CN111322278B

CN111322278B - 一种超声速空气引射器

Info

Publication number: CN111322278B
Application number: CN202010224349.9A
Authority: CN
Inventors: 郭孝国; 陈培; 薛欣欣
Original assignee: China Academy of Aerospace Aerodynamics CAAA
Current assignee: China Academy of Aerospace Aerodynamics CAAA
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2040-03-26
Also published as: CN111322278A

Abstract

本发明提供一种超声速空气引射器。其包括进气管，前分流板座，耐压壳体，小引射管，引射喷管，后分流板座,排气管；进气管与前分流板座相连，小引射管安装在耐压壳体内，两端与前、后分流板座连接密封；引射喷管安装在小引射管内，组成超声速引射单元；排气管与后分流板座相连；根据本发明提供的超声速空气引射器，把来流大口径空气通道分成若干小气流通道，引射气流与被引射气流接触面积大、混合充分，明显提高引射效率，便于制造加工，安装方便。

Description

一种超声速空气引射器

技术领域

本发明涉及空气动力学领域，具体而言，涉及一种风洞设备中的空气引射器，尤其涉及一种气流接触面积大，混合效率高的超声速空气引射器。

背景技术

空气引射器是一种流体机械，具有抽真空的作用，以常温空气为介质的超声速引射器，在航空航天、军事国防和国民工业等领域得到广泛应用，超声速引射器具有结构简单，体积小，反应迅速等优点，火箭发动机高空试车台，高超声速风洞，气动激光器和化学激光器压力恢复系统，已达到成熟应用的程度；

目前用于常规高超声速风洞的引射器方式，单喷管中心引射，环形引射和多喷管引射；单喷管中心引射器由于射流集中，噪声大，多应用于小口径引射器场合；环形引射器，引射器为周边射流，噪声小，增压比不高，中小型风洞上应用成熟；多喷管引射器，一个混合室，采用多喷管布局，解决大口径风洞的排气增压，常应用于增压比不高的场合；

引射器的结构，属于细长体构型，随口经的增大，混合室和扩压段的长度相应变大，混合气流才能在混合室达到混合均匀，在扩压段实现高效率的扩压作用；例如1.0m量级高超风洞的单级引射器长度要10m以上；如要求较高的增压比，采用3级，排气系统将达到30米以上；设备布局，采用的横向长度过大，会占用大量的设备投资；

尽管超声速引射器系统结构较简单，但是，孔径较大时，其引射扩压管道内流场及其复杂，引射器设计不当，一些不明现象存在相互作用和干扰，大大降低引射器效率，造成动力能源的浪费。

传统的引射器形式，体积庞大，高增压比时，效率低；大型化学激光器，需要大功率引射器进行增压排气；大型高超声速风洞需要提供大口径高增压比的排气系统；多年来，如何进行引射系统的小型化，减少长度尺寸，提出多种思路；其中阵列式引射系统，提出多台引射器的入口和出口分别并联在一起；但是这种方式，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；

如何控制各模块的启动同步性是解决多模块引射系统相互干扰的关键问题；《新型引射器技术研究》一文中提出，增加真空阀来解决各模块间的干扰问题；但是，大的设备投资和控制环节复杂，特别是在引射模块较多时，是不现实的；

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，提供一种结构紧凑易于小型化，便于加工制造的超声速空气引射器。

解决上述技术问题的方案如下：一种超声速空气引射器，包括进气管，耐压壳体，引射单元，前、后分流板座，排气管；所述进气管与前分流板座相连，由前分流板座将进气管的单一通道渐变为均匀的多气流通道；

所述引射单元安装在耐压壳体内，两端分别与前、后分流板座连接密封，耐压壳体内形成气流稳定的驻室，引射单元的数量与所述的多气流通道的数量一致；所述的引射单元包括引射喷管和引射管，引射喷管通过通气支撑肋固定在引射管的中央，高压引射空气由耐压壳体两侧对称进入所述的驻室，之后进入通气支撑肋的内部孔间隙，进入引射喷管，由引射喷管产生超声速气流；所述后分流板座连接排气管；由后分流板座将多气流通道渐变为单一通道。

优选的，所述的进气管为一稳定气流的过渡段；其前端匹配前部管道连接尺寸，后部通过法兰与前分流板座连接。

优选的，所述的前分流板座为两端带法兰的圆柱形状，两端法兰分别用于连接进气管和耐压壳体；圆柱形状内均匀设置内孔；所述的内孔前端即靠近进气管一端为内六边形，向后端逐渐收缩为圆锥孔，后端为圆柱孔；所述的圆柱孔用于与引射管密封连接。

