CN116480636B - 一种带导流结构的双级射流器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种带导流结构的双级射流器，包括腔体和喷嘴，所述腔体的另一端设有第一进气口和第二进气口，所述喷嘴包括一级喷嘴和二级喷嘴，所述一级喷嘴位于混合腔内，所述二级喷嘴可轴向移动安装在一级喷嘴内，通过二级喷嘴的移动，使第二进气口与第一射流通道或者与2条射流通道连通；还包括导叶片，所述第一进气口和混合腔的吸入腔内分别设有导叶片，其中所述吸入腔内的导叶片可转动，控制系统根据二级喷嘴的位置，控制吸入腔内导叶片的转动角度。本发明在第一进气口和等压混合腔中设置导流叶片，根据电堆输出功率大小，水平移动第二喷嘴，同时配合控制旋转导叶片的转动，使二次流气体以最佳角度切入一次流气体中。

Description

一种带导流结构的双级射流器
技术领域
本发明涉及射流器领域或者燃料电池领域，特别涉及一种带导流结构的双级射流器。
背景技术
质子交换膜燃料电池作为一种高效的电化学能量转换装置，以氢气作为燃料，通过反应产生水，且发电效率不受卡诺循环的限制，是满足未来社会对高效、清洁和经济能源系统的需求。为了实现燃料电池系统的高效率运行，将使用供氢系统对燃料电池电堆进行过量供氢，因此需要将通过电堆但未反应的氢气进行回收再利用，以提高其效率。
目前氢气循环系统多采用循环泵进行氢气的回收利用，但氢循环泵需要满足密封性、低温冷启动和减震降噪的性能。而射流器作为纯机械结构，利用压力差及粘性剪切作用带动射流气体重新进行循环，具有无额外的寄生损耗且工作噪声小的优势，因而广泛应用于氢循环系统的设计中。
然而，现有的大多数射流器发明中，第一进气口与第二进气口管道一般呈垂向放置，且出于尽量使高速流气体靠近混合室以增加循环效率的目的，一般设计将第二进气出口往前移动，但是这将使第二进气口喷嘴出口截面与第一进气口管道截面相交，造成流通面积减小的缺点，从而导致部分被引射气体进入混合室前，撞击于喷嘴侧壁面形成涡旋，减少被引射气体的有效卷吸量，同时由于上述几何结构的垂直关系，被引射气体进入混合室时，以近乎垂直的角度直接切入第二进气口喷嘴出口的高速流中，这样两股气流会有较强烈的冲撞，造成大幅度动能损耗的同时，会产生周向的气流波动，造成混合室前端不稳定的混合流动现象。在混合室前端气体速度流动降缓，同时湍流波动影响其边界层的运动状态，气流波动的影响将传递至等容混合室中，固定结构下将无法完成一次流气体与二次流气体的能量混合过程，不稳定的气体移动至扩压管，将影响扩压效果与射流器出口压力，从而影响电堆的供给压力，无法达到燃料电池电堆系统各工况点的最优输出效率。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种带导流结构的双级射流器，通过设置第一射流通道和第二射流通道，可以根据燃料电池输出功率的大小，选择不同的射流通道，其中，通过二级喷嘴一端伸出一级喷嘴端面，达到两个射流通道出口轴向台阶的效果，防止多通道射流器前端因多股气流同时混合带来涡旋、震荡等不稳定现象。同时，本发明在第一进气口和等压混合腔中设置导流叶片，根据电堆输出功率大小，水平移动第二喷嘴时，同时配合控制吸入腔中旋转导叶片的转动，使二次流气体以最佳角度切入一次流气体中，最大程度利用一次流剪切应力，引导气流缓和交汇。使射流通道出口气体均匀混合的同时保持高速，降低能量损失，以高速稳定的气流进入混合腔与扩压室，并稳定供给于电堆。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种带导流结构的双级射流器，包括腔体和喷嘴，所述腔体的一端为出口，所述腔体的另一端设有第一进气口和第二进气口，所述腔体内设有与第一进气口连通的混合腔；所述喷嘴包括一级喷嘴和二级喷嘴，所述一级喷嘴位于混合腔内，所述一级喷嘴安装在腔体的另一端上；所述二级喷嘴可轴向移动安装在一级喷嘴内，且所述二级喷嘴一端插入一级喷嘴内部空腔内，所述二级喷嘴外壳与一级喷嘴内部空腔之间的空间为第一射流通道，所述二级喷嘴内的中心孔为第二射流通道；通过二级喷嘴的移动，使第二进气口与第一射流通道或者与2条射流通道连通；
还包括导叶片，所述第一进气口和混合腔的吸入腔内分别设有导叶片，其中所述吸入腔内的导叶片可转动，控制系统根据二级喷嘴的位置，控制吸入腔内导叶片的转动角度。
