CN112483478B - 一种介质射流增压供应装置及制作方法 - Google Patents

一种介质射流增压供应装置及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种介质射流增压供应装置及制作方法，解决现有蒸汽引射系统随着起动蒸汽引射泵数量增加，管道供应压力无法满足离心泵供应压力要求的问题。该装置包括高位水池、软化水池、射流泵系统及传感器组件；射流泵系统包括高压水管道、软化水吸入管道、射流增压单元和出口管道，射流增压单元包括入口阀、喷嘴、吸入室和混合室，混合室包括锥管、喉管和扩张管，吸入室的出口与锥管入口连通；高压水管道入口与高位水池连通，其出口通过入口阀与喷嘴的入口连通，喷嘴出口从吸入室入口伸入且靠近锥管设置，扩张管出口与出口管道的进口连通；软化水吸入管道的入口与软化水池连通，软化水吸入管道的出口设置在吸入室的侧壁。

Description

一种介质射流增压供应装置及制作方法
技术领域
本发明属于航空、航天技术领域，涉及介质增压供应技术，具体涉及一种用于吸气式发动机引射系统的介质射流增压供应装置及制作方法。
背景技术
蒸汽引射是吸气式发动机试验系统的一个重要组成部分，作用是为自由射流试验及直连试验提供发动机工作所需要的真空环境。蒸汽引射系统工作时，需要利用离心泵提供一定压力、流量的软化水作为工作介质。
随着起动的蒸汽引射泵数量增加，软化水供应流量范围为90kg/s～720kg/s，离心泵及入口管道要求软化水供应压力范围为50kPa～0.6MPa。软化水供应水源为软化水池，供应压力为160kPa，供应流量增大至360kg/s后，由于管道流阻，管道供应压力会下降至50kPa以下，无法满足离心泵及入口管道的供应压力要求。
发明内容
为了解决现有蒸汽引射系统随着起动的蒸汽引射泵数量增加，管道供应压力会下降至50kPa以下，无法满足离心泵及入口管道供应压力要求的技术问题，本发明提供了一种介质射流增压供应装置及制作方法。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种介质射流增压供应装置，其特殊之处在于：包括高位水池、软化水池、射流泵系统及传感器组件；
所述射流泵系统包括高压水管道、软化水吸入管道、射流增压单元和出口管道，射流增压单元包括入口阀、喷嘴、吸入室和混合室，混合室包括依次连通的锥管、喉管和扩张管，吸入室的出口与锥管入口连通；
所述高压水管道的入口与高位水池连通，高压水管道的出口通过入口阀与喷嘴的入口连通，喷嘴的出口从吸入室入口伸入且靠近锥管设置，扩张管出口与出口管道的进口连通；
所述软化水吸入管道的入口与软化水池连通，软化水吸入管道的出口设置在吸入室的侧壁；
所述传感器组件包括喷嘴入口压力传感器、吸入室入口压力传感器和出水压力传感器，喷嘴入口压力传感器位于喷嘴的入口处，吸入室入口压力传感器位于吸入室的入口处，出水压力传感器位于出口管道上；
所述喉管的截面面积A2与喷嘴出口截面面积A1的面积比m满足以下方程组：
Figure BDA0002777905090000021
其中，h为射流泵系统压力比，
Figure BDA0002777905090000022
式中P1为喷嘴入口处压力，P2为吸入室入口压力，Pc为出口管道的目标出口压力；
Figure BDA0002777905090000023
为喷嘴流量系数；q0为理想流量比值，h0为理想压力比值；
q为射流泵系统流量比，
Figure BDA0002777905090000024
被引射液体流量q2为吸入室的流量，高压工作液体流量q1为喷嘴的流量。
进一步地，还包括工况调节支路，工况调节支路包括工况调节阀和减压孔板，工况调节阀的进口与高压水管道的出口连通，工况调节阀的出口通过减压孔板与喷嘴的入口连通；
所述传感器组件还包括设置在高压水管道进口处的高压水源压力传感器。
进一步地，还包括防水击旁通支路，防水击旁通支路包括设置在高压水管道出口和喷嘴入口之间的防水击管道以及设置在防水击管道上的孔板和截止阀。
进一步地，所述喷嘴包括多个不同参数的可更换喷嘴；喷嘴的出口与喉管的间距可调。
进一步地，所述喷嘴出口的收缩角取值范围为30°～40°；