优选的，所述的后分流板座为两端带法兰的圆柱形状，两端法兰分别用于连接耐压壳体和排气管；圆柱形状内均匀设置内孔；所述的内孔前端为圆柱孔，用于与引射管密封连接，圆柱孔通过变径台阶扩大为圆锥孔，后端变为六边形。

优选的，所述的引射管包括三段中空管，中间一段中空管的内径小于两侧中空管内径，安装时位于前端的一侧中空管上设置通气孔，该通气孔即为通气支撑肋的气流输入孔。

优选的，所述的引射喷管为拉瓦尔喷管，在喷管喉道布局两侧通气支撑肋,进气通道为通气支撑肋的内部间隙,两侧进气通道的截面积之和大于喷管喉道截面积的5倍。

优选的，所述的拉瓦尔喷管的Ma数范围为：1.5≤Ma≤4，通过改变引射喷管的马赫数，适应不同增压比的引射器。

优选的，选择不同的引射喷管喉道尺寸与固定的引射管气流通道相匹配，形成不同的引射面积比。

优选的，所述的多气流通道的数量≥12。

优选的，每个引射单元的通气支撑肋的数量≥2且相对引射管对称分布。

优选的，整个引射器的气流通道无逆向台阶。

优选的，所述的排气管由一段直管段和扩张管组成，扩张角为4°～7°。

优选的，进气管、前分流板座、耐压壳体、后分流板座、排气管之间的连接配对法兰,一端均布螺纹孔，一端光孔，安装后使用内六角螺栓紧固。

本发明与现有技术相比，优点体现在：

(1)有效地减小引射器的长度尺寸，缩短横向掺混距离，混合效率提高,降低气流在管壁的摩擦损失；相比单喷管引射器,系统紧凑小型化；

(2)采用安装引射单元的办法，喷管布局均匀,根据流量要求选用不同数量的引射单元,可构成不同流量规格的引射器,易实现标准化,；

(3)易于加工制造，便于调整更换,引射性能高；目前国内外现有的引射器,都是依靠图纸单件生产,引射器性能需要调试才能知道固定尺寸引射器的引射效率,存在流量规格单一,适应性不强的特点,本发明的不同引射单元数量,调整引射器流量,构成不同流量大小的引射器,维持高性能不变。

附图说明

图1为超声速引射器的结构图

图2为超声速引射器进气管

图3为超声速引射器前分流板座

图4为超声速引射器前分流板座俯视图

图5为超声速引射器耐压壳体

图6为引射单元

图7为引射喷管

图8为超声速引射器后分流板座

图9为超声速引射器后分流板座俯视图

图10为超声速引射器排气管

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行详细说明。

2、如图1所示，一种超声速空气引射器，能够实现对来流的增压和抽真空。低能、低压气体由进气管进入引射器，由引射器的前分流板座，把气流分开若干小通道，较小的角度进入小引射管，以较小的压力损失，流进引射单元；然后，分割后的每个小引射管气流通道，在引射单元内，与引射喷管喷出的高压、高能气流混合，混合气流再通过减速扩压过程，变为亚声速，通过后分流板座，亚声速状态流动的小股气流，在排气段混合，进一步减速扩压，混合气体排出引射器；具体超声速空气引射器包括进气管1，前分流板座2，耐压壳体3，小引射管4-1，引射喷管4-2，后分流板座5，和排气段6组成；小引射管4-1，安装在前分流板座2后分流板座5中间的耐压壳体3内。所述进气管与前分流板座相连，所述引射单元安装在耐压壳体内，两端与前、后分流板座连接密封；所述引射单元由引射喷管和小引射管组成，所述排气管与后分流板座相连；所述进气管与前分流板座相连，由单一大通道渐变为均匀的多个小气流通道(通道数量n≥12)；所述后分流板座与排气管相连，由均匀多个小的气流通道渐变为大单一通道。

如图2所示，进气管1为口径较大的气流通道(由变径管道组成的一段过渡管)，对来流进行整流和引入，匹配前部管道连接尺寸。引射器的上游，通常是一个大口径扩压器，为实现单通道向多同道的过渡和均匀分配，在引射器进口与扩压器之间设计了稳定气流的过渡段；这个过渡段，设计时，尽量降低气流速度，并和配置空心分流隔板；实现气流的均匀分配；且分流过程压力损失小；本实施例，采用钢板卷管焊接而成；

如图3，图4所示，为前分流板座2，前部连接引射器入口段，分流板座的内孔，前端为内六边形，逐渐收缩为圆锥孔和小圆孔，后部的圆孔，有变径台阶，圆孔内部光滑，安装引射单元，兼有密封作用；分流板座采用铸造件加工而成。

如图5所示，为耐压壳体3，用于承受引射器的高压气源，耐压壳体内，成为气流稳定的驻室，确保气流稳定均匀流入各引射喷管；耐压壳体3为圆筒结构，耐压壳体3两侧，设计进气法兰盘，用于安装进气管道，对称进入高压引射空气；然后通过位于两侧支撑块的内部孔间隙，进入引射喷管。