进一步，所述导叶片包括第一固定导叶片、第二固定导叶片和旋转导叶片；所述第一进气口内设有第一固定导叶片和第二固定导叶片，所述第一固定导叶片与第一进气口的横截面平行，所述第二固定导叶片与第一进气口的横截面垂直；所述旋转导叶片位于所述一级喷嘴与吸入腔壁面之间，所述旋转导叶片一端与吸入腔壁面铰接，通过外力使旋转导叶片转动。
进一步，所述第一固定导叶片的厚度为所述第一进气口公称直径的0.15-0.18倍；所述第一固定导叶片的进口边形状为圆形，所述第一固定导叶片出口形状为弧形；所述第一固定导叶片进口处圆形的内径与所述第一固定导叶片的厚度相同；所述第一固定导叶片出口处的弧形交点位于所述第一固定导叶片出口处的中线上。
进一步，所述第二固定导叶片的厚度为所述第一进气口公称直径的0.6-0.8倍；所述第二固定导叶片的进口边形状为圆形，所述第二固定导叶片出口形状为弧形；所述第二固定导叶片进口处圆形的内径与所述第二固定导叶片的厚度相同；所述第二固定导叶片出口处的弧形交点位于所述第二固定导叶片出口处的中线上。
进一步，所述第一固定导叶片出口弧形尖端靠近第二固定导叶片曲率侧面中心处，所述第一固定导叶片出口弧形尖端到所述第二固定导叶片曲率侧面圆心距离为第一进气口公称直径的0.3-0.4倍，所述第二固定导叶片出口弧形尖端靠近一级喷嘴渐缩壳体转折点处，所述第二固定导叶片出口弧形尖端到一级喷嘴壳体的最小距离为第一进气口公称直径的0.03-0.05倍。
进一步，所述旋转导叶片的厚度为所述吸入腔最小直径的0.5-0.7倍；所述旋转导叶片的进口边形状为圆形，所述第二固定导叶片出口形状为弧形，呈扁平针状；所述旋转导叶片进口处圆形的内径与所述第二固定导叶片的厚度相同；所述旋转导叶片出口处的弧形交点位于所述旋转导叶片出口处的中心线上。
进一步，所述二级喷嘴一端伸出一级喷嘴端面，用于防止避免喷嘴出口产生涡旋；伸出一级喷嘴端面的所述二级喷嘴一端到吸入腔出口处横截面的距离为NXP，NXP为0.8~1.1Dm，其中Dm为吸入腔出口的公称直径。
进一步，所述二级喷嘴的壳体根据流向依次设有第一段壳体、第二段壳体和引导端；所述引导端插入一级喷嘴内，使第一射流通道出口横截面呈环形；所述引导端一端伸出一级喷嘴端面；所述引导端的外轮廓面根据流向依次设有第一导流面和第三导流面，所述第一导流面一侧与第二段壳体圆滑过渡，通过对第一射流通道出口气体施加支撑力，用于使第一射流通道出口气体保持水平前进；位于第二射流通道出口处的所述引导端的内孔设有第二导流面，通过对第二射流通道出口气体径向分流约束，用于使第二射流通道出口气体在两个射流通道混合前保持水平前进；所述第三导流面为渐缩锥面， 通过第二射流通道出口气体与进入混合腔的气体组成的混合气体沿第三导流面倾斜切入第一射流通道出口气体，用于缓和两股气流混合。
进一步，所述第三导流面的倾斜角度随着引导端的轴向长度的增加而增加；所述第三导流面与轴向之间的夹角为8~15度。
进一步，所述第二导流面出口处设有扩压段，所述扩压段内轮廓的锥度为正锥度θ，所述第三导流面锥度大于扩压段内轮廓的锥度。
本发明的有益效果在于：
1．本发明所述的带导流结构的双级射流器，在第一进气口和等压混合腔中设置导流叶片，根据电堆输出功率大小，水平移动第二喷嘴时，同时配合控制混合腔中旋转导叶片的转动，使二次流气体以最佳角度切入一次流气体中，最大程度利用一次流剪切应力，引导气流缓和交汇，还可以是使射流通道出口气体均匀混合的同时保持高速，降低能量损失，以高速稳定的气流进入混合腔与扩压室，并稳定供给于电堆。
2．本发明所述的带导流结构的双级射流器，固定导流片设置在第一进气口，固定导流片出口与一级喷嘴倾斜状结构的入口对应设置，使固定导流叶片可对第一进气口的气体高效汇集与导流，减少气体在第一进气口通道的损耗，最大程度减少进入混合腔的气体损失。同时在一定程度上加速气体流动。
3. 本发明所述的带导流结构的双级射流器，所述弧形旋转导叶片设置在一级喷嘴与等压混合腔壁面间的中心处，且与第三导流面的锥度中心相对应。在实际工作中，二级喷嘴水平前进的同时，改变磁场角度以驱动旋转导叶片所在的转动副，往轴向方向正向旋转；二级喷嘴水平后退的同时，改变磁场角度使旋转导叶片往轴向方向负方向旋转，配合第三导流面的锥度达到最佳的弯曲方向，改善了第一进气口的入流方向，提高了有效入流的质量流量，从而提高射流器的循环效率。
4．本发明所述的带导流结构的双级射流器，通过二级喷嘴一端伸出一级喷嘴端面，达到两个射流通道出口轴向台阶的效果，防止多通道射流器前端因多股气流同时混合带来涡旋、震荡等不稳定现象。伸出一级喷嘴端面的所述二级喷嘴一端到混合腔出口处横截面的距离为NXP，当NXP为0.8~1.1Dm时，夹带效果和气流混合效果最佳。
