场品质。

Description

一种抽真空引射器及发动机抽真空方法
技术领域
本发明涉及一种小型抽真空设备及抽真空方法，具体涉及一种抽真空引射器及发动机抽真空方法，可用于液体火箭发动机抽真空使用。
背景技术
液氧煤油发动机起动前，为保证推进剂燃料路进入发动机后能够迅速充填避免由于发动机内腔存在残余气体导致发动机在工作工程中出现汽蚀，因此在试前需对发动机燃料路进行抽真空处理。
目前液氧煤油发动机为保证发动机推质比，考虑抽真空设备尺寸、重量因素影响，抽真空过程主要依赖地面维护设备。地面抽真空设备在靶场需与发动机连接，且较长的连接管路增加了密封失效的可能性，且影响了发动机在靶场的使用维护性能。因此发动机若能自带一种结构重量小的抽真空引射装置即可提高发动机的使用维护性能。
目前国内液氧煤油发动机尚未自带抽真空引射装置。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种L形两级抽真空引射器，利用地面氮气气源作为引射气源，引射气经音速喷嘴引射形成负压区对发动机燃料路内腔进行抽真空，将发动机抽真空口与引射器出口垂直设置，成L形，有效避免一级喷嘴悬空于管路内流场导致加工与造型复杂，同时大大缩短引射器所需轴向长度，降低结构重量，同时设置两级引射喷嘴提高了引射器极限能力，从而完成本发明。
本发明的目的在于提供以下技术方案：
第一方面，本发明的目的在于提供一种抽真空引射器，该引射器为轴向方向上截面积可变且连通的筒体结构，包括依次连接的一级喷嘴段、一级混合段、二级喷嘴段、二级混合段、以及扩张段，其中，
一级喷嘴段集成一级引射喷嘴和发动机抽真空口，一级引射喷嘴连接高压气源，将引射气流静压转化为动压，使一级喷嘴段形成负压区，进而通过发动机抽真空口对发动机燃料路内腔抽真空；
一级混合段，连接一级喷嘴段的出口，使气流充分混合；
二级喷嘴段，连接一级混合段的出口，其上安装二级引射喷嘴，二级引射喷嘴连接高压气源，对流经的气流进一步加速；
二级混合段，连接二级喷嘴段的出口，使气流充分混合；
扩张段，连接二级混合段的出口，经二级混合段混合后的气流经扩张段增速后喷出，进入大气。
第二方面，本发明的目的在于提供一种发动机抽真空方法，通过上述第一方面所述的抽真空引射器实施。
第三方面，本发明的目的在于提供一种液体火箭发动机抽真空方法，通过上述第一方面所述的抽真空引射器实施，其中，该引射器设置于火箭发动机上。
根据本发明提供的一种抽真空引射器及发动机抽真空方法，带来了有益的技术效果：
(1)根据本发明中抽真空引射器及发动机抽真空方法，靶场仅需提供氮气气源作为引射器引射气源，可取消地面抽真空设备，提高发动机使用维护性能；
(2)一级喷嘴段的发动机抽真空口与引射器出口垂直设置，有效避免一级引射喷嘴悬空于管路内流场导致加工与造型复杂，同时大大缩短引射器所需轴向长度，降低结构重量。
附图说明
图1示出本发明一种优选实施方式中抽真空引射器的结构示意图；
图2示出本发明一种优选实施方式中一级引射喷嘴的结构示意图；
图3示出本发明一种优选实施方式中二级引射喷嘴的结构示意图。
附图标记说明：
1-一级喷嘴段、11-一级引射喷嘴、12-发动机抽真空口、2-一级混合段、3-二级喷嘴段、31-二级引射喷嘴、4-二级混合段、5-扩张段。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
