CN111375499A - 一种可调激励频率与占空比的脉冲气体射流发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调激励频率与占空比的脉冲气体射流发生装置，属于气体射流技术领域。包括旋转机构、发生腔机构和供气机构；旋转机构包括电机、旋转盘，旋转盘的圆周上均布设有四个叶片；发生腔机构包括缸体，缸体的同一圆周上均布设有四个进气口；旋转盘位于缸体内；供气机构包括压力储气罐。工作时，高压气流由进气口进入缸体，当叶片没有遮挡进气口，高压气体从进气口进气的同时从喷嘴喷出，缸体内工作压强不变；当叶片从开始遮挡到完全堵住进气口过程中，高压气体进入缸体受阻，小于工作压强的高压气体由喷嘴喷出；实际操作中通过控制电机旋转转速实现脉冲射流激励频率的调节，通过叶片圆弧面圆心角度的变化实现激励占空比的改变。

Description

一种可调激励频率与占空比的脉冲气体射流发生装置

技术领域

本发明属于脉冲气体射流技术领域，具体涉及一种脉冲气体射流发生装置。

背景技术

脉冲气体射流技术广泛应用于燃气燃烧、航空发动机、吹除冷却等工业领域。其生成方式是研究脉冲射流技术首先要考虑的问题，不同的射流生成方式，射流流场的结构和流动特性都会产生很大的差异。目前产生脉冲射流的方法主要有电磁阀/转阀、旋转机构以及外部激励器等。电磁阀/转阀作为发生装置，多通过控制阀体周期性开闭产生脉冲射流，由于阀体内部结构复杂，产生的射流流动存在明显干扰。旋转机构主要通过电机的周期性旋转驱动机构实现喷流口的周期性开合，由于旋转过程中喷流口的面积发生改变，产生的射流同样具有明显的干扰。外部激励多采用等离子体放电或腔体振荡产生脉冲射流，其中等离子体放电所需高电压设备（10kV以上），该方法成本较高且具有一定危险性；腔体振荡产生的脉冲射流主要应用于工作压强与环境压强差别不大（0.1MPa以内）、流速（10m/s或更小量级）较小的情况，无法满足较高压强与较大流量的研究或应用需求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供了一种脉冲激励频率、脉冲激励占空比可调，并且工作压强与流量范围相对较宽的脉冲气体射流发生装置。

一种可调激励频率与占空比的脉冲气体射流发生装置包括旋转机构1、发生腔机构2和供气机构6；

所述旋转机构1包括电机11、旋转轴13和旋转盘110，旋转盘110的圆周上均布设有四个叶片19，四个叶片19平行于旋转轴13；

所述发生腔机构2包括轴向一端封闭、另一端敞口的缸体23，缸体23的封闭端设有第一法兰21，另一端设有第二法兰24，第二法兰24的中心通过第一球阀3设有喷嘴4；缸体23的圆周上均匀开设有四个进气口231；所述旋转盘110位于缸体23内，旋转盘110将缸体23分割成两个部分，一侧为脉冲射流腔，另一侧为套筒腔；旋转轴13的中部通过轴承设于第一法兰21上；缸体23内的封闭端面上设有套筒22，且套筒22通过轴承套设于旋转轴13上；所述供气机构6包括压力储气罐62；

工作时，首先关闭第一球阀3，打开压力储气罐62，高压气流由四个半径为R的进气口231进入缸体23；当第一压力表27显示缸体23内达到工作压强（工作压强在0.2-0.5MPa范围内）时，打开第一球阀3，保持2-3秒后使得气流稳定，启动电机11，旋转盘110旋转，当旋转盘110上的叶片19没有旋转经过进气口231时，高压气体从进气口231进气的同时从喷嘴4喷出；当叶片19从开始遮挡到堵住进气口231过程中，高压气体进入缸体23受阻，缸体23内压强降低，小于工作压强的高压气体由喷嘴4喷出；当叶片19完全堵住时至刚开始无法堵住进气口231时，缸体23内压强持续下降至最低，明显小于工作压强的气体由喷嘴4喷出；当叶片19开始无法堵住进气口231到完全离开进气口231的过程中，高压气体进入缸体23阻力减小，缸体23内气体压强恢复并由喷嘴4喷出；叶片19周期性堵住进气口231，使缸体23内气体压强周期性变化，进而产生受周期性激励扰动的脉冲气流射流从喷嘴4水平喷出。