5 本发明所述的带导流结构的双级射流器， 所述引导端插入喷射段内，使第一射流通道出口横截面呈环形，引导端的外轮廓面根据流向依次设有第一导流面和第三导流面，所述第一导流面通过对第一射流通道出口气体施加支撑力，使第一射流通道出口气体保持水平前进；所述第三导流面为渐缩锥面， 通过第二射流通道出口气体与进入混合腔的气体组成的混合气体沿第三导流面倾斜切入第一射流通道出口气体，缓和两股气流混合。位于第二射流通道出口处的所述引导端的内孔设有第二导流面，通过对第二射流通道出口气体径向分流约束，使第二射流通道出口气体在两个射流通道混合前保持水平前进。所述喷射段为锥孔，所述第三导流面的锥度与喷射段锥孔的锥度大小相同，方向相反，可以缓和两级喷嘴气体的混合过程，且能使第一进气口流量较低时维持较高的流速。通过二级喷嘴出口处的扩压段，减小射流气体径向速度，缓和了第二射流通道出口气体与第一射流通道出口气体及射流气体的混合过程，降低能量损失，并利用气体剪切应力使气体混合均匀，以高速稳定的气流进入混合腔中，并稳定供给于电堆。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，显而易见地还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1所述的双级射流器装配图。
图2为本发明实施例1所述的喷嘴与阀座安装示意图。
图3为本发明实施例1的喷嘴初始位置图。
图4为本发明实施例1的喷嘴移动后的位置图。
图5为本发明中NXP距离的具体位置图。
图6为本发明实施例2所述的喷嘴与阀座安装示意图。
图7为本发明实施例3的二级喷嘴结构图。
图8为现有技术双级射流器单级工作时的仿真图。
图9为现有技术双级射流器双级工作时的仿真图。
图10为本发明实施例1双级射流器单级工作时的仿真图。
图11为本发明实施例1双级射流器双级工作时的仿真图。
图12为现有技术双级射流器单级工作时的流迹线图。
图13为现有技术双级射流器双级工作时的流迹线图。
图14为本发明实施例1双级射流器单级工作时的流迹线图。
图15为本发明实施例1双级射流器双级工作时的流迹线图。
图中：
1-腔体；1-1-壳体；1-2-第二进气口；1-3-变体积空腔；1-4-混合腔；2-第一进气口；4-喷嘴；4-1-一级喷嘴；4-1-1-过渡段；4-1-2-渐缩段；4-1-3-喷射段；4-2-二级喷嘴；4-2-1-第一段壳体；4-2-2-第二段壳体；4-2-3-引导端；4-2-3-1-第一导流面；4-2-3-2-第二导流面；4-2-3-3-第三导流面；4-2-3-4-扩压段；4-2-4-连接孔；4-3-电磁绕组；4-4-弹簧；5-导叶片；5-1-第一固定导叶片；5-2-第二固定导叶片；5-3-旋转导叶片；6-吸入腔。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明所述的带导流结构的双级射流器，包括腔体1、喷嘴4和导叶片5，所述腔体1壁面为壳体1-1，所述腔体1的一端为出口，所述腔体1的另一端设有第一进气口2，所述腔体1内设有与第一进气口2连通的混合腔1-4，所述混合腔1-4内安装喷嘴4，所述喷嘴4内设有2个独立的射流通道，所述壳体1-1上设有第二进气口1-2连通，通过喷嘴4的移动，使第二进气口1-2与第一射流通道或者与2条射流通道连通。在燃料电池领域一般所述第一进气口2与电堆内未反应的氢气和水蒸气的混合气连通；所述第二进气口1-2与供氢设备连通；根据燃料电池输出功率的大小控制阀芯动作，可以让射流器在燃料电池较宽输出功率范围内的工作性能得到大幅度提升。
所述导叶片5包括第一固定导叶片5-1、第二固定导叶片5-2和旋转导叶片5-3，所述第一固定导叶片5-1和第二固定导叶片5-2安装在第一进气口2的进口处，且第一固定导叶片5-1垂直于第一进气口2的进口处横截面，所述第二固定导叶片5-2平行于第一进气口2的进口处截面，且所述第一固定导叶片5-1一端的尖端靠近于第二固定导叶片5-2小曲率侧面中心处，便于第一固定导叶片5-1收集第一进气口2的气体并导入第二固定导叶片5-2，所述第二固定导叶片5-2一端的尖端靠近于一级喷嘴4-1的渐缩外壳转折点处附近，便于将第一进气口2处气体沿一级喷嘴4-1壁面进行引导，所述旋转导叶片5-3位于一级喷嘴4-1与混合腔1-4的等压壁面之间的中心位置，且旋转导叶片5-3一端铰接安装在混合腔1-4壁面，旋转导叶片5-3为磁性材料，通过外加磁场使旋转导叶片5-3转动，根据燃料电池输出功率的大小改变磁场角度，从而控制旋转导叶片5-3正向或反向的旋转，以适配第一进气口2出口处进入的混合气最佳入射角度。
