CN117803612A - 一种变马赫数风洞用联合抽吸排气系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变马赫数风洞用联合抽吸排气系统，涉及变马赫数风洞用的联合低压排气系统相关领域，包括：多级引射器，包括多个引射器，所有引射器串联连接，位于一端的引射器用于与扩压器连接；多个低压排气设备，分别设置在相邻引射器的之间，低压排气设备与引射器并联连接；该系统通过多个引射器和低压排气设备之间进行的联动运行，使变马赫数风洞在全部工况下都能以最经济的方式建造并稳定运行。

Description

一种变马赫数风洞用联合抽吸排气系统

技术领域

本发明属于变马赫数风洞用的联合低压排气系统相关领域，更具体地，涉及一种变马赫数风洞用联合抽吸排气系统。

背景技术

常规风洞根据试验范围和运行经济性匹配引射器、真空机组和真空球罐中的一类设备接在风洞扩压器后方作为低压排气系统。

当试验需要极低的排气压力时，例如低密度风洞或极超声速风洞的排气总压在500～5000Pa之间，一般采用真空球罐的作为排气系统。该方法利用小型真空机组长时间运行将球罐抽至低压后，再联通真空球罐和风洞洞体，通过缓慢调节联通处的真空调节阀维持排气压力恒定，当真空球罐压力达到使用上限后则停止试验。该方法试验排气压力可以设计的很低，但是受真空罐体积限制，试验时间较短，一般只有十几秒至几分钟不等，同时真空球罐抽吸真空需要漫长时间，因此试验准备时间也很长。如果采用连续抽吸真空机组和引射器作为排气系统，虽然能有效提高试验时间，但设备造价和运行的费用也会高出数倍，因此从风洞试验密度和经济性角度考虑通常在大型风洞设备中不会选取真空机组和引射器作为排气系统。

当试验需要较长的时间且排气压力较高，例如发动机海拔模拟舱、跨声速、超声速风洞等设备排气总压在30～80kpa之间，该类风洞和试验件通常需要试验较长时间才能得到有效数据。真空机组和引射器的抽吸流量和效率会随抽吸压力的提升而升高。另外，真空机组长期稳定运行对其设备损耗较小，连续运行的耗电量相比其他连续抽吸设备也更加经济。若选用真空球罐，为了延长运行时间，则需要提高球罐的体积或数量，对应造价也随之上涨。因此，真空机组和引射器更适用于高排气压力的连续运行。

当试验需要较长时间且排气压力较低，如高超声速试车台和风洞，排气总压可以达到约5～10kpa。真空球罐受运行时长的限制，也不适用于该类设备。真空机组一般抽吸压力在20～80kpa时，抽吸压力每降低一半，机组规模会增加一倍，当在10～20kpa以下时，抽吸压力每降低一半，机组规模会增加2～3倍，此时排气压力已经超过了真空机组运行的高效区，因此排气压力较低时真空机组建设经济性会降低。引射器在气量足够的情况下可以长时间运行，其适用的排气压力范围也较广，基本可以覆盖5～100kpa，并且根据引射用气量压力、温度和引射器分级阶段匹配使用试验用的排气压力。然而，引射器随着抽吸压力的降低，其耗气量和规模也会随之提升，同时引射器受到上游气体的限制，需要庞大的附属系统作为支持，若采用空气引射器，则需要大型的空气压缩系统或高压空气存储系统，若采用燃气引射器，则需要建造燃气发生器及其对应的燃料存储和管理系统。因此，综合考虑，引射器在同性能设备中，造价最低，建设经济性更高，但是运行经济性较差，真空机组在同性能设备中，运行经济性较好，但是建设费用偏高。

不同于常规风洞和发动机试车台，变马赫数风洞的运行需要满足整个风洞的飞行马赫数-飞行海拔包络线，包络线中每个工况对应的排气系统的性能都不尽相同。一般同样规模的风洞中，高马赫数高海拔的飞行工况的和低马赫数低海拔飞行工况的排气流量和排气压力都有多倍差距，因此需要排气系统同时具备以下性能：长时间运行、性能可调、设备寿命长、设备造价低、设备运行经济性、快速启停。对此，需要针对变马赫数风洞的运行包线，设计一种联合抽吸排气系统使变马赫数风洞在全部工况下都能以最经济的方式建造并稳定运行。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供了一种变马赫数风洞用联合抽吸排气系统，该系统通过多个引射器和低压排气设备之间进行的联动运行，使变马赫数风洞在全部工况下都能以最经济的方式建造并稳定运行。