进一步限定的技术方案如下：

所述旋转盘110通过平键18和紧定螺钉固定设于旋转轴13的一端，旋转轴13的另一端通过联轴器12固定连接着电机11的输出轴；旋转轴13的中部通过一对第一轴承16固定在第一法兰21上，第一轴承16为角接触球轴承。

所述缸体23的封闭端中部设有圆形凹槽，所述第一法兰21的安装端面中部设有圆形凸台，缸体23和第一法兰21之间为凹凸端面配合；所述缸体23的圆形凹槽内设有第一圆环槽233，第一圆环槽233内设有O形密封圈25；第一法兰21的圆形凸台上设有第二圆环槽211，第二圆环槽211内设有格莱圈26；格莱圈26的直径小于O形密封圈25直径。

所述套筒22和旋转轴13之间通过第二轴承17连接，第二轴承17为角接触球轴承；与旋转盘110对应的套筒22的轴孔221内开设有弹性挡圈槽222，弹性挡圈槽222内配合设有弹性挡圈111。

所述旋转盘110为实心盘，盘心开设有与旋转轴13配合的安装孔1101，圆周上均布开设四条的径向浅槽；所述叶片19的一端设有凸块，叶片19通过凸块和径向浅槽的固定配合连接，使四个的叶片19固定在旋转盘110上。

所述叶片19为与缸体23的内壁配合的矩形圆弧片，叶片19圆弧面与旋转盘110外圆面平齐，叶片19圆弧面的圆心角θ范围为18°至72°。

所述电机11为伺服电机，额定功率为400W，额定转速为3000r/min，额定转矩为1.27N·m。

所述喷嘴4的喷孔直径6-10mm，长度为30mm。

旋转盘110外径和缸体23内壁面径向间隙为0.1mm，旋转轴13的内端距离进气口231中心的距离b比进气孔231半径（R）大1mm以上。

所述电机11的转速在0至3000r/min之间变化，可实现调节激励频率在0至200Hz之间变化；调节叶片19的圆弧圆心角θ的大小在18°至72°范围内变化，实现占空比D=θ/90°，叶片19圆弧圆心角与两相邻进气孔231中心之间圆弧圆心角的比值）在0.2至0.8之间改变。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

（1）本发明装置通过电机11驱动旋转盘110旋转实现周向均布的四个叶片19周期性堵住缸体23周向均布的四个进气孔231实现缸体23内部压强的周期性变化，进而产生脉冲气体射流。从叶片19开始堵住进气孔231到叶片19离开进气孔231的时间间隔内，高压气体进入缸体23受到阻挡；此外，四个叶片19与四个进气孔231沿周向均匀90°分布，因此电机旋转90°的时间间隔即为进气孔231受叶片19两次堵塞之间的脉冲激励周期。据此，通过控制电机11的转速，可实现脉冲气体射流激励频率的改变，对应计算公式为f=4n/60，其中n为电机转速，单位为r/min。其优势在于电机11的提供动力驱动能实现精准可控的启停控制以及转速的精准调节，若电机11转速在（0-3000） r/min范围内精准调节，可实现激励频率在0至200Hz范围内精准变化。

（2）本发明装置可通过更换叶片19调节脉冲气体射流的占空比。实际脉冲射流占空比为脉冲射流激励单个周期内进气孔231堵塞的时间所占的比例，D=θ/90°，即叶片19圆弧对应的圆心角与相邻进气孔231中心之间圆弧的圆心角（本发明中为90°）比值，更换圆心角θ在18°至72°范围内的叶片19，可控制喷流的占空比在0.2至0.8范围内变化。

（3）本发明用于密封的第一圆环槽233和第二圆环槽211分别设置在缸体23和第一法兰21上，可方便O形圈25和格莱圈26的分别安装，保证了O形圈25和轴用旋转格莱圈26在安装和拆除过程中不易受损。

（4）本发明的适用性强，关键零部件可快速拆卸，模块化的组装工艺使得损坏部件能够快速更换。

附图说明

图1本发明装置的结构示意图。

图2为本发明旋转运动装置结构示意图。

图3为本发明缸体的结构示意图。

图4为本发明第一法兰的结构示意图。

图5为本发明旋转体的结构示意图。

图6为本发明套筒的结构示意图。

图7为本发明旋转体中叶片参数示意图。

图8为本发明的使用状态图。

图9为占空比为0.5的旋转体的结构示意图。

图10为占空比为2/3的旋转体的结构示意图。

上图中序号：旋转运动机构1、电机11、联轴器12、旋转轴13、轴承端盖14、圆螺母15、第一轴承16、第二轴承17、平键18、叶片19、旋转盘110、弹性挡圈111、第一螺纹孔1101、开槽孔1102；