实施例1
如图1和图2所示，所述喷嘴4包括一级喷嘴4-1和二级喷嘴4-2，所述一级喷嘴4-1位于混合腔1-4内，所述一级喷嘴4-1安装在腔体1的另一端上。所述一级喷嘴4-1内部空腔根据流向依次设有过渡段4-1-1、渐缩段4-1-2和喷射段4-1-3。所述二级喷嘴4-2可轴向移动安装在一级喷嘴4-1的过渡段4-1-1内，且所述二级喷嘴4-2一端插入一级喷嘴4-1内部空腔内，所述二级喷嘴4-2外壳与一级喷嘴4-1内部空腔之间的空间为第一射流通道，所述二级喷嘴4-2内的中心孔为第二射流通道。所述一级喷嘴4-1内设有电磁绕组4-3，所述二级喷嘴4-2为磁性材料，通过控制电磁绕组4-3产生磁场位置的变化，用于使二级喷嘴4-2沿过渡段4-1-1内壁滑动；一般仅将支撑在过渡段4-1-1内的二级喷嘴4-2一端的法兰盘设为磁性材料。
所述二级喷嘴4-2的壳体根据流向依次设有第一段壳体4-2-1、第二段壳体4-2-2和引导端4-2-3；所述引导端4-2-3插入喷射段4-1-3内，使第一射流通道出口横截面呈环形；所述引导端4-2-3一端伸出喷射段4-1-3端面并延伸至混合腔1-4中。所述引导端4-2-3与喷射段4-1-3之间的单边间隙大于传统机械设计中的间隙配合中的间隙，如常用的间隙配合为H7/h6、H8/f7、G7/h6、F8/h7。优选所述引导端4-2-3插入喷射段4-1-3后，所述引导端4-2-3与喷射段4-1-3之间的单边间隙不超过0.1mm，这个根据燃料电池低功率输出所需要的流量和压力，结合环形第一射流通道确定的。
所述腔体1包括壳体1-1和第二进气口1-2；所述壳体1-1上设有第二进气口1-2，用于与供氢系统连通。一般所述壳体1-1后安装节流阀或者内置节流阀的阀座，节流阀出口与第二进气口1-2的进口的交汇口连通。所述二级喷嘴4-2另一端上设有若干与第一射流通道连通的连接孔4-2-4；第二进气口1-2与连接孔4-2-4的相位角一一对应。由于所述二级喷嘴4-2具有磁性，在电磁绕组4-3不产生磁场下，所述二级喷嘴4-2可吸附在壳体1-1的内壁面，这样仅第一射流通道与第二进气口1-2连通；第一射流通道射出的气体在混合腔内产生低压区A，低压区A可以将第一进气口2内的气体吸入低压区A，从而使第一进气口2的气体与第二进气口1-2的气体在混合腔内混合，腔体的出口与电堆连通。当电磁绕组4-3产生磁场使二级喷嘴4-2克服吸附在壳体1-1的吸附力，沿过渡段4-1-1内壁滑动时，二级喷嘴4-2内的中心孔和连接孔4-2-4分别与第二进气口1-2连通，即第一射流通道和第二射流通道分别与第二进气口1-2连通，第一射流通道和第二射流通道射出的气体共同在混合腔内产生低压区B，低压区B可以将第一进气口2内的气体吸入低压区B，从而使第一进气口2的气体与第二进气口1-2的气体在混合腔内混合，腔体的出口与电堆连通。
仅利用磁性将所述二级喷嘴4-2吸附在壳体1-1的内壁面，可能在第二进气口1-2进气时产生反作用力将二级喷嘴4-2反向推动，因此在二级喷嘴4-2法兰盘与过渡段4-1-1之间设有弹簧4-4；这样利用弹簧4-4的压力使二级喷嘴4-2与壳体1-1的内壁面紧密配合；通过控制电磁绕组4-3产生磁场，用于使二级喷嘴4-2克服弹簧4-4的压力沿过渡段4-1-1内壁滑动。
实施例1中除了使用电磁绕组4-3使二级喷嘴4-2在过渡段4-1-1内壁轴向移动外，还可以在壳体1-1内或者壳体1-1后端安装执行机构，利用执行机构使二级喷嘴4-2在过渡段4-1-1内壁轴向移动。这里执行机构可以是推杆机构或者丝杆机构或者气缸。
所述导叶片5包括第一固定导叶片5-1，第二固定导叶片5-2和旋转导叶片5-3；所述第一进气口2所在管道内设置有第一固定导叶片5-1和第二固定导叶片5-2，两者进口形状均为圆形，出口形状为弧形。第一进气口2的混合气体依次经过第一固定导叶片5-1与第二固定导叶片5-2，或者直接经第二固定导叶片5-2被吸入至混合腔1-4中。其中，第一固定导叶片5-1与第一进气口2横截面呈平行，曲率较小一端侧面更靠近第一进气口2，且出口弧形尖端靠近于第二固定导叶片5-2小曲率一面的中心处，这样较大程度对第一进气口2出口的混合气体进行收集并引导至第二固定导叶片5-2的导流面，有效抑制了第一进气口2所在管道出口处与第一喷嘴间的气体碰撞产生的分离与回流现象，第二固定导叶片5-2的截面与第一进气口2的截面呈垂直分布，且第二固定导叶片5-2的出口弧形尖端靠近一级喷嘴4-1渐缩壳体转折点处，将经过其截面上的混合气体引入至吸入腔6中，提高了相同时间内进入吸入腔6中的有效质量流量，且第二固定导叶片5-2圆弧形的进口与尖端出口形状设计更有利于气体流动。