所述锥管的收缩角取值范围为45°～60°；
所述扩张管的圆锥角为8°～10°
进一步地，
Figure BDA0002777905090000031
取值为0.98。
同时，本发明还提供了一种上述介质射流增压供应装置的制作方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1：根据喷嘴入口处压力P1、吸入室入口压力P2及射流泵系统的目标出口压力Pc，通过公式
Figure BDA0002777905090000032
计算射流泵系统压力比h；
S2：根据射流泵系统压力比h和射流泵系统最大效率η，按下式计算射流泵系统流量比q；
Figure BDA0002777905090000033
S3：由性能方程计算喉管截面面积A2与喷嘴出口截面面积A1的面积比m，性能方程如下：
Figure BDA0002777905090000034
S4：由喷嘴流量公式
Figure BDA0002777905090000035
计算喷嘴出口截面面积A1和喷嘴出口直径D1，其中，ρ为高位水池中高压水密度，ΔP为喷嘴入口压力与喷嘴出口压力的差值，再根据喷嘴出口直径D1设计喷嘴出口的收缩角，且喷嘴出口的收缩角小于等于40°；
S5：根据面积比m和喷嘴出口截面面积A1计算喉管的截面面积A2和喉管的直径D2，再根据喉管直径D2设计混合室的锥管和扩张管，且锥管的收缩角小于等于60°，扩张管的圆锥角小于等于10°；
S6：按照步骤S4所得参数，采用加工设备制作喷嘴，按照步骤S5所得参数，采用加工设备制作混合室，并组装、搭建其余部件，得到所述介质射流增压供应装置。
进一步地，步骤6)：还包括在喷嘴入口处增加防水击旁通支路，防水击旁通支路包括孔板和截止阀，通过防水击旁通支路调整喷嘴起动及关闭时高压水流量(通过调整阀门动作时长以及支路供应流量，来改变水击压力)。
进一步地，所述步骤6)还包括：在喷嘴入口处增加工况调节支路，工况调节支路包括工况调节阀和减压孔板，减压孔板靠近喷嘴设置。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明供应装置以高位水池中软化水作为高压工作介质，对软化水池中软化水进行引射增压，利用高压射流介质从喷嘴流出的高动能形成低压区域，引射软化水池中低压介质，与低压介质混合完成动量交换，然后一同进入混合室，混合室的扩压管进行减速增压，将动能转化为压力势能，从而提高泵后压力，以满足试验所需供应压力要求。
2、本发明供应装置设计有工况调节支路，可通过减压孔板调整喷嘴入口压力，以满足不同的工况需求。
3、本发明供应装置设计有防水击旁通支路，具备防水击能力，射流泵系统起动及关机时，喷嘴入口水击压力控制低于系统最高允许压力70％，保证压力的稳定性。
4、本发明喷嘴包括多个不同参数的可更换喷嘴，可以通过改换喷嘴调整装置性能及调整喉嘴距，具备多工况切换和性能调节能力。
5、本发明制作方法可覆盖无返流、存在返流等全部工作情况，且设计技术参数与实际工作参数偏差≤5％，使得供应装置可以满足试验系统所有工况条件下，对软化水供应压力、流量的要求。
附图说明
图1是本发明介质射流增压供应装置结构示意图；
图2是图1的Ⅰ处局部放大示意图；
其中，附图标记如下：
1-高压水管道，2-入口阀，3-工况调节支路，4-防水击旁通支路，5-喷嘴，6-吸入室，7-混合室，71-锥管，72-喉管，73-扩张管，8-软化水吸入管道，9-出口管道，10-高压水源压力传感器，11-喷嘴入口压力传感器，12-吸入室入口压力传感器，13-出水压力传感器，14-高位水池，15-软化水池。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
如图1所示，一种介质射流增压供应装置，包括高位水池14、软化水池15、射流泵系统、工况调节支路3、防水击旁通支路4、高压水源压力传感器10、喷嘴入口压力传感器11、吸入室入口压力传感器12和出水压力传感器13，高位水池14所处位置高于软化水池15的位置。
