CN220850186U - 多波瓣喷管气流放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多波瓣喷管气流放大器，包括：集气管及多根波瓣喷管；集气管为中空管且呈环型设置，并其上开设有进气口；多根波瓣喷管沿集气管的周向依次间隔布设于集气管的内环中，且各波瓣喷管的进气端与集气管轴向第一端的内环面连通，其排气端朝向集气管轴向的第二端延伸且收敛，以使进入波瓣喷管的压缩空气通过其排气端的收敛作用朝向集气管的第二端喷射，进而引射外部环境中的环境空气由集气管的第一端进入内环，并与喷射形成的压缩气流掺混后由集气管的第二端向外喷射。相同的流速下，本实用新型的气流放大器的气流放大系数比普通窄缝喷嘴一般要高22％左右，甚至更多，且同样的最大喷口流速下，波瓣喷管的噪声明显小于窄缝喷嘴。

Description

多波瓣喷管气流放大器

技术领域

本实用新型涉及空气放大器领域，特别地，涉及一种多波瓣喷管气流放大器。

背景技术

空气放大器的作用与抽风机类似，是一种用做排风、排烟、排除粉尘和吹除应用的设备，广泛应用于废气烟雾吸除，粉尘气体的吸除处理，以及吹风冷却降温、水分吹除等工业应用领域，也广泛应用于现有的无导叶风扇和吹风机等家用电器上。

典型的工业用空气放大器原理如附图1所示：当压缩空气通过空气放大器的环形窄缝后，向左侧喷出，通过科恩达效应原理及空气放大器特殊的几何形状，右侧的环境空气可被吸入，并与原始压缩空气一起从空气放大器左侧吹出。一般来说，环形窄缝的宽度越小，压缩空气的气压越大，空气放大器的气流放大倍数(周围空气流量/压缩空气流量)也越大。例如，图1中的空气放大器窄缝的宽度只有0.05mm到0.1mm，压缩空气的压力高达5.5bar，窄缝气流速度超过了音速，放大倍数也高达25倍以上，但噪声也奇大无比。

戴森借鉴空气放大器的原理，提出了Air Amplifier技术，该公司首创的无导叶风扇(参见附图2)、吹风机等产品都采用了该项技术。相比于工业用的空气放大器，将其窄缝的宽度提高至大约1.3mm左右，气流压力大幅减小到几百Pa左右，窄缝气流流速减小到约30m/s左右，这样，气流的噪声大幅减小了，从而才能用于无导叶风扇等家用电器上。

无论工业空气放大器，还是戴森的Air Amplifier技术等，压缩空气都是通过一道窄缝吹出，带动周围的气流流动从而产生放大气流的效果。因此，压缩空气与周围空气的交界线只是一条长直线或者圆弧线，两股气流的分子都通过那道长线进行交换。要提高空气放大的倍数，在窄缝长度固定的情况下，只有提高高压气流的流速，因此空气放大器在大流量工作状态下都会出现较大的噪声。目前市面上的无导叶风扇，包括戴森在内，也存在这样的问题：风扇低速运转时噪声低，但风量和风速也低于普通风扇，无法满足用户对大风量的需求；风扇高速运转时，风量和风速满足用户需求了，但窄缝处的高速气流发出较大的丝丝的噪声，对用户的使用体验造成一定的负面影响。

实用新型内容

本实用新型提供了一种多波瓣喷管气流放大器，以解决现有普通空气放大器工作时噪声较大的技术问题。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种多波瓣喷管气流放大器，包括：起安装支撑作用并用于引入压缩空气的集气管，及多根用于引射气流的波瓣喷管；集气管为中空管且呈环型设置，并集气管上开设有供压缩空气进入的进气口；多根波瓣喷管沿集气管的周向依次间隔布设于集气管的内环中，且各波瓣喷管的进气端与集气管轴向第一端的内环面连通，各波瓣喷管的排气端朝向集气管轴向的第二端延伸且收敛，以使进入波瓣喷管的压缩空气通过其排气端的收敛作用朝向集气管的第二端喷射，进而引射外部环境中的环境空气由集气管的第一端进入内环，并与波瓣喷管喷射形成的压缩气流掺混后由集气管的第二端向外喷射。