而旋转导叶片5-3设置于混合腔1-4的等压室内也就是混合腔的渐缩处，即吸入腔6内，其所述旋转导叶片5-3位于一级喷嘴4-1与混合腔1-4的等压壁面之间的中心位置，以接收第一进气口2出口处的部分混合气体进行引导。如图3和图4所示，旋转导叶片5-3一端与混合腔1-4壁面铰接，将旋转导叶片5-3中线与水平方向的夹角定义为ω，当二级喷嘴4-2伸出一级喷嘴4-1位移最短处，即电磁绕组4-3未通电，只有第一射流通道工作，此时旋转导叶片5-3中线与水平方向的夹角ω为B，即二级喷嘴4-2伸出一级喷嘴4-1位移最短处，实施例中为42°；当电磁绕组4-3通电，第一射流通道和第二射流通道共同工作时，此时旋转导叶片5-3中线与水平方向的夹角ω为A，即二级喷嘴4-2伸出一级喷嘴4-1位移最长处，实施例中为30°；旋转导叶片5-3由一对上下侧的旋转导叶片组成，两组叶片的结构以该双级射流器中心线所在水平截面对称，能更稳定地实现引导气流运动的操作，同时，旋转导叶片5-3的铰接端叶片为弧形，旋转导叶片5-3的转动端叶片为尖端，这样能有效抑制混合腔中气体回流的部分。
所述第一固定导叶片5-1的厚度为所述第一进气口2公称直径的0.15-0.18倍；所述第一固定导叶片5-1的进口边形状为圆形，所述第一固定导叶片5-1出口形状为弧形；所述第一固定导叶片5-1进口处圆形的内径与所述第一固定导叶片5-1的厚度相同；所述第一固定导叶片5-1出口处的弧形交点位于所述第一固定导叶片5-1出口处的中线上。所述第二固定导叶片5-2的厚度为所述第一进气口2公称直径的0.6-0.8倍；所述第二固定导叶片5-2的进口边形状为圆形，所述第二固定导叶片5-2出口形状为弧形；所述第二固定导叶片5-2进口处圆形的内径与所述第二固定导叶片5-2的厚度相同；所述第二固定导叶片5-2出口处的弧形交点位于所述第二固定导叶片5-2出口处的中线上。所述第一固定导叶片5-1出口弧形尖端靠近第二固定导叶片5-2曲率侧面中心处，所述第一固定导叶片5-1出口弧形尖端到所述第二固定导叶片5-2曲率侧面圆心距离为第一进气口2公称直径的0.3-0.4倍，所述第二固定导叶片5-2出口弧形尖端靠近一级喷嘴4-1渐缩壳体转折点处，所述第二固定导叶片5-2出口弧形尖端到一级喷嘴4-1壳体的最小距离为第一进气口2公称直径的0.03-0.05倍。所述旋转导叶片5-3的厚度为所述吸入腔6最小直径的0.5-0.7倍；所述旋转导叶片5-3的进口边形状为圆形，所述第二固定导叶片5-2出口形状为弧形，呈扁平针状；所述旋转导叶片5-3进口处圆形的内径与所述第二固定导叶片5-2的厚度相同；所述旋转导叶片5-3出口处的弧形交点位于所述旋转导叶片5-3出口处的中心线上。所述旋转导叶片5-3进口边位置到所述吸入腔6壁面垂向距离为所述吸入腔6最小直径的0.16-0.2倍，所述旋转导叶片5-3出口到所述吸入腔6入口距离为所述吸入腔6最小直径的0.55-0.6倍，所述旋转导叶片5-3中段光滑过渡；所述第一固定导叶片5-1和第二固定导叶片5-2的中段均光滑过渡。
工作过程：
如图3所示，当燃料电池输出功率小于设定功率时，电磁绕组4-3失电，利用弹簧力使二级喷嘴4-2另一端与壳体1-1的内壁面贴合，仅第一射流通道与第二进气口1-2连通；第一射流通道射出的气体在混合腔内产生低压区A，低压区A可以将第一进气口2内的气体吸入低压区A，从而使第一进气口2的气体与第二进气口1-2的气体在混合腔内混合，腔体的出口与电堆连通，同时，由于初始时刻二级喷嘴4-2位于靠近壳体1-1一端，仅第一射流通道工作，控制旋转导叶片5-3往一级喷嘴4-1方向旋转至角度B的位置。此时燃料电池电堆的输出电流为31.3A~124.4A，随着电堆输出电流的升高，射流器第二进气口1-2的氢气质量流量从0.19g/s上升至0.49g/s。氢气质量流量整体较低，在经过一级喷嘴4-1时被加速，沿延伸的第二段壳体4-2-2壁面运动并经由引导端4-2-3引导改变方向，在引导端4-2-3的出口处与二次流气体接触混合，并以较小汇聚角（12°）朝射流器中线运动。同时，二次流气体进入截面积逐渐增大的吸入腔6时，部分气体呈现自由扩散状态，朝着与射流器中线垂直或近乎垂直的角度射入一次流。保持旋转导叶片5-3中线与射流器中线呈角度B不变，既可以通过旋转导叶片5-3的几何形状收集呈自由扩散状态的二次流气体,又能结合前述气体运动时的汇聚角，通过该放置角度合理调整二次流气体的入射角度，使其落在混合气体汇聚点所在的竖直平面上，从而降低动能损失。
