CN203616135U - 一种射流喷管 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种射流喷管，主要用于测量航天航空领域中发动机分离转级试验中进入发动机的空气气流参数。该射流喷管包括依次连接的入口段管道、收敛段管道以及扩散段管道；三段管道通过焊接的方式连接，并且该射流喷管中的收敛段管道线型是通过修正的维托辛斯基公式获得，扩散段管道线型首先通过初值线方程、无粘流特征线方法初步确定，然后采用附面层位移厚度进行修正得到最终结果。通过本实用新型不仅能过测量出航天航空领域中发动机分离转级试验中进入发动机的空气气流参数，而且有效确保了进入发动机的空气流场均匀性。

Description

一种射流喷管

技术领域

本实用新型属于航空航天领域，具体涉及一种射流喷管。

背景技术

近年来，随着航空航天技术的发展，尤其是一些高马赫数、高性能吸气式发动机的研制，需要一些辅助设备来开展发动机的分离转级试验研究，欲使空气在进入被测试发动机时具有一定马赫数和均匀的流场是一项关键的技术问题，特别是要求发动机入口为高性能气流时上述问题显得更为重要。

目前，在该类型试验过程中，首先在试验台稳压室利用空气加热器对大流量空气进行加热，利用掺混器对加热后的空气进行冷却，再通过整流器对掺混好的空气进行整合，最后测量出模拟发动机试验需求的气流流量、总温和总压等参数。除此之外，模拟发动机实验还需要测量出进入发动机空气气流速度（马赫数）、静温和静压等气流参数，同时需要确保进入发动机的空气气流均匀性。

实用新型内容

本实用新型提供了一种射流喷管，用于测量航天航空领域中发动机分离转级试验中进入发动机的空气气流参数，同时还可以确保进入发动机的空气流场均匀性。

本实用新型的具体技术方案是：

本实用新型提供了一种射流喷管，包括依次连接的入口段管道、收敛段管道以及扩散段管道；

所述入口段管道包括入口法兰、平直段管体以及入口段空气出口；

所述收敛段管道包括收敛段空气入口、收敛段中部管体以及收敛段空气出口；

所述扩散段管道包括扩散段空气入口、扩散段中部管体、扩散段连接法兰以及扩散段空气出口；

所述入口段空气出口与收敛段空气入口采用焊接的方式连接；所述收敛段空气出口与扩散段空气入口采用焊接的方式连接。

上述入口段管道和扩散段管道上均设置有气流测量耙。

上述扩散段连接法兰设置在扩散段中部管体上或者设置在扩散段空气出口处。

上述收敛段管道和扩散段管道上均设置有吊耳。

上述收敛段管道的收敛型的线型是采用修正的维托辛斯基公式计算获得。

上述扩散段管道的线型是首先采用初值线方程确定扩散段管道的初值线，然后采用无粘流特征线方法获得扩散段管道的线型初步结果，最后对扩散段管道附面层位移厚度进行修正，从而得到最终的扩散段管道线型。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型结构采用分段加工，分别组焊成形的设计方法，可以较好保证内型面，结构相对简单、并且有效的保证了喷管的气密性。

2、本实用新型在入口段管道和扩散段管道上均设置有气流测量耙，使得喷管气流参数测量相对容易，并最大程度保证了喷管出口流场的均匀性。

3、本实用新型在收敛段管道和扩散段管道上均设置有吊耳，便于整个喷管的安装和拆卸。

4、本实用新型采用修正的维托辛斯基公式和无粘流特征线方法计算获得喷管的线型特征，确保了喷管线型的准确性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为入口段管道的结构示意图。

图3为收敛段管道的结构示意图。

图4为扩散段管道的结构示意图。

图5为扩散段管道线型计算示意图。

其中：1-入口段管道、11-入口段法兰、12-平直段管体、13-入口段空气出口、2-收敛段管道、21-收敛段空气入口、22-收敛段中部管体、23-收敛段空气出口、3-扩散段管道、31-扩散段空气入口、32-扩散段中部管体、33-扩散段连接法兰、34-扩散段空气出口、4-吊耳、5-气流测量耙。

具体实施方式

本实用新型提供一种射流喷管，并将该射流喷管安装在试验台稳压室和发动机空气入口之间用于测量航天航空领域中发动机分离转级试验中进入发动机的空气气流参数，以及确保进入发动机的空气流场均匀性。

参见图1、图2、图3、图4，该射流喷管按照空气气流行进的方向依次连接的入口段管道1、收敛段管道2、扩散段管道3；

其中，入口段管道1包括入口法兰11、平直段管体12以及入口段空气出口13；

收敛段管道2包括收敛段空气入口21、收敛段中部管体22以及收敛段空气出口23；

扩散段管道3包括扩散段空气入口31、扩散段中部管体32、扩散段连接法兰33以及扩散段空气出口34；

优选的，入口段空气出口13与收敛段空气入口21采用焊接的方式连接；收敛段空气出口23与扩散段空气入口31采用焊接的方式连接。

一般设计的射流喷管结构尺寸较大（喷管入口直径Φ1000mm、出口直径Φ900mm、长度4000mm），在安装和拆卸的过程中需要利用大型的吊车或天车，因此该射流喷管在收敛段管道2和扩散段管道3处分别设置有便于射流喷管安装和拆卸的吊耳4。

为了得到进入发动机空气气流速度（马赫数）、静温、静压等参数，需要分别对试验台稳压室进入射流喷管的空气气流的气流流量、总温和总压以及进过射流喷管进入发动机的空气气流的气流流量、总温和总压分别进行测量，同时为了确保测量的准确性和气流的均匀性，因此在射流喷管的入口段管道1以及扩散段管道3分别设置气流测量耙5（通常作法是在入口段和扩散段上分别设置专项螺纹孔，用于连接气流测量耙）。