进一步地，各波瓣喷管包括用于导入压缩空气的进气管，及用于使压缩空气向外喷射以对周围环境空气产生引射作用的波瓣喷嘴；进气管的进气端与集气管第一端的内环面连通，其相对的排气端朝向集气管的第二端延伸；波瓣喷嘴固定于进气管的排气端上并形成波瓣喷管的收敛端。

进一步地，波瓣喷嘴包括由其壁面沿周向波峰、波谷交替出现并连接形成的多个波瓣；波峰的两个壁面之间的间隙形成供进气管内的压缩空气向外喷射的内喷射通道；波谷的两个壁面之间的间隙形成用于对引射进集气管内环中的环境空气进行导流的外引流通道。

进一步地，相邻的波峰和波谷之间的壁面上还开设有占波瓣高度2/3以上的缺口。

进一步地，多个波谷围绕波瓣喷嘴的中心形成中心空洞；波瓣喷嘴还包括用于堵塞中心空洞的中心体，及用于将中心体与波瓣的内壁面固定的支板。

进一步地，集气管、进气管及波瓣喷嘴一体成型；或者，集气管、进气管及波瓣喷嘴三者分别成型，并通过焊接、胶接的方式固定连接。

进一步地，设波瓣喷嘴的喷射气流从其出口至集气管出口侧的距离L内的最大分布直径为D，则：相邻波瓣喷嘴之间的间距为D的60％～90％；波瓣喷嘴的中心与集气环内环面之间的间距为D的30％～45％。

进一步地，集气管呈跑道型设置，进气口开设于其中一条短跑道的外侧壁上；多根波瓣喷管沿两条长跑道的长度方向均匀间隔设置，且两条长跑道上的多根波瓣喷管一一对称设置，或沿长度方向彼此错位设置。

进一步地，集气管呈圆环型设置，进气口布设于圆环的外环面上；多根波瓣喷管沿圆环的周向均匀间隔设置，且沿圆环的径向延伸布设。

进一步地，集气管的截面呈飞机机翼的翼型，翼型的内环面为坡度较缓的吸力面；波瓣喷管的进气端连通翼型前缘的吸力面，波瓣喷嘴的喷口朝向翼型的尾部。

本实用新型具有以下有益效果：

如图12所示，通过CFD仿真以及单喷嘴试验发现，在相同的流速下，本实用新型的多波瓣喷管气流放大器的气流放大系数比普通窄缝喷嘴一般要高22％左右，甚至更多，即本实用新型的多波瓣喷管气流放大器的气流放大效果更好；通过试验还发现：由于由波瓣喷管喷射的内压缩气流与外部引射的外空气气流两股气流掺混很短距离，两股气流的速度差很小，从而同样的最大喷口流速下，波瓣喷管的噪声明显小于窄缝喷嘴，该优点也可通过波瓣引射器在航空发动机上的应用效果来证明。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是现有空气放大器原理图；

图2是戴森无导叶风扇专利申请图；

图3是本实用新型优选实施例的多波瓣喷管气流放大器主视示意图一；

图4是图3的中心面剖视左视示意图；

图5是本实用新型优选实施例的多波瓣喷管气流放大器主视示意图二；

图6是本实用新型优选实施例的波瓣喷嘴三维侧视图；

图7是多波瓣喷管气流放大器的横向剖视图；

图8是波瓣喷嘴剖面图；

图9是波瓣喷嘴的引射原理示意图；

图10是波瓣喷嘴气流流线在集气管内部最大影响区域示意图；

图11是波瓣喷嘴分布位置与喷嘴气流最大影响区域的关系；

图12是跑道形波瓣喷嘴的流线仿真图。

图例说明

1、集气管；101、进气口；2、波瓣喷管；20、进气管；30、波瓣喷嘴；301、内喷射通道；302、外引流通道；31、波瓣；311、波峰；312、波谷；313、壁面；314、缺口；32、中心体；33、支板。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