如图4所示，当燃料电池输出功率大于等于设定功率时，电磁绕组4-3得电，使二级喷嘴4-2克服弹簧力移动，第一射流通道和第二射流通道分别与第二进气口1-2连通；第一射流通道和第二射流通道射出的气体共同在混合腔内产生低压区B，低压区B可以将第一进气口2内的气体吸入低压区B，从而使第一进气口2的气体与第二进气口1-2的气体在混合腔内混合，腔体的出口与电堆连通。低压区B的区域体积大于低压区A的区域体积，同时，随着燃料电池输出功率的增加，二级喷嘴4-2的一端朝着混合腔的方向移动，当燃料电池输出功率接近满载工况时，控制旋转导叶片5-3往远离一级喷嘴4-1方向旋转至角度A的位置，此时燃料电池电堆的输出电流为124.4A~559.8A，随着电堆输出电流的升高，射流器第二进气口1-2的氢气质量流量从0.49g/s上升至2.44g/s。随着氢气质量流量升高，二级喷嘴4-2朝一级喷嘴4-1出口方向匀速水平运动，有利于纯氢气在前端充分混合后进入喷嘴4，保障高输出电流下气体供给的稳定性。同时，气体经过一级喷嘴4-1与二级喷嘴4-2，喷嘴出口处的两股气流汇聚于二级喷嘴4-2的出口处，随着氢气质量流量升高带来二级喷嘴4-2的水平移动，两股气流的汇聚点也朝着相同方向水平移动。由于一级喷嘴4-1的位置与腔体1保持不变，吸入腔6的截面积逐渐增大，部分二次流气体呈自由扩散状，朝着与射流器中线垂直或近乎垂直的角度射入一次流。两者的接触将改变混合气体的气流方向。此时通过磁电机控制旋转导叶片5-3转动，使其中线与射流器中线的夹角从角度B下降至角度A。随着氢气质量流量变化，二级喷嘴4-2水平移动的过程中，保持旋转导叶片5-3中线与引导端4-2-3平面平行，既可以通过旋转导叶片5-3的几何形状收集呈自由扩散状态的二次流气体，又能通过旋转导叶片5-3的角度合理调整二次流气体的入射角度，使其落点随着混合气体汇聚点的移动而移动，从而降低能量损耗。
所述第一段壳体4-2-1的外轮廓为圆柱形，所述第二段壳体4-2-2的外轮廓为圆锥形，所述喷射段4-1-3为锥孔，用于在第一射流通道出口处形成渐扩环形出口。
所述二级喷嘴4-2一端伸出一级喷嘴4-1端面并延伸至混合腔1-4中，用于防止避免喷嘴4出口产生涡旋，可防止多通道引射器前端因多股气流同时混合带来涡旋、震荡等不稳定现象。如图5所示，伸出一级喷嘴端面的所述二级喷嘴一端到吸入腔6出口处横截面的距离为NXP，当NXP为0.8~1.1Dm时，夹带效果和气流混合效果最佳。吸入腔6出口处横截面可以理解为混合腔1-4的等压室出口与混合腔1-4的等容室的交界面。其中Dm为混合腔1-4等容室的公称直径。
所述引导端4-2-3的外轮廓面根据流向依次设有第一导流面4-2-3-1和第三导流面4-2-3-3，所述第一导流面4-2-3-1一侧与第二段壳体4-2-2圆滑过渡，通过对第一射流通道出口气体施加支撑力，用于使第一射流通道出口气体保持高速水平前进；位于第二射流通道出口处的所述引导端4-2-3的内孔设有第二导流面4-2-3-2，通过对第二射流通道出口气体径向分流约束，用于使第二射流通道出口气体在两个射流通道混合前保持高速水平前进；所述第三导流面4-2-3-3为渐缩锥面，第三导流面4-2-3-3对第一射流通道出口气体与射流气体所组成的混合气体施加支撑力，支撑力垂直于混合气体贴壁运动方向，使气体混合后保持高速前进。
实施例2
在实施例1的基础上，实施例2如图6所示，所述旋转导叶片5-3出口弧形的相切角与第二固定导叶片5-2出口弧形的相切角相同。吸入腔6空间为渐缩空间，第一进气口2出口气体流速加快，可以使等压混合腔中一次流与二次流汇合时总体动能上升，设置旋转导叶片5-3可以配合二级喷嘴4-2上的引导端4-2-3的移动距离，使二次流气体以较佳的角度切入一次流，减少汇合时能量的耗散。
实施例3
在实施例1或实施例2的基础上，实施例3如图7所示，所述第二段壳体4-2-2位于渐缩段4-1-2内，所述第二段壳体4-2-2与渐缩段4-1-2具有相同锥度的锥面。所述第二导流面4-2-3-2出口处设有扩压段4-2-3-4，扩压段4-2-3-4呈锥形或曲面渐变的弧形。所述扩压段4-2-3-4内轮廓的锥角θ，可选择的有5°至10°。所述第三导流面4-2-3-3的锥角为2β，所述第三导流面4-2-3-3锥角2β大于扩压段4-2-3-4内轮廓的锥角θ。