根据本发明的第一方面，提供了一种抽真空引射器，如图1所示，该引射器为轴向方向上截面积可变且连通的筒体结构，包括依次连接的一级喷嘴段1、一级混合段2、二级喷嘴段3、二级混合段4、以及扩张段5，其中，
一级喷嘴段1集成一级引射喷嘴11和发动机抽真空口12，一级引射喷嘴11连接高压气源，将引射气流静压转化为动压，使一级喷嘴段1形成负压区，进而通过发动机抽真空口12对发动机燃料路内腔抽真空；
一级混合段2，连接一级喷嘴段1的出口，使气流充分混合；
二级喷嘴段3，连接一级混合段2的出口，其上安装二级引射喷嘴31，二级引射喷嘴31连接高压气源，对流经的气流进一步加速；
二级混合段4，连接二级喷嘴段3的出口，使气流充分混合；
扩张段5，连接二级混合段4的出口，经二级混合段4混合后的气流经扩张段5增速后喷出，进入大气。
优选地，引射器各段截面均为圆形，原因在于，相较于其他形状如矩形，圆形可用管材直接加工，且圆形流道更有利于流场控制，避免出现流体回流区影响引射效果。
现有液氧煤油发动机点火前的抽真空工作需要地面专门配套抽真空设备，增加了靶场工作。为实现靶场的无人值守，提高发动机维护使用性能，考虑发动机自带抽真空引射装置，同时该装置应适应发动机总装布局、工艺实现性和重量要求。
为此，本发明人进行了研究，考虑到该抽真空引射器的体积小，结构紧凑性，将该抽真空引射器设置于火箭上与发动机连接，一级引射喷嘴11固定于一级喷嘴段1的端壁，使引射的气流沿引射器的轴向方向引入；发动机抽真空口12加工于一级喷嘴段1的侧壁上，与一级引射喷嘴11的固定方向垂直；发动机抽真空口12为成形管路，与引射器筒体形成L形结构。
上述设置，一方面解决了抽真空设备只能置于地面，对靶场造成限制、增加地面设备复杂度的问题；另一方面，将发动机抽真空口12与引射器出口及一级引射喷嘴11垂直设置，有效避免一级引射喷嘴11悬空于管路内流场导致加工与造型复杂，同时大大缩短引射器所需轴向长度，降低结构重量。
在本发明中，一级引射喷嘴11和二级引射喷嘴31连接的高压气源可以为不低于15MPa的高压气源，如23MPa高压气源。
在本发明中，为了使一级引射喷嘴11和二级引射喷嘴31更好实现将引射气流静压转化为动压或者对引射气流进行加速的目的，对一级引射喷嘴11和二级引射喷嘴31进行了优化设计。
如图2所示，一级引射喷嘴11包括收缩管A和扩张管B，两者连接部位产生窄喉C，高压气源中的气流流入收缩管A，穿过窄喉C后由扩张管B逸出。这一架构可使气流的速度因喷截面积的变化而变化，使气流从亚音速到音速，直至加速至超音速。
如图3所示，二级引射喷嘴31包括收缩管A’和扩张管B’，两者连接部位产生窄喉C’，高压气源中的气体流入收缩管A’，穿过窄喉C’后由扩张管B’逸出；二级引射喷嘴31通过传输高压气源中气流的成形管道固定在二级喷嘴段3的侧壁上，二级引射喷嘴31的安装方向与二级喷嘴段3轴向平行，使其引射的气流与引射器中气流同向；
收缩管A’上不与扩张管B’连接的一端为封闭结构。
在本发明中，为了更好地实现各段功能，对引射器各段结构进行了优化设计；具体如下：
一级喷嘴段1采用直线型，内径不变，保证一级喷嘴引射气流形成稳定的低压区；
一级混合段2采用扩张型，在朝向引射器出口的方向，内径逐渐增大，保证主路气流与一级喷嘴引射气流充分混合；
二级喷嘴段3采用直线型，内径不变，保证二级喷嘴引射气流形成稳定的低压区；
二级混合段4采用收敛型，在朝向引射器出口的方向，内径逐渐缩小，使各段气流混合均匀；