发生腔体2、第一法兰21、套筒22、缸体23、第二法兰24、O形圈25、格莱圈26、第一压力表27、进气口231、第二螺纹孔232、轴孔221、弹性挡圈槽222、第一圆环槽233、第二圆环槽211；

第一球阀3；喷嘴4；

支撑结构5、第一上卡箍51、第一下卡箍52、第二上卡箍53、第二下卡箍54、电机支座55、电机支架56、底座57；

供气装置6、第二球阀61、压力储气罐62、减压阀63、第二压力表64、气管65、气源分配器66。

具体实施方案

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

实施例1，

参见图1，一种可调激励频率与占空比的脉冲气体射流发生装置主要包括旋转机构1、发生腔机构2和供气机构6。

参见图1和图2，旋转机构1包括电机11、旋转轴13和旋转盘110。电机11为松下MHMF042L1U2M伺服电机，额定功率400W，额定转速3000r/min，额定转矩为1.27N·m。旋转盘110通过平键18和紧定螺钉固定安装于旋转轴13的一端，旋转轴13的另一端通过联轴器12固定连接着电机11的输出轴。旋转轴13的中部通过一对第一轴承16固定在第一法兰21上，第一轴承16为角接触球轴承。旋转盘110的圆周上均布安装有四个叶片19，四个叶片19平行与旋转轴13并且叶片19圆弧与旋转盘110外圆重合；旋转盘110位于缸体23内并将缸体23分割成两个部分，一侧为脉冲射流腔，另一侧为套筒腔。

参见图1，支撑机构5包括电机支架51、第一上卡箍52、第一下卡箍55、第二上卡箍53、第二下卡箍54、底座56、电机支座57。第一下卡箍55和第二下卡箍54水平安装在底座56上。第一上卡箍52与第一下卡箍55通过螺栓连接并固定发生腔机构2左半部，第二上卡箍53与第二下卡箍54通过螺栓连接并固定发生腔机构2右半部；所述电机支架57水平安装在底座56上，电机支座57和电机支架51通过螺栓连接并固定电机11。

参见图2，发生腔机构2包括轴向一端封闭、另一端敞口的缸体23，缸体23的封闭端安装有第一法兰21，另一端安装有第二法兰24，第二法兰24的中心通过第一球阀3安装有喷嘴4，喷嘴4的喷孔直径7mm，长度为30mm。

参见图3，缸体23的中心圆周上均匀开设有四个半径R为3mm的进气口231和一个半径r为2mm，距离缸体23敞口端壁面L为18mm的第二螺纹孔232，第二螺纹孔232用于安装第一压力表27，见图1。参见图2，缸体23的内径为98mm，旋转盘110和缸体23径向间隙0.1mm，旋转轴13的左端面距离进气口231中心距离b为4mm（b≥R+1）。缸体23的封闭端面上固定安装有套筒22，套筒22和旋转轴13之间通过第二轴承17连接，第二轴承17为角接触球轴承。参见图6，与旋转盘110对应的套筒22的轴孔221内开设有弹性挡圈槽222，弹性挡圈槽222内配合安装有弹性挡圈111。

参见图3，缸体23的封闭端中部设有圆形凹槽，参见图4，第一法兰21的安装端面中部设有圆形凸台，缸体23和第一法兰21之间为凹凸端面配合。缸体23的圆形凹槽内设有第一圆环槽233，第一圆环槽233内配合安装有O形密封圈25；第一法兰21的圆形凸台上开设有第二圆环槽211，第二圆环槽211内配合安装有格莱圈26；格莱圈26的直径小于O形密封圈25直径，见图2。

参见图5，旋转盘110为实心盘，盘心开设有与旋转轴13配合的第一螺纹孔1101，圆周上均布开设四条径向浅槽。叶片19为与缸体23的内壁配合的矩形圆弧片，其圆弧面与缸体23内壁的间隙为0.1mm，用于在电机旋转过程中遮挡进气孔231。叶片19一端设有凸块，四个叶片19通过凸块和径向浅槽的配合连接并固定在旋转盘110上，叶片圆弧面与旋转盘圆周面平齐。参见图7，叶片19圆弧圆心角θ范围为18°至72°，图中旋转盘110的直径为97.8mm，圆弧宽度c=97.8sin（θ/2）。