为了实现上述目的，本发明提供了一种变马赫数风洞用联合抽吸排气系统，包括：

多级引射器，包括多个所述引射器，所有所述引射器串联连接，位于一端的所述引射器用于与扩压器连接，较高一级的所述引射器的所需气量为较低一级的所述引射器的所需气量的3-4倍；

多个低压排气设备，分别设置在相邻所述引射器的之间，所述低压排气设备与所述引射器并联连接。

可选地，所述多级引射器最多包括4个所述引射器。

可选地，所述低压排气设备为低压真空球罐或真空机组。

可选地，所述引射器为可调式引射器。

本发明提供了一种变马赫数风洞用联合抽吸排气系统，其有益效果在于：

1、该联合抽吸排气系统同时具备长时间运行、高低排气压力、性能可调、设备寿命长、设备造价低、快速启停的性能；

2、该联合抽吸排气系统可以通过调节并联设备位置和性能，灵活匹配场地占地面积、能源供应和已有设备的需求；

3、该联合抽吸排气系统可以根据不同试验工况及时调节自身运行模式，以最经济的方式运行。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明的一个实施例的一种变马赫数风洞用联合抽吸排气系统的结构示意图。

图2示出了根据本发明的一个实施例的一种变马赫数风洞用联合抽吸排气系统的增能系统示意图。

图3示出了根据本发明的一个实施例的一种变马赫数风洞用联合抽吸排气系统的减能系统示意图。

图4示出了根据本发明的一个实施例的一种变马赫数风洞用联合抽吸排气系统的能量变化图。

图5示出了根据本发明的一个实施例的一种变马赫数风洞用联合抽吸排气系统的能量关系表。

附图标记说明：

1、一级引射器；2、二级引射器；3、三级引射器；4、低压真空球罐；5、真空机组。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本发明提供了一种变马赫数风洞用联合抽吸排气系统，包括：

多级引射器，包括多个引射器，所有引射器串联连接，位于一端的引射器用于与扩压器连接；

多个低压排气设备，分别设置在相邻引射器的之间，低压排气设备与引射器并联连接。

可选地，多级引射器最多包括4个引射器。

具体的，该抽吸排气系统以串联分布的引射器为分级，级别分别为1级、2级和N级，其中1级引射器最接近上游扩压器，N级引射器最远离上游扩压器，根据引射器的典型使用方式，串联的引射器最多不超过4级，一般限制在3级以内。在串联的多级引射器上，每级间会并联上其他的低压排气设备。最终根据可调引射器和低压排气设备的使用特性，来确定其各级设备放置的位置和先后顺序。

可选地，低压排气设备为低压真空球罐或真空机组。

具体的，低压真空球罐具备性能可调和寿命长的优点，而其本身需要配备真空机，配备真空机性能越好，低压真空球罐的准备时间越短，反之亦然。同时，低压真空球罐的使用时间受其设计体积和真空度的限制，无法长时间稳定运行。真空机组本身可以根据抽吸流量和压力曲线调节性能，其设计原理使机组更适合长时间稳定运行，运行耗能主要为厂区用电，因此运行费用也较低。然而，根据机组本身为高速带压旋转机械，其自身运行需要预热和冷却等辅助操作，使之不适合频繁启停。另外根据其抽吸流量和压力性能曲线可知，若想同时满足大流量和低压力的性能，其真空机组的造价比起同样性能的低压真空球罐和引射器要高5～10倍。

具体的，该系统的分级方式和运行原理，随分级的提升，需要被抽吸的气体总压也越低。对于串联的引射器而言，每个更高级的引射器所需气量都为上一级引射器所需气量的约3～4倍，即2级引射需要抽吸的工质不仅包含了从扩压器中流出的气体，还包含了1级引射器中用于引射的气体，同理3级引射需要抽吸的工质不仅包含了从扩压器中流出的气体，还包含了1级和2级引射器中用于引射的气体，以此类推。对于并联在多级引射器间的其他低压排气设备而言，在1.5级并联的低压排气设备因其被抽吸气体流量小、总压低，更适用于并联低压真空球罐，在2.5级并联的低压排气设备因其被抽吸气体流量打、总压高，更适用于并联真空机组。