射流泵系统包括高压水管道1、软化水吸入管道8、射流增压单元和出口管道9，射流增压单元包括入口阀2、喷嘴5、吸入室6和混合室7，如图2所示，混合室7包括依次连通的锥管71、喉管72和扩张管73，吸入室6的出口与锥管71入口连通。
高压水管道1的入口与高位水池14连通，高压水管道1的出口通过入口阀2与喷嘴5的入口连通，喷嘴5的出口从吸入室6入口伸入且靠近锥管71设置，喷嘴5与吸入室6之间采用可更换设计，喷嘴5包括多个不同参数的可更换喷嘴，可以通过改换喷嘴5调整装置性能及调整喉嘴距，喉嘴距为喷嘴5出口和喉管72之间的间距；扩张管73出口与出口管道9的进口连通，出口管道9的出口连接至有介质供应需求的设备。
软化水吸入管道8的入口与被引射软化水池15连通，软化水吸入管道8的出口设置在吸入室6的侧壁，且与吸入室6内腔连通。
高压水源压力传感器10位于高压水管道1进口处，喷嘴入口压力传感器11位于入口阀2结合喷嘴5之间，吸入室入口压力传感器12位于吸入室6的入口处，出水压力传感器13位于出口管道9的直管段上。
工况调节支路3包括工况调节阀和减压孔板，工况调节阀的进口与高压水管道1的出口连通，工况调节阀的出口通过减压孔板与喷嘴5的入口连通，工况调节支路3通过减压孔板进行压力调整。
防水击旁通支路4包括设置在高压水管道1出口和喷嘴5入口之间的防水击管道以及设置在防水击管道上的孔板和截止阀，通过调整阀门动作时长以及支路供应流量，来改变水击压力大小，防止喷嘴5入口供应系统在使用时发生结构损坏、漏水等故障。
基于上述介质射流增压供应装置，本实施例提供一种上述介质射流增压供应装置的制作方法，包括以下步骤：
S1：根据高压水供应压力、低压水供应压力及射流泵目标压力，计算确定射流泵系统压力比h；
Figure BDA0002777905090000061
Pc为射流泵系统的目标出口压力，P1喷嘴5入口处压力(高压水供应压力)，P2吸入室6入口压力(被引射液体压力，即低压水供应压力)；
S2：根据压力比h，结合射流泵系统最大效率(射流泵系统η：
Figure BDA0002777905090000062
)，计算得出高压工作液体流量q1(喷嘴的流量)及被引射水流量(吸入室的流量)q2，确定射流泵流量比q；
Figure BDA0002777905090000063
S3：射流泵系统性能曲线由喉管72截面面积A2与喷嘴5出口截面面积A1的面积比m确定，面积比
Figure BDA0002777905090000064
性能方程如下：
Figure BDA0002777905090000065
式中：
Figure BDA0002777905090000066
为喷嘴5流量系数，/>
Figure BDA0002777905090000067
取值为0.98；q0为理想流量比值，h0为理想压力比值，由性能方程及压力比h、流量比q计算得出面积比m；
S4：设计高压水喷嘴5
S41：由喷嘴5流量公式
Figure BDA0002777905090000068
计算喷嘴5出口截面面积A1，其中，q1为高压水流量，ρ为高位水池14中高压水密度，ΔP为喷嘴5入口压力与喷嘴5出口压力的差值，/>
Figure BDA0002777905090000069
为喷嘴5流量系数，取值0.98；
S42：根据喷嘴5出口截面面积A1计算确定喷嘴5出口直径D1；
S43：根据喷嘴5出口直径D1设计喷嘴5出口的收缩角，喷嘴5出口的收缩角一般不大于40°；
S5：设计混合室7
S51：根据面积比m和喷嘴5出口截面面积A1计算喉管72的截面面积A2；
S52：根据喉管72的截面面积A2计算混合室7的喉管72直径D2，喉管72长度设计一般为喉管72直径的0.5～1.0倍；
S53：根据喉管72直径D2设计混合室7的锥管71和扩张管73，锥管71的收缩角小于等于60°，扩张管73的圆锥角小于等于10°；
S6：按照步骤S4所得参数，采用加工设备制作喷嘴5，按照步骤S5所得参数，采用加工设备制作混合室7，并组装、搭建其余部件，得到所述介质射流增压供应装置；
S7：计算高压水管道1水击压力，调整喷嘴5起动及关闭时高压水流量；在喷嘴5入口阀2门处设置防水击旁通支路；
S8：根据不同工况要求，在高压喷嘴5入口设计并联支路，调整喷嘴5入口高压水压力及流量，为离心泵供应满足压力及流量要求的介质射流。