参见图8，供气机构6包括压力储气罐62、第二球阀61、减压阀63、第二压力表64、气管65、气源分配器66。减压阀63一端通过第二球阀61连接压力储气罐62，另一端通过气管连接气源分配器66，气源分配器66通过四根气管65分别与缸体23上的四个进气口231连接。压力表采用YB-150B型压力表，精确度等级0.25，其中第一压力表27测量范围为0～1MPa，第二压力表64的测量范围为0～1.6MPa。气源分配器66采用宏泰KFQ-II12T（S），调压范围0～4.0MPa。

本实施例中，参见图9，叶片19的圆心角θ为45°，宽度c为37.43mm，脉冲射流的占空比D=θ/90°=0.5；电机转速设置为1500r/min，对应激励频率f=4n/60=100Hz。在装置工作前，关闭第一球阀3和第二球阀61；然后调节减压阀63的工作压强为0.3MPa，设置电机转速为1500r/min。工作时首先打开第二球阀61，压力储气罐62通过四个进气口231往缸体23内不断充入高压气体，待第一压力表27数值显示为工作压强0.3MPa时，打开第一球阀3，等待2-3秒使得气流稳定。然后启动电机11，电机11通过旋转盘110带动四个叶片19旋转，当旋转盘110上的叶片19没有旋转经过进气口231时，缸体23内压强几乎等于工作压强，高压气体从进气口231进气的同时从喷嘴4喷出；当叶片19从开始遮挡到堵住进气口231过程中，高压气体进入缸体23受阻，缸体23内压强降低，小于工作压强的高压气体由喷嘴4喷出；当叶片19完全堵住到开始无法堵住之前时，缸体23压强一直下降直到压强最低，明显小于工作压强的高压气体由喷嘴4喷出；当叶片19开始无法堵住进气口231到完全离开进气口231的过程中，高压气体进入缸体23阻力减小，缸体23内压强逐渐恢复，对应高压气体由喷嘴4喷出；叶片19周期性堵住进气口231，产生脉冲气流射流从喷嘴4水平喷出。待工作结束，关闭与储气罐62连接的第二球阀61和电机11，再调节减压阀63为原始状态。

实施例2

实施例2脉冲射流的占空比0.5，频率40Hz，工作压强0.2MPa。参见图9，此工况下采用圆心角θ为45°的叶片19，宽度c为37.43mm，脉冲射流占空比D=θ/90°=0.5。此工况下电机转速n为600r/min，对应频率f=4n/60=40Hz。该装置工作前，关闭第一球阀3和第二球阀61；开始工作时，调节减压阀63的工作压强为0.2MPa，设置电机转速为600r/min，打开第二球阀61，压力储气罐62通过四个进气口231往缸体23内不断充入高压气体，当第一压力表27数值显示为0.2MPa，打开第一球阀3，待气流稳定后，启动电机11，重复实施例1的操作。

实施例3

实施例3脉冲射流占空比2/3，频率20Hz，工作压强0.5MPa。该装置工作前，更换叶片19，参见图10，每个叶片19圆心角θ为60°，宽度c为48.9mm。根据占空比的计算公式D=θ/90°=2/3。此工况下电机11转速n至300r/min，对应脉冲频率f=4n/60=20Hz。安装完毕后，关闭第一球阀3和第二球阀61；开始工作时，调节减压阀63为工作压强0.5MPa，设置电机转速为600r/min，打开第二球阀61，压力储气罐62通过四个进气口231往缸体23内不断充入高压气体，当第一压力表27数值显示为0.5MPa时，打开第一球阀3，待气流稳定后，启动电机11，重复实施例1的操作。

Claims (10)

1.一种可调激励频率与占空比的脉冲气体射流发生装置，其特征在于：包括旋转机构（1）、发生腔机构（2）和供气机构（6）；

所述旋转机构（1）包括电机（11）、旋转轴（13）和旋转盘（110），旋转盘（110）的圆周上均匀开设有四个叶片（19），四个叶片（19）平行与旋转轴（13）；

所述发生腔机构（2）包括轴向一端封闭、另一端敞口的缸体（23），缸体（23）的封闭端设有第一法兰（21），另一端设有第二法兰（24），第二法兰（24）中心通过第一球阀（3）设有喷嘴（4）；缸体（23）的圆周上均布设有四个进气口（231）；所述旋转盘（110）位于缸体（23）内，旋转盘（110）将缸体（23）分割成两个部分，一侧为脉冲射流腔，另一侧为套筒腔；旋转轴（13）的中部通过轴承设于第一法兰（21）上；缸体（23）内的封闭端面上固定设有套筒（22），且套筒（22）通过轴承套设于旋转轴（13）上；