模拟分析：
工况设定：为了对比本发明结构相较于现有技术的有益效果，现采用统一工况分别对单级引射和双级引射的模式进行仿真。单级引射的条件下，仅开启第一射流通道，此时燃料电池的电堆输出电流为62.2A，从第二进气口进入的纯氢气质量流量为0.19g/s，且为常温25℃。从第一进气口进入的高温混合气体绝对压力为131kPa,其平均温度为67℃，以体积分数作为混合气体的组分衡量，成分组成为H2:N2:H2O=90%:5%:5%。双级引射的条件下，同时开启第一射流通道和第二射流通道，此时燃料电池的电堆输出功率为155.5A，从第二进气口进入的纯氢气质量流量为0.49g/s，且为常温25℃。从第一进气口进入的高温混合气体绝对压力为206kPa,其平均温度为71℃，以体积分数作为混合气体的组分衡量，成分组成为H2:N2:H2O=85%:7%:8%。
如图8所示，在现有技术的单级引射中，由于二级喷嘴4-2的第二射流通道出口的流速较高，在第二射流通道出口附近的高速流中，部分流体因速度边界层处流动缓慢遂脱落形成涡旋，工作时间较长时，涡核体积增大，将影响到高速流，削减其动能，降低夹带能力的同时会结合以形成不稳定流动的形式进入混合腔中，形成激波等现象，影响扩压效果及出口压力，从而降低进入电堆的供给压力，影响电堆系统的工作效率。
如图9所示，在现有技术的双级引射中，由于第一射流通道和第二射流通道同时开启，使得两股进气相互搅合，造成能量损失，同时减少高速流动能。影响卷吸效率，造成混合腔中激波、震荡等不稳定现象，最终移动至扩压管内，影响扩压效果和引射器出口压力，从而影响燃料电池电堆系统的工作效率。
以实施例1的结构为例，如图10所示，二级喷嘴4-2一端伸出一级喷嘴4-1端面，当NXP为1.1Dm时，图中可以看出，通过引导第一射流通道出口的高速流气体，避免了如图9中喷嘴出口附近的涡旋与气流不稳定，而本发明在接近等压室出口的位置气流混合，并以稳定的合流形态进入等容混合腔；如图12所示，二级喷嘴一端伸出一级喷嘴端面，当NXP为0.8Dm时，防止多通道引射器前端因多股气流同时混合带来涡旋、震荡等不稳定现象。并且合理设置引导喷嘴的外侧夹角，引导射流气体贴壁前行，保持相对高速与第一射流通道出口气体均匀混合。同时，通过缩减引导喷嘴末端的径向速度，缓和了第二射流通道出口气体与第一射流通道出口气体及射流气体的混合过程，降低能量损失，并利用气体剪切应力使气体混合均匀，以高速稳定的气流进入混合腔中，并稳定供给于电堆。图中可以看出，第一射流通道和第二射流通道的高速流气体在二级喷嘴出口处实现平滑过渡与汇合，避免了如图8和图9喷嘴出口附近出现的涡旋所致的混合流不均匀。同时，第二射流通道被延长，其与图8和图9相比，其出口气体的高速区域整体偏移于更接近等压室出口的位置，动能损耗降低。
同时，出于增加循环效率的目的，在双级射流器现有的结构设计上，喷嘴4与第一进气口2相交，流通面积减小。如图12和图13所示，部分第一进气口2的气体进入混合腔1-4前，由于在壳体1-1撞击形成涡旋，减少第一进气口2进入气体的有效卷吸量，同时由于上述几何结构的垂直关系，从第一进气口2进入的气体进入混合腔1-4时，以近乎垂直的角度直接切入喷嘴4出口的高速流中，两股气流会有较强烈的冲撞，造成大幅度动能损耗的同时，会产生周向的气流波动，造成混合腔前端不稳定的混合流动现象。该气流波动的影响将传递至等容混合腔1-4中，将无法完成一次流气体与二次流气体的能量混合过程，不稳定的气体移动将影响扩压效果与射流器出口压力，从而影响电堆的供给压力，无法达到燃料电池电堆系统各工况点最优输出效率。
以实施例1的结构为例，如图2所示，第一进气口2进口设置有两个固定导叶片，达到气流引导的效果，图中可以看出，从第一进气口2进入的气体，缓解或避免了如图12和图13该管壁靠近第一喷嘴处附近的涡旋现象；如图14和15所示，第一进气口2所进入气体顺第一固定导叶片5-1进入第二固定导叶片5-2或顺第二固定导叶片5-2进入吸入腔6中；针对进入吸入腔6中脱离壁面的气体，其能顺利沿着旋转导叶片5-3切入至高速一次流中，改进了二次流与一次流的混合角度。改进了如图12和图13吸入腔6中部分二次流气体几乎垂直切入的现象，且与图12和图13相比，一次流与二次流的混合气体整体更接近等压室出口的位置，动能损耗降低。说明这里的一次流为喷嘴射出的气体，二次流为从第一进气口2进入的气体。