参照图3和5，本实用新型的优选实施例提供了一种多波瓣喷管气流放大器，包括：起安装支撑作用并用于引入压缩空气的集气管1，及多根用于引射气流的波瓣喷管2；集气管1为中空管且呈环型设置，并集气管1上开设有供压缩空气进入的进气口101；多根波瓣喷管2沿集气管1的周向依次间隔布设于集气管1的内环中，且各波瓣喷管2的进气端与集气管1轴向第一端的内环面连通，各波瓣喷管2的排气端朝向集气管1轴向的第二端延伸且收敛，以使进入波瓣喷管2的压缩空气通过其排气端的收敛作用朝向集气管1的第二端喷射，进而引射外部环境中的环境空气由集气管1的第一端进入内环，并与波瓣喷管2喷射形成的压缩气流掺混后由集气管1的第二端向外喷射。

现有技术中，涡扇发动机的气流一般有两股，一股是从涡轮排出的高温内涵气流，另一股是从涡扇排出的低温外涵气流，大涵道比的涡扇发动机，一般将这两股气流分开从内外两个喷管排出，而小涵道比的涡扇发动机一般将内外涵道气流混合后再从同一个喷管排出。混合后再排气的方式产生的推力比分开排气的方式更大，而且噪声更小。混合器就是涡扇发动机中的将内外两股气流混合的装置，普通的混合器就是由两个同心圆形筒体组成，后来又发展了混合效率更好的波瓣混合器，波瓣混合器是一种增强同向混合流动的装置，相比于普通混合器，可以提升内外两股气流的混合效率，降低排气噪声，而且还可以提高发动机推力。直升机的动力装置----涡轴发动机也采用波瓣式喷管，其用途也是加强喷管从外部大气引射气流的能力，降低喷口后气流的温度，降低发动机的红外辐射强度。因此，波瓣混合器在航空发动机中有着广泛应用，可以用来提高推力，降低油耗，减小噪声，降低红外辐射等。本实用新型在航空涡扇发动机波瓣混合器的原理上，提出了一种多波瓣喷管气流放大器，工作时，外部压缩空气首先通过进气口101进入集气管1，然后再由集气管1分散进入各波瓣喷管2，最后由各波瓣喷管2的收敛喷射端喷入集气管1的内环中，同时波瓣喷管2收敛喷射形成的压缩气流牵引外部环境中的环境空气由集气管1轴向的第一端进入内环，并与波瓣喷管2喷射形成的压缩气体掺混形成混合流后再由集气管1轴向的第二端向外喷出。

如图12所示，通过CFD仿真以及单喷嘴试验发现，在相同的流速下，本实用新型的多波瓣喷管气流放大器的气流放大系数比普通窄缝喷嘴一般要高22％左右，甚至更多，即本实用新型的多波瓣喷管气流放大器的气流放大效果更好；通过试验还发现：由于由波瓣喷管2喷射的内压缩气流与外部引射的外空气气流两股气流掺混很短距离，两股气流的速度差很小，从而同样的最大喷口流速下，波瓣喷管2的噪声明显小于窄缝喷嘴，该优点也可通过波瓣引射器在航空发动机上的应用效果来证明。

可选地，如图6和图7所示，各波瓣喷管2包括用于导入压缩空气的进气管20，及用于使压缩空气向外喷射以对周围环境空气产生引射作用的波瓣喷嘴30；进气管20的进气端与集气管1第一端的内环面连通，其相对的排气端朝向集气管1的第二端延伸；波瓣喷嘴30固定于进气管20的排气端上并形成波瓣喷管2的收敛端。本可选方案中，波瓣喷管2结构设置简单、容易加工制备。

