帶主動引射的超聲速擴壓裝置製造方法
2023-05-22 15:55:46 1
帶主動引射的超聲速擴壓裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種帶主動引射的超聲速擴壓裝置，屬於空氣動力學領域，其包括具有第一錐筒和第一直管的擴壓器前段，第一錐筒的底開口以間隔一定距離的方式與噴出超聲速氣流的噴管的噴口相對，第一直管的一端與上開口連通，另一端的側壁上設置有凸臺；具有殼體的引射器，殼體包括直桶和第二錐筒，直桶的底部開有第一通孔，直桶的側壁開有連通引射氣源管道的第二通孔，直桶與第二錐筒的連接處為向直桶的軸線方向彎曲的凹臺，第一直管的另一端穿過第一通孔，伸入到直桶內，凸臺與凹臺在垂直直桶軸線方向上相對；以及具有第三錐筒的擴壓器後段。本實用新型通過上述技術方案能使風洞運行在高馬赫數的情況下，實現流場的穩定，滿足模型試驗需求。
【專利說明】帶主動引射的超聲速擴壓裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於空氣動力學領域，特別涉及一種帶主動引射的超聲速擴壓裝置。【背景技術】
[0002]馬赫數大於等於8的常規高超聲速風洞中，高壓氣體(超聲速氣流)由噴管加速噴出，在試驗段內為自由射流，在滿足一定的壓力比條件下，要求為模型試驗提供滿足要求的均勻流場，實際情況是，風洞噴管主流的壓力一般受到限制，只能達到一定值；主流壓力難以再提高時，隨著風洞運行的馬赫數越高，噴管出口的靜壓越低，要求排氣系統提供足夠低的背壓，才能滿足風洞運行。
[0003]目前，常規高超聲速風洞有兩種可供選擇的低背壓產生方式。第一，壓力-真空運行方式，其使用大體積真空球，預先對真空球抽成低壓，壓力可以到IOOPa以下。第二，壓力-引射運行方式，其使用引射器，通過壓縮氣體的膨脹，管道中產生需要的低壓環境，弓丨射器根據增壓比的要求串聯使用，可分為I級，2級，3級等。隨引射器級數的增加，可獲得越來越低的背壓。
[0004]國防科技大學研究的超-超引射器，建造高空模擬臺，進行高空發動機的性能測試，主要是用高溫高壓燃氣產生一次流，來引射發動機噴管產生的二次流，分析了超-超引射的特點，給出實現超-超混合引射的可行性，但沒有研究引射器前部形成均勻流場的問題，只給出在超-超引射條件下通過引射是具有增壓作用的，能夠實現排氣增壓，達到高空模擬的功能。
[0005]目前，馬赫數大於等於5的常規高超聲速風洞，噴管出口形成均勻的自由射流流場，排氣系統採用空氣引射器，例如CARDC的FL-31高超聲速風洞，CAAA的FD-07高超聲速風洞。其中超擴段裝置都為喇叭口收縮狀的桶形結構，屬於氣體自由射流的被動式擴壓。後部引射器抽吸能力一定的情況下，隨馬赫數Ma越高，一般為Ma ^ 8，流場出現壓縮邊界，區域變小；風洞完成模型試驗，已經很難，甚至不能建立合格的流場。
【發明內容】
[0006]為了解決現有技術的問題，本實用新型實施例提供了一種帶主動引射的超聲速擴壓裝置，其包括:具有第一錐筒和第一直管的擴壓器前段，所述第一錐筒的底開口以間隔一定距離的方式與噴出超聲速氣流的噴管的噴口相對，所述底開口的直徑大於所述第一錐筒的上開口的直徑，所述第一直管的一端與所述上開口連通，另一端的側壁上設置有凸臺；具有殼體的引射器，所述殼體 包括直桶和第二錐筒，所述直桶的底部開有第一通孔，所述直桶的側壁開有連通引射氣源管道的第二通孔，所述直桶的桶口與所述第二錐筒的底開口連通，所述第二錐筒的底開口的直徑大於所述第二錐筒的上開口的直徑，所述直桶與所述第二錐筒的連接處為向所述直桶的軸線方向彎曲的凹臺，所述第一直管的另一端穿過所述第一通孔，伸入到所述直桶內，所訴凸臺與所述凹臺在垂直所述直桶的軸線方向上相對；以及具有第三錐筒的擴壓器後段，所述第三錐筒的底開口與所述第二錐筒的上開口連通，所述底開口的直徑小於所述第三錐筒的上開口的直徑。
[0007]在如上所述的超聲速擴壓裝置中，優選，所述噴管為高超聲速風洞的噴管，所述第二錐筒的上開口與所述第三錐筒的底開口均固定在所述高超聲速風洞的試驗段後壁上，所述第三錐筒的上開口連通所述高超聲速風洞的排氣系統的管道。
[0008]在如上所述的超聲速擴壓裝