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种带导流结构的双级射流器，包括腔体（1）和喷嘴（4），所述腔体（1）的一端为出口，所述腔体（1）的另一端设有第一进气口（2）和第二进气口（1-2），所述腔体（1）内设有与第一进气口（2）连通的混合腔（1-4）；所述喷嘴（4）包括一级喷嘴（4-1）和二级喷嘴（4-2），所述一级喷嘴（4-1）位于混合腔内，所述一级喷嘴（4-1）安装在腔体（1）的另一端上；所述二级喷嘴（4-2）可轴向移动安装在一级喷嘴（4-1）内，且所述二级喷嘴（4-2）一端插入一级喷嘴（4-1）内部空腔内，所述二级喷嘴（4-2）外壳与一级喷嘴（4-1）内部空腔之间的空间为第一射流通道，所述二级喷嘴（4-2）内的中心孔为第二射流通道；通过二级喷嘴（4-2）的移动，使第二进气口（1-2）与第一射流通道连通，或者使第二进气口（1-2）与第一射流通道和第二射流通道均连通；
其特征在于，还包括导叶片（5），所述第一进气口（2）和混合腔（1-4）的吸入腔（6）内分别设有导叶片（5），其中所述吸入腔（6）内的导叶片（5）可转动，控制系统根据二级喷嘴（4-2）的位置，控制吸入腔（6）内导叶片（5）的转动角度。
2.根据权利要求1所述的带导流结构的双级射流器，其特征在于，所述导叶片（5）包括第一固定导叶片（5-1）、第二固定导叶片（5-2）和旋转导叶片（5-3）；所述第一进气口（2）内设有第一固定导叶片（5-1）和第二固定导叶片（5-2），所述第一固定导叶片（5-1）与第一进气口（2）的横截面平行，所述第二固定导叶片（5-2）与第一进气口（2）的横截面垂直；所述旋转导叶片（5-3）位于所述一级喷嘴（4-1）与吸入腔（6）之间，所述旋转导叶片（5-3）一端与吸入腔（6）壁面铰接，通过外力使旋转导叶片（5-3）转动；当二级喷嘴（4-2）移动使第二进气口（1-2）与第一射流通道和第二射流通道均连通时，控制系统控制旋转导叶片（5-3）转动，使旋转导叶片（5-3）与水平方向的夹角减小。
3.根据权利要求2所述的带导流结构的双级射流器，其特征在于，所述第一固定导叶片（5-1）的厚度为所述第一进气口（2）公称直径的0.15-0.18倍。
4.根据权利要求1所述的带导流结构的双级射流器，其特征在于，所述二级喷嘴（4-2）一端伸出一级喷嘴（4-1）端面，用于防止喷嘴（4）出口产生涡旋；伸出一级喷嘴（4-1）端面的所述二级喷嘴（4-2）一端到吸入腔（6）出口处横截面的距离为NXP，NXP为0.8~1.1Dm，其中Dm为吸入腔（6）出口的公称直径。
5.根据权利要求1-4任一项所述的带导流结构的双级射流器，其特征在于，所述二级喷嘴（4-2）的壳体根据流向依次设有第一段壳体（4-2-1）、第二段壳体（4-2-2）和引导端（4-2-3）；所述引导端（4-2-3）插入一级喷嘴（4-1）内，使第一射流通道出口横截面呈环形；所述引导端（4-2-3）一端伸出一级喷嘴（4-1）端面；所述引导端（4-2-3）的外轮廓面根据流向依次设有第一导流面（4-2-3-1）和第三导流面（4-2-3-3），所述第一导流面（4-2-3-1）一侧与第二段壳体（4-2-2）圆滑过渡，通过对第一射流通道出口气体施加支撑力，用于使第一射流通道出口气体保持水平前进；位于第二射流通道出口处的所述引导端（4-2-3）的内孔设有第二导流面（4-2-3-2），通过对第二射流通道出口气体径向分流约束，用于使第二射流通道出口气体在两个射流通道混合前保持水平前进；所述第三导流面（4-2-3-3）为渐缩锥面， 通过第一射流通道出口气体与进入混合腔的气体组成的混合气体沿第三导流面（4-2-3-3）倾斜切入第二射流通道出口气体，用于缓和两股气流混合。
6.根据权利要求5所述的带导流结构的双级射流器，其特征在于，所述第三导流面（4-2-3-3）的倾斜角度随着引导端（4-2-3）的轴向长度的增加而增加；所述第三导流面（4-2-3-3）与轴向之间的夹角为8~15度。
7.根据权利要求5所述的带导流结构的双级射流器，其特征在于，所述第二导流面（4-2-3-2）出口处设有扩压段（4-2-3-4），所述扩压段（4-2-3-4）内轮廓的锥度为正锥度θ，所述第三导流面（4-2-3-3）锥度大于扩压段（4-2-3-4）内轮廓的锥度。
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CN116123153A (zh) * 2023-02-13 2023-05-16 江苏大学 一种双级射流器

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