本可选方案中，如图6和图7所示，集气管1、进气管20及波瓣喷嘴30一体成型。或者，集气管1、进气管20及波瓣喷嘴30三者分别成型，并通过焊接、胶接的方式固定连接。本可选方案中，集气管1、进气管20及波瓣喷嘴30三者可以同时一起通过铸造、3D打印或注塑等方式成型，也可分别成型后再通过焊接、胶接的方式连接在一起。

本可选方案中，如图6和图7所示，波瓣喷嘴30包括由其壁面313沿周向波峰311、波谷312交替出现并连接形成的多个波瓣31。波峰311的两个壁面313之间的间隙形成供进气管20内的压缩空气向外喷射的内喷射通道301。波谷312的两个壁面313之间的间隙形成用于对引射进集气管1内环中的环境空气进行导流的外引流通道302。本实用新型中，如图6和图7所示，波瓣喷嘴30本质上就是一根收敛喷管，只不过将普通喷管的圆锥形壁面替换为创新设计的波瓣喷管2，再结合图9所示，波瓣喷嘴30中，波峰311和波谷312用于强迫、引导内压缩气流和外空气气流的两股气流朝内外交叉流动，从而加速两股气流混合，提高掺混效果，降低工作噪声。

一般而言，在保持波瓣喷嘴30同样的流通面积的前提下，波瓣喷嘴30的波瓣31之间的间隙越小、波瓣31的数量越多，则波瓣喷嘴30的内外两股气流的交界线的长度就越长，引射效果也越好，如图6所示，具有8个波瓣31的波瓣喷嘴30，相比于具有相同流通面积的普通直线或圆弧形的窄缝喷嘴，其交界线的长度是窄缝喷嘴的3倍以上，从而其引射效果也越好。

优选地，如图8所示，相邻的波峰311和波谷312之间的壁面313上还开设有占波瓣31高度2/3以上的缺口314。本优选方案中，缺口314为半圆形缺口，缺口314也可以是其它形状，例如抛物线形，缺口314用于促进波瓣31的壁面313内外两侧两股气流的横向掺混，提高掺混效果。

进一步地，如图8所示，多个波谷312围绕波瓣喷嘴30的中心形成中心空洞。波瓣喷嘴30还包括用于堵塞中心空洞的中心体32，及用于将中心体32与波瓣31的内壁面固定的支板33。本可选方案中，中心体32的作用是堵塞由多个波谷312围绕中心形成的中心空洞，强迫气流贴着波谷312的壁面流动，从而提高掺混效果。

本实用新型中，波瓣喷管2本质上是一个收敛喷管，没有扩张段，其入口总压只比外部大气压大几百帕斯卡，出口气流最大流速一般为20～30m/s左右。本实用新型中，波瓣喷管2的主要创新点除了把普通圆形收敛喷管改为波瓣喷管之外，还在中心增加了中心体32，防止气流从波谷312围成的中心空洞流出，并强迫气流跟随波瓣31的波峰311和波谷312流动；此外，波瓣31的壁面313上开了大尺寸的缺口314，增大了内外两股气流的交界线的长度，这些措施使得本实用新型中的波瓣喷管2，相对于只采用普通波瓣的喷管，大幅提高了引射效果。

实际设计时，波瓣喷嘴30单个喷嘴喷口产生的气流流量一般是不能够满足大部分应用场景的需求的，因此，一般需要采用多个波瓣喷嘴30，具体波瓣喷嘴30的个数根据需求的风量来定，而且，通过优化波瓣喷嘴30在跑道型或圆环型集气管1内的分布位置，不同波瓣喷嘴30之间的气流还可互相增强彼此的引射效果，这一方面可增大气流放大效果，另一方面还可使得空气放大器出口气流分布均匀。优化时，设波瓣喷嘴30的喷射气流从其出口至集气管1出口侧的距离L内的最大分布直径为D，则：