特别之处在于，由于试验台稳压室输送到发动机的空气气流需要满足一定条件，因此射流喷管设计过程中需要满足一定的线型特征，包括收敛段管道以及扩散段管道，以下对两种管道的具体计算方法进行详述：

其中，收敛段管道采用修正的维托辛斯基公式计算获得，具体计算方法是：

$R=\frac{R_2+R_h}{\sqrt{1-[1-(\frac{R_2+R_h}{R_1+R_h}{)}^2]\frac{{(1-\frac{m^2}{L^2})}^2}{{(1+\frac{1}{3}\frac{m^2}{L^2})}^3}}}-R_h$

其中：m为收敛段管道任意横截面距收敛段管道空气入口的距离，R为距收敛段管道空气入口距离m处横截面的半径，R₁为收敛段管道空气入口截面半径，R₂为收敛段管道空气出口截面半径，L为收敛段管道的总长度。R_h所选的值应保持（R₁+R_h）/（R₂+R_h）在小于3的范围。

其中，扩散段管道的线型是首先采用初值线方程确定该射流喷管扩散段管道的初值线，然后采用无粘流特征线方法获得扩散段管道线型的初步结果，最后对扩散段管道附面层位移厚度进行修正，从而得到最终的扩散段管道线型，结合图5，介绍该管道线型的具体计算步骤是：

步骤1】根据初值线方程计算得到初值线BD，计算公式是：

$x=-\frac{(1+k)\mathrm{\α}{y}^2}{2(3+\mathrm{\δ})}+\frac{(1+k)\mathrm{\α}{R}_t}{2(3+\mathrm{\δ})}$

$\mathrm{\α}={\left[\frac{1+\mathrm{\δ}}{(1+k)R_d{R}_t}\right]}^{1/2}$

其中，x为扩散段管道任意横截面距扩散段管道空气入口的距离，y为距扩散段管道空气入口距离x处横截面的半径，k为比热比，δ=1时扩散段管道结构二维轴对称，δ=0时扩散段管道结构二维平面，R_t为扩散段管道空气入口半径（即收敛段管道空气出口半径），α是常数，R_d为常数且R_d/R_t大于2。为扩散段下游圆弧半径，所选的值应保证R_d/R_t大于2。

步骤2】由初值线BD上的点根据特征线方程计算得到I、K点，曲线BI确定；再由曲线IK上的点根据特征线方程和扩散段管道任意截面通过的空气质量流量守恒原则，计算得到F点；由曲线IK和KF上的点根据特征线方程和喷管各截面质量流量相等原则，计算得到I点和F点之间的分布点，曲线IF确定，最终可得到扩散段管道线型（即曲线BF），具体计算公式是：

Δy_±=λ_±Δx_±

Q_±Δu_±+R_±Δv_±-S_±Δx_±=0

λ_±=tg(θ_±±α_±)

$Q_{\±}=u_{\±}^2-a_{\±}^2$

R_±=2u_±v_±-Q_±λ_±

$S_{\±}={\mathrm{\δa}}_{\±}^2{v}_{\±}/y_{\±}$

其中，Δx_±为扩散段管道内超声速流场点左、右特征线上任意点的横坐标，Δy_±为扩散段超声速流场点左、右特征线上任意点的纵坐标，u_±为扩散段管道内任意超声速流场点左、右特征线上点的横坐标方向的速度分量，v_±为扩散段管道内超声速流场点左、右特征线上点的纵坐标方向的速度分量，λ_±为扩散段管道内超声速流场点的左、右特征线的斜率，θ_±为扩散段管道内超声速流场点左、右特征线上点的流动角，α_±为扩散段管道内超声速流场点左、右特征线上点的马赫角，a_±为扩散段管道内超声速流场点左、右特征线上点的声速，Q_±、R_±、S_±为特征线法计算系数。

步骤3】扩散段管道附面层位移厚度进行修正，从而得到最终的扩散段管道线型，具体计算公式是：

δ_x/x=0.195Ma^-0.375Re_x ^-0.166

其中，δ_x为扩散段管道线型上任意横坐标的位移附面层厚度，Ma为扩散段管道空气出口处的设计马赫数，Re_x扩散段管道线型上任意横坐标的雷诺数。

Claims (5)

1.一种射流喷管，其特征在于：包括依次连接的入口段管道、收敛段管道以及扩散段管道； 

所述入口段管道包括入口法兰、平直段管体以及入口段空气出口； 

所述收敛段管道包括收敛段空气入口、收敛段中部管体以及收敛段空气出口； 

所述扩散段管道包括扩散段空气入口、扩散段中部管体、扩散段连接法兰以及扩散段空气出口； 

所述入口段空气出口与收敛段空气入口采用焊接的方式连接；所述收敛段空气出口与扩散段空气入口采用焊接的方式连接。 

2.根据权利要求1所述的射流喷管，其特征在于：所述入口段管道和扩散段管道上均设置有气流测量耙。 

3.根据权利要求1或2所述的射流喷管，其特征在于：所述扩散段连接法兰设置在扩散段中部管体上或者设置在扩散段空气出口处。 

4.根据权利要求3所述的射流喷管，其特征在于：所述收敛段管道和扩散段管道上均设置有吊耳。 

5.根据权利要求4所述的射流喷管，其特征在于：所述收敛段管道的收敛型的线型是采用修正的维托辛斯基公式计算获得。 

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