所述供气机构（6）包括压力储气罐（62）；

工作时，打开压力储气罐（62），高压气流由四个进气口（231）进入缸体（23），当缸体（23）内达到工作压强时，启动电机（11），旋转盘（110）旋转，当旋转盘（110）上的叶片（19）没有旋转经过进气口（231）时，等于工作压强的高压气体从进气口（231）进气的同时从喷嘴（4）喷出；当叶片（19）从开始遮挡到堵住进气口（231）过程中，高压气体进入缸体（23）受阻，小于工作压强的高压气体由喷嘴（4）喷出，缸体（23）内压强降低；当叶片（19）完全堵住至叶片刚开始无法堵住进气口（231）时，缸体（23）内压强持续下降至最低，明显小于工作压强的高压气体由喷嘴（4）喷出；当叶片（19）开始无法堵住进气口（231）到完全离开进气口（231）的过程中，高压气体进入缸体（23）阻力减小，缸体（23）内气体压强逐渐恢复并由喷嘴（4）喷出；叶片（19）周期性堵住进气口（231），通过缸体（23）内压强周期性变化对气体射流施加周期性的激励扰动，产生脉冲气体射流从喷嘴（4）水平喷出。

2.根据权利要求1所述一种可调激励频率与占空比的脉冲气体射流发生装置，其特征在于：所述旋转盘（110）通过平键（18）和紧定螺钉固定设于旋转轴（13）的一端，旋转轴（13）的另一端通过联轴器（12）固定连接着电机（11）的输出轴；旋转轴（13）的中部通过一对第一轴承（16）固定在第一法兰（21）上，第一轴承（16）为角接触球轴承。

3.根据权利要求1所述一种可调激励频率与占空比的脉冲气体射流发生装置，其特征在于：所述缸体（23）的封闭端中部设有圆形凹槽，所述第一法兰（21）的安装端面中部设有圆形凸台，缸体（23）和第一法兰（21）之间为凹凸端面配合；所述缸体（23）的圆形凹槽内设有第一圆环槽（233），第一圆环槽（233）内设有O形密封圈（25）；第一法兰（21）的圆形凸台上设有第二圆环槽（211），第二圆环槽（211）内设有格莱圈（26）；格莱圈（26）的直径小于O形密封圈（25）直径。

4.根据权利要求1所述一种可调频率激励与占空比的脉冲气体射流发生装置，其特征在于：所述套筒（22）和旋转轴（13）之间通过第二轴承（17）连接，第二轴承（17）为角接触球轴承；与旋转盘（110）对应的套筒（22）的轴孔（221）内开设有弹性挡圈槽（222），弹性挡圈槽（222）内配合设有弹性挡圈（111）。

5.根据权利要求1所述一种可调激励频率与占空比的脉冲气体射流发生装置，其特征在于：所述旋转盘（110）为实心盘，盘心开设有与旋转轴（13）配合的安装孔（1101），圆周上均布开设四条的径向浅槽；所述叶片（19）的一端设有凸块，叶片（19）通过凸块和径向浅槽的固定配合连接，使四个的叶片（19）固定在旋转盘（110）上。

6.根据权利要求5所述一种可调激励频率与占空比的脉冲气体射流发生装置，其特征在于：所述叶片（19）为与缸体（23）的内壁配合的矩形圆弧片，叶片（19）圆弧与旋转盘（110）外圆重合，圆弧的圆心角θ范围18°至72°；叶片宽度c大于进气口（231）的直径2R为6mm，叶片（19）沿缸体（23）轴线方向的长度覆盖并超过进气口（231）。

7.根据权利要求1所述一种可调激励频率与占空比的脉冲气体射流发生装置，其特征在于：所述电机（11）为伺服电机，额定功率为400W，额定转速为3000r/min，额定转矩为1.27N·m。

8.根据权利要求1所述一种可调激励频率与占空比的脉冲气体射流发生装置，其特征在于：所述喷嘴（4）的喷孔直径6-10mm，长度为30mm。

9.根据权利要求1所述一种可调激励频率占空比的脉冲气体射流发生装置，其特征在于：所述旋转盘（110）和缸体（23）径向之间的间隙0.1mm，旋转轴（13）内端距离进气口（231）中心之间的距离b至少比进气孔231半径大1mm。

10.根据权利要求1所述一种可调激励频率与占空比的脉冲气体射流发生装置，其特征在于：所述电机（11）的转速在0至3000r/min之间变化，实现调节激励频率在0至200Hz之间变化；调节叶片（19）圆弧对应的圆心角θ大小在18°至72°之间变化，实现占空比在0.2至0.8之间改变。

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