相邻波瓣喷嘴30之间的间距为D的60％～90％。

波瓣喷嘴30的中心与集气环内环面之间的间距为D的30％～45％。

波瓣喷嘴30在跑道型或圆环型集气管1内的分布位置优化可按如下方法来进行：

首先，通过CFD仿真或者试验的方法确定单个波瓣喷嘴30出口气流在从其出口到集气管1出口的距离L内喷嘴出口气流的可能达到的最大分布直径D，如图10所示；

然后，通过调整波瓣喷嘴30的分布位置，使得相邻波瓣喷嘴30之间的间距为D的60％～90％，波瓣喷嘴30的中心与集气环内环面之间的间距为D的30％～45％，如图11所示。

如图12所示，显示的是图3所示的有10个波瓣喷嘴30的跑道型波瓣喷嘴引射式放大器的一半的CFD仿真结果(气流流线图)，从图中可以看到，每条流线从前到后几乎都是平直的，没有明显的旋流迹象；同时，尽管随着距离增加气流的流速逐渐减小，但每个固定距离的横截面上的流速基本是均匀的，从而说明该方法提供的气流品质很好。

本实用新型中，多个波瓣喷嘴30共处于跑道型或圆环型集气管1的内部，通过控制波瓣喷嘴30彼此之间的距离以及波瓣喷嘴30与集气管1内环面之间的距离，使之小于波瓣喷管2出口气流流线在集气管1长度内部可能达到的最大分布圆的直径，使得不同波瓣喷嘴30的气流可以增强彼此的引射作用，而单个喷嘴，不存在多喷嘴气流的引射增强作用。

可选地，集气管1的第一实施例，如图3所示，集气管1呈跑道型设置，进气口101开设于其中一条短跑道的外侧壁上。多根波瓣喷管2沿两条长跑道的长度方向均匀间隔设置，且两条长跑道上的多根波瓣喷管2一一对称设置，或沿长度方向彼此错位设置。工作时，集气管1不仅用于将压缩空气送入各连通的波瓣喷管2中，同时还用于将周围的空气引导进入集气管1的环圈内部。本可选方案中，无论两条长跑道上的多根波瓣喷管2是一一对称设置，还是沿长度方向彼此错位设置，均是通过不同波瓣喷嘴30之间的气流互相增强彼此的引射效果，从而一方面增大气流放大效果，另一方面还使得空气放大器出口气流分布均匀。

可选地，集气管1的第二实施例，如图5所示，集气管1呈圆环型设置，进气口101布设于圆环的外环面上。多根波瓣喷管2沿圆环的周向均匀间隔设置，且沿圆环的径向延伸布设。工作时，集气管1不仅用于将压缩空气送入各连通的波瓣喷管2中，同时还用于将周围的空气引导进入集气管1的环圈内部。本可选方案中，多根波瓣喷管2的该布设方式，用于通过不同波瓣喷嘴30之间的气流互相增强彼此的引射效果，从而一方面增大气流放大效果，另一方面还使得空气放大器出口气流分布均匀。

优选地，如图4所示，集气管1的截面呈飞机机翼的翼型。波瓣喷管2连接于翼型的内环面上。工作时，翼型前方的空气在波瓣喷嘴30喷射气流的引射作用下，绕着机翼翼型的前缘进入集气管1的环圈内部并流向翼型的尾部，集气管1截面呈飞机机翼的翼型，翼型良好的气动设计可以有效提高其引射效果。当然，集气管1的截面也可不采用翼型，只是引射效果会比翼型截面的引射效果差。

进一步地，如图4所示，翼型的内环面为坡度较缓的吸力面。波瓣喷管2的进气端连通翼型前缘的吸力面，波瓣喷嘴30的喷口朝向翼型的尾部。工作时，翼型前方的空气在波瓣喷嘴30喷射气流的引射作用下，绕着机翼翼型的前缘进入集气管1的环圈内部并流向翼型的尾部，集气管1截面呈飞机机翼的翼型，翼型良好的气动设计可以使得气流沿着翼型吸力面流动时不会轻易发生气流分离而降低引射效果，从而进一步提高其引射效果。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多波瓣喷管气流放大器，其特征在于，包括：