图6所示，引射单元为单喷管超声速中心引射器，由小引射管4-1和引射喷管4-2组成，引射喷管固定在中间，靠两侧通气支撑肋固定在引射管道的中央；两侧支撑内部，各有一个通气通道；按照《高速风洞》中的设计方法，选取要求的设计参数；本实施例，设计使用压力6～8atm，口径为50mm，引射面积比为0.3，

图7所示，引射喷管4-2是小型拉瓦尔喷管，产生超声速气流，是引射单元的关键部件，设计Ma数范围为：1.5≤Ma≤4，本实施例为Ma＝3。

图8，与图9所示，引射器的后分流板座；前部为均布的圆孔，用于安装引射单元，通过变径台阶，再由圆锥形状，变为六边形；分流板座采用铸造件加工而成。

图10所示，排气管6，由一段等值的直管段和扩张管焊接而成，收集小气流通道的亚声速气流，以较小的扩张角4°～7°，进行气流减速扩压，防止气流分离造成的压力损失；本实施例，直管段内径为350mm，扩张管扩张角为4°；

虽然以上已结合附图对按照本发明目的的构思和实例作了详尽说明，但本领域技术人员应当认识到，在没有脱离本发明构思的前提下，任何基于本发明作出的改进和变换仍然属于本发明保护范围内的内容。

Claims

1.一种超声速空气引射器，其特征在于：包括进气管，耐压壳体，引射单元，前、后分流板座，排气管；所述进气管与前分流板座相连，由前分流板座将进气管的单一通道渐变为均匀的多气流通道；

所述引射单元安装在耐压壳体内，两端分别与前、后分流板座连接密封，耐压壳体内形成气流稳定的驻室，引射单元的数量与所述的多气流通道的数量一致；所述的引射单元包括引射喷管和引射管，引射喷管通过通气支撑肋固定在引射管的中央，高压引射空气由耐压壳体两侧对称进入所述的驻室，之后进入通气支撑肋的内部孔间隙，进入引射喷管，由引射喷管产生超声速气流；所述后分流板座连接排气管；由后分流板座将多气流通道渐变为单一通道；

所述的前分流板座为两端带法兰的圆柱形状，两端法兰分别用于连接进气管和耐压壳体；圆柱形状内均匀设置内孔；所述的内孔前端即靠近进气管一端为内六边形，向后端逐渐收缩为圆锥孔，后端为圆柱孔；所述的圆柱孔用于与引射管密封连接；

所述的后分流板座为两端带法兰的圆柱形状，两端法兰分别用于连接耐压壳体和排气管；圆柱形状内均匀设置内孔；所述的内孔前端为圆柱孔，用于与引射管密封连接，圆柱孔通过变径台阶扩大为圆锥孔，后端变为六边形。

2.根据权利要求1所述的引射器，其特征在于：所述的进气管为一稳定气流的过渡段；其前端匹配前部管道连接尺寸，后部通过法兰与前分流板座连接。

3.根据权利要求1所述的引射器，其特征在于：所述的引射管包括三段中空管，中间一段中空管的内径小于两侧中空管内径，安装时位于前端的一侧中空管上设置通气孔，该通气孔即为通气支撑肋的气流输入孔。

4.根据权利要求1所述的引射器，其特征在于：所述的引射喷管为拉瓦尔喷管，在喷管喉道布局两侧通气支撑肋,进气通道为通气支撑肋的内部间隙,两侧进气通道的截面积之和大于喷管喉道截面积的5倍。

5.根据权利要求4所述的引射器，其特征在于：所述的拉瓦尔喷管的Ma数范围为：1.5≤Ma≤4，通过改变引射喷管的马赫数，适应不同增压比的引射器。

6.根据权利要求5所述的引射器，其特征在于：选择不同的引射喷管喉道尺寸与固定的引射管气流通道相匹配，形成不同的引射面积比。

7.根据权利要求1所述的引射器，其特征在于：所述的多气流通道的数量≥12。

8.根据权利要求1所述的引射器，其特征在于：每个引射单元的通气支撑肋的数量≥2且相对引射管对称分布。

9.根据权利要求1所述的引射器，其特征在于：整个引射器的气流通道无逆向台阶。

10.根据权利要求1所述的引射器，其特征在于：所述的排气管由一段直管段和扩张管组成，扩张角为4°～7°。

11.根据权利要求1或2所述的引射器，其特征在于：进气管、前分流板座、耐压壳体、后分流板座、排气管之间的连接配对法兰,一端均布螺纹孔，一端光孔，安装后使用内六角螺栓紧固。