对本实施例射流增压供应装置的工况进行验证：
射流增压供应装置在运行时，若装置出口测得总流量qc小于喷嘴流量q1时，认为存在返流。为了获取射流增压供应装置准确工作性能，根据返流大小，计算射流增压供应装置出口压力，具体如下：
a)按照下式计算返流占比
Figure BDA0002777905090000071
b)判断返流占比，若返流占比|a|在50％以内，增压供应装置的出口压力Pcˊ通过以下方程组计算：
Figure BDA0002777905090000081
其中，q0ˊ＝(5m-1.04)0.5-2.2；若返流占比|a|在35％以内时，h0ˊ＝1.45m-0.878，若返流占比|a|在35％至50％时，h0ˊ＝1.75m-0.878；，
若返流占比|a|≥50％时，增压供应装置的出口压力Pcˊ等于喷嘴5入口压力；
c)通过上述计算，得出的出口压力Pcˊ均在离心泵及入口管道供应压力要求范围内，因此本实施例制作出的供应装置可覆盖无返流、存在返流等全部工作情况，且设计技术参数与实际工作参数偏差≤5％，使得供应装置可以满足试验系统所有工况条件下，对软化水供应压力、流量的要求。
本实施例供应装置工作原理为利用高压射流介质的从喷管流出的高动能形成低压区域，引射低压介质，与低压介质混合完成动量交换，然后一同进入扩压管减速增压，将动能转化为压力势能，从而提高泵后压力。根据射流装置制作方法，进行射流增压系统计算及安装设计，选择供水压力为1MPa的高位水池软化水作为高压工作介质，对低压软化水进行引射增压，增压系统出口压力范围0.35MPa～0.6MPa。射流增压系统可以满足试验系统所有工况条件下，对软化水供应压力、流量的要求。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (7)

1.一种介质射流增压供应装置，其特征在于：包括高位水池(14)、软化水池(15)、射流泵系统、工况调节支路(3)、传感器组件及防水击旁通支路(4)；
所述射流泵系统包括高压水管道(1)、软化水吸入管道(8)、射流增压单元和出口管道(9)，射流增压单元包括入口阀(2)、喷嘴(5)、吸入室(6)和混合室(7)，混合室(7)包括依次连通的锥管(71)、喉管(72)和扩张管(73)，吸入室(6)的出口与锥管(71)入口连通；
所述高压水管道(1)的入口与高位水池(14)连通，高压水管道(1)的出口通过入口阀(2)与喷嘴(5)的入口连通，喷嘴(5)的出口从吸入室(6)入口伸入且靠近锥管(71)设置，扩张管(73)出口与出口管道(9)的进口连通；
所述软化水吸入管道(8)的入口与软化水池(15)连通，软化水吸入管道(8)的出口设置在吸入室(6)的侧壁；
所述传感器组件包括喷嘴入口压力传感器(11)、吸入室入口压力传感器(12)和出水压力传感器(13)，喷嘴入口压力传感器(11)位于喷嘴(5)的入口处，吸入室入口压力传感器(12)位于吸入室(6)的入口处，出水压力传感器(13)位于出口管道(9)上；
工况调节支路(3)包括工况调节阀和减压孔板，工况调节阀的进口与高压水管道(1)的出口连通，工况调节阀的出口通过减压孔板与喷嘴(5)的入口连通；
所述传感器组件还包括设置在高压水管道(1)进口处的高压水源压力传感器(10)；
防水击旁通支路(4)包括设置在高压水管道(1)出口和喷嘴(5)入口之间的防水击管道以及设置在防水击管道上的孔板和截止阀；
所述喉管(72)的截面面积A2与喷嘴(5)出口截面面积A1的面积比m满足以下方程组：
Figure FDA0004131266460000021
其中，h为射流泵系统压力比，
Figure FDA0004131266460000022
式中P1为喷嘴(5)入口处压力，P2为吸入室(6)入口压力，Pc为出口管道(9)的目标出口压力；
Figure FDA0004131266460000023
为喷嘴(5)流量系数；q0为理想流量比值，h0为理想压力比值；
q为射流泵系统流量比，
Figure FDA0004131266460000024
被引射液体流量q2为吸入室(6)的流量，高压工作液体流量q1为喷嘴(5)的流量；