起安装支撑作用并用于引入压缩空气的集气管(1)，及多根用于引射气流的波瓣喷管(2)；

集气管(1)为中空管且呈环型设置，并集气管(1)上开设有供压缩空气进入的进气口(101)；

多根波瓣喷管(2)沿集气管(1)的周向依次间隔布设于集气管(1)的内环中，且各波瓣喷管(2)的进气端与集气管(1)轴向第一端的内环面连通，各波瓣喷管(2)的排气端朝向集气管(1)轴向的第二端延伸且收敛，以使进入波瓣喷管(2)的压缩空气通过其排气端的收敛作用朝向集气管(1)的第二端喷射，进而引射外部环境中的环境空气由集气管(1)的第一端进入内环，并与波瓣喷管(2)喷射形成的压缩气流掺混后由集气管(1)的第二端向外喷射。

2.根据权利要求1所述的多波瓣喷管气流放大器，其特征在于，

各波瓣喷管(2)包括用于导入压缩空气的进气管(20)，及用于使压缩空气向外喷射以对周围环境空气产生引射作用的波瓣喷嘴(30)；

进气管(20)的进气端与集气管(1)第一端的内环面连通，其相对的排气端朝向集气管(1)的第二端延伸；

波瓣喷嘴(30)固定于进气管(20)的排气端上并形成波瓣喷管(2)的收敛端。

3.根据权利要求2所述的多波瓣喷管气流放大器，其特征在于，

波瓣喷嘴(30)包括由其壁面(313)沿周向波峰(311)、波谷(312)交替出现并连接形成的多个波瓣(31)；

波峰(311)的两个壁面(313)之间的间隙形成供进气管(20)内的压缩空气向外喷射的内喷射通道(301)；

波谷(312)的两个壁面(313)之间的间隙形成用于对引射进集气管(1)内环中的环境空气进行导流的外引流通道(302)。

4.根据权利要求3所述的多波瓣喷管气流放大器，其特征在于，

相邻的波峰(311)和波谷(312)之间的壁面(313)上还开设有占波瓣(31)高度2/3以上的缺口(314)。

5.根据权利要求3所述的多波瓣喷管气流放大器，其特征在于，

多个波谷(312)围绕波瓣喷嘴(30)的中心形成中心空洞；

波瓣喷嘴(30)还包括用于堵塞中心空洞的中心体(32)，及用于将中心体(32)与波瓣(31)的内壁面固定的支板(33)。

6.根据权利要求2所述的多波瓣喷管气流放大器，其特征在于，

集气管(1)、进气管(20)及波瓣喷嘴(30)一体成型；或者

集气管(1)、进气管(20)及波瓣喷嘴(30)三者分别成型，并通过焊接、胶接的方式固定连接。

7.根据权利要求2所述的多波瓣喷管气流放大器，其特征在于，

设波瓣喷嘴(30)的喷射气流从其出口至集气管(1)出口侧的距离L内的最大分布直径为D，则：

相邻波瓣喷嘴(30)之间的间距为D的60％～90％；

波瓣喷嘴(30)的中心与集气环内环面之间的间距为D的30％～45％。

8.根据权利要求2所述的多波瓣喷管气流放大器，其特征在于，

集气管(1)呈跑道型设置，进气口(101)开设于其中一条短跑道的外侧壁上；

多根波瓣喷管(2)沿两条长跑道的长度方向均匀间隔设置，且两条长跑道上的多根波瓣喷管(2)一一对称设置，或沿长度方向彼此错位设置。

9.根据权利要求2所述的多波瓣喷管气流放大器，其特征在于，

集气管(1)呈圆环型设置，进气口(101)布设于圆环的外环面上；

多根波瓣喷管(2)沿圆环的周向均匀间隔设置，且沿圆环的径向延伸布设。

10.根据权利要求2所述的多波瓣喷管气流放大器，其特征在于，

集气管(1)的截面呈飞机机翼的翼型，翼型的内环面为坡度较缓的吸力面；

波瓣喷管(2)的进气端连通翼型前缘的吸力面，波瓣喷嘴(30)的喷口朝向翼型的尾部。