可选地，引射器为可调式引射器。

具体的，引射器根据不同的种类可以有不同的特性，一般选用多级多喷管中心引射器，该类引射器的使用寿命长、造价低、性能可调，既能长时间运行也能够快速启停。然而，引射器的主要性能受引射气源的限制，当选用高压气罐时，则引射器仅能短时间运行，且高压气罐还需要较长的充气准备时间；当选用空压机时，则对空压机的性能要求很高，使其造价昂贵，接近同样规模的真空机组；当选用蒸汽气源时，则需要配备相应的蒸汽发生器及其燃料罐体和输送系统，其造价结余真空球罐和同样规模的空压机之间，但是其需要酒精、氧和、水作为燃料、助燃剂和掺混剂，因此其长时间运行的能源消耗较高，约为真空机组本身用电费用的2～3倍。

实施例

如图1至图5所示，本发明提供了一种变马赫数风洞用联合抽吸排气系统，包括：

多级引射器，包括三个引射器，分别为一级引射器1、二级引射器2和三级引射器3，所有引射器串联连接，第一引射器1的一端用于与扩压器连接；

多个低压排气设备，分别设置在相邻引射器的之间，低压排气设备与引射器并联连接。

在本实施例中，低压排气设备为低压真空球罐4或真空机组5，低压真空球罐4设置在一级引射器1和二级引射器2之间，真空机组5设置在二级引射器2和三级引射器3之间。

在本实施例中，较高一级的引射器的所需气量为较低一级的引射器的所需气量的3-4倍。

在本实施例中，引射器为可调式引射器。

综上，该变马赫数风洞用联合抽吸排气系统中存在两种系统，一种是如一级引射器1、二级引射器2和三级引射器3，向被抽吸气流注入高能量工质的“增能系统”，另一类是如并联真空球罐4或真空机组5，从级间抽取低能工质的“减质系统”。两种系统均采用质量、动量和能量守恒的三元方程计算得到。

图2为增能系统的三元方程：

质量守恒：G_in+G_plus＝G_out；

动量守恒：P_inA_inf(λ_in)+P_plusA_plusf(λ_plus)＝P_outA_outf(λ_out)；

能量守恒：

图3为减能系统的三元方程：

质量守恒：G_in-G_minus＝G_out；

动量守恒：P_inA_inf(λ_in)-P_minusA_minusf(λ_minus)＝P_outA_outf(λ_out)；

能量守恒：

其中，参数G_in，G_plus，G_minus，P_in,P_plus，P_minus，A_in，A_plus，A_minus，Cp_in，Cp_plus，Cp_minus，T_in，T_plus，T_minus为已知参数，G_out，P_out和T_out为求解参数。

同时，方程中变量通过方程

得到。

其中，G为气体工质质量流量，单位为kg/s；P为气体工质总压，单位为Pa；A为面积，单位为m²；Cp为气体工质定压比热，单位为kJ/(kg K)；T为气体工质总温，单位为K；λ为气体工质速度系数；V为气体工质速度，单位为m/s；R_g为气体系数，单位为kJ/(kg K)；k为气体工质比热比。下角标in为系统入口参数，下角标out为系统出口参数，下角标plus为系统加入工质参数，下角标minus为系统抽离工质参数，下角标0-5为该系统中不同截面参数代号，下角标y1-y3为该系统中不同级别引射器引射用气参数代号，下角标g为真空球罐内气体参数，下角标j为真空机入口参数，下角标a为大气参数。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (5)

1.一种变马赫数风洞用联合抽吸排气系统，其特征在于，包括：

多级引射器，包括多个所述引射器，所有所述引射器串联连接，位于一端的所述引射器用于与扩压器连接；

多个低压排气设备，分别设置在相邻所述引射器的之间，所述低压排气设备与所述引射器并联连接。

2.根据权利要求1所述的变马赫数风洞用联合抽吸排气系统，其特征在于，所述多级引射器最多包括4个所述引射器。

3.根据权利要求1所述的变马赫数风洞用联合抽吸排气系统，其特征在于，所述低压排气设备为低压真空球罐或真空机组。

4.根据权利要求1所述的变马赫数风洞用联合抽吸排气系统，其特征在于，较高一级的所述引射器的所需气量为较低一级的所述引射器的所需气量的3-4倍。

5.根据权利要求1所述的变马赫数风洞用联合抽吸排气系统，其特征在于，所述引射器为可调式引射器。