所述射流增压供应装置的出口压力Pcˊ的计算方式如下所示：
通过下式计算返流比，并根据返流比得到对应的出口压力Pcˊ；
Figure FDA0004131266460000025
其中，qc为装置出口的总流量；
若返流占比|a|在50％以内，增压供应装置的出口压力Pcˊ通过以下方程组计算：
Figure FDA0004131266460000026
其中，q0ˊ＝(5m-1.04)0.5-2.2；若返流占比|a|在35％以内时，h0ˊ＝1.45m-0.878，若返流占比|a|在35％至50％时，h0ˊ＝1.75m-0.878；
若返流占比|a|≥50％时，增压供应装置的出口压力Pcˊ等于喷嘴(5)入口压力。
2.根据权利要求1所述介质射流增压供应装置，其特征在于：所述喷嘴(5)包括多个不同参数的可更换喷嘴；喷嘴(5)的出口与喉管(72)的间距可调。
3.根据权利要求2所述介质射流增压供应装置，其特征在于：所述喷嘴(5)出口的收缩角取值范围为30°～40°；
所述锥管(71)的收缩角取值范围为45°～60°；
所述扩张管(73)的圆锥角为8°～10°。
4.根据权利要求3所述介质射流增压供应装置，其特征在于：
Figure FDA0004131266460000035
取值为0.98。
5.一种权利要求1所述介质射流增压供应装置的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据喷嘴(5)入口处压力P1、吸入室(6)入口压力P2及射流泵系统的目标出口压力Pc，通过公式
Figure FDA0004131266460000031
计算射流泵系统压力比h；
S2：根据射流泵系统压力比h和射流泵系统最大效率η，按下式计算射流泵系统流量比q；
Figure FDA0004131266460000032
S3：由性能方程计算喉管(72)截面面积A2与喷嘴(5)出口截面面积A1的面积比m，性能方程如下：
Figure FDA0004131266460000033
S4：由喷嘴(5)流量公式
Figure FDA0004131266460000034
计算喷嘴(5)出口截面面积A1和喷嘴(5)出口直径D1，其中，ρ为高位水池(14)中高压水密度，△P为喷嘴(5)入口压力与喷嘴(5)出口压力的差值，再根据喷嘴(5)出口直径D1设计喷嘴(5)出口的收缩角，且喷嘴(5)出口的收缩角小于等于40°；
S5：根据面积比m和喷嘴(5)出口截面面积A1计算喉管(72)的截面面积A2和喉管(72)的直径D2，再根据喉管(72)直径D2设计混合室(7)的锥管(71)和扩张管(73)，且锥管(71)的收缩角小于等于60°，扩张管(73)的圆锥角小于等于10°；
S6：按照步骤S4所得参数，采用加工设备制作喷嘴(5)，按照步骤S5所得参数，采用加工设备制作混合室(7)，并组装、搭建其余部件，得到所述介质射流增压供应装置；
S7：获取射流增压供应装置准确工作性能
a)按照下式计算返流占比
Figure FDA0004131266460000041
b)判断返流占比，若返流占比|a|在50％以内，增压供应装置的出口压力Pcˊ通过以下方程组计算：
Figure FDA0004131266460000042
其中，q0ˊ＝(5m-1.04)0.5-2.2；若返流占比|a|在35％以内时，h0ˊ＝1.45m-0.878，若返流占比|a|在35％至50％时，h0ˊ＝1.75m-0.878；
若返流占比|a|≥50％时，增压供应装置的出口压力Pcˊ等于喷嘴(5)入口压力。
6.根据权利要求5所述介质射流增压供应装置的制作方法，其特征在于：步骤6)：还包括在喷嘴(5)入口处增加防水击旁通支路(4)，防水击旁通支路(4)包括孔板和截止阀，通过防水击旁通支路(4)调整喷嘴(5)起动及关闭时高压水流量。
7.根据权利要求6所述介质射流增压供应装置的制作方法，其特征在于：所述步骤6)还包括：在喷嘴(5)入口处增加工况调节支路(3)，工况调节支路(3)包括工况调节阀和减压孔板，减压孔板靠近喷嘴(5)设置。
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