扩张段5采用直线型+扩张型，在朝向引射器出口的方向，内径先保持不变，然后逐渐增大，使气流进一步加速至Ma(马赫数)>1，为超音速。
在本发明中，引射器采用两级抽真空形式；若采用单级抽真空形式，极限引射能力不满足真空度2.7kPa要求；若采用三级或三级以上的抽真空形式，增加加工复杂度同时增加结构重量；而两级抽真空形式，满足真空度要求，且结构简单，体积和重量小，综合最优。
根据本发明的第二方面，提供一种发动机抽真空方法，通过上述第一方面所述的抽真空引射器实施。
根据本发明的第三方面，提供一种液体火箭发动机抽真空方法，通过上述第一方面所述的抽真空引射器实施，其中，该引射器设置于火箭发动机上。
以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种抽真空引射器，其特征在于，该引射器为轴向方向上截面积可变且连通的筒体结构，包括依次连接的一级喷嘴段(1)、一级混合段(2)、二级喷嘴段(3)、二级混合段(4)、以及扩张段(5)，其中，
一级喷嘴段(1)集成一级引射喷嘴(11)和发动机抽真空口(12)，一级引射喷嘴(11)连接高压气源，将引射气流静压转化为动压，使一级喷嘴段(1)形成负压区，进而通过发动机抽真空口(12)对发动机燃料路内腔抽真空；
一级混合段(2)，连接一级喷嘴段(1)的出口，使气流充分混合；
二级喷嘴段(3)，连接一级混合段(2)的出口，其上安装二级引射喷嘴(31)，二级引射喷嘴(31)连接高压气源，对流经的气流进一步加速；
二级混合段(4)，连接二级喷嘴段(3)的出口，使气流充分混合；
扩张段(5)，连接二级混合段(4)的出口，经二级混合段(4)混合后的气流经扩张段(5)增速后喷出，进入大气。
2.根据权利要求1所述的引射器，其特征在于，引射器各段截面均为圆形。
3.根据权利要求1所述的引射器，其特征在于，一级引射喷嘴(11)固定于一级喷嘴段(1)的端壁，使引射的气流沿引射器的轴向方向引入；发动机抽真空口(12)加工于一级喷嘴段(1)的侧壁上，与一级引射喷嘴(11)的固定方向垂直。
4.根据权利要求1所述的引射器，其特征在于，一级引射喷嘴(11)和二级引射喷嘴(31)连接的高压气源为不低于15MPa的高压气源。
5.根据权利要求1所述的引射器，其特征在于，一级引射喷嘴(11)包括收缩管A和扩张管B，两者连接部位产生窄喉C，高压气源中的气流流入收缩管A，穿过窄喉C后由扩张管B逸出。
6.根据权利要求1所述的引射器，其特征在于，二级引射喷嘴(31)包括收缩管A’和扩张管B’，两者连接部位产生窄喉C’，高压气源中的气体流入收缩管A’，穿过窄喉C’后由扩张管B’逸出；
收缩管A’上不与扩张管B’连接的一端为封闭结构。
7.根据权利要求1所述的引射器，其特征在于，一级喷嘴段(1)采用直线型，内径不变；
一级混合段(2)采用扩张型，在朝向引射器出口的方向，内径逐渐增大；
二级喷嘴段(3)采用直线型，内径不变；
二级混合段(4)采用收敛型，在朝向引射器出口的方向，内径逐渐缩小；
扩张段(5)采用直线型+扩张型，在朝向引射器出口的方向，内径先保持不变，然后逐渐增大。
8.一种发动机抽真空方法，通过上述权利要求1至7之一所述的抽真空引射器实施。
9.一种液体火箭发动机抽真空方法，通过上述权利要求1至7之一所述的抽真空引射器实施，其中，该引射器设置于火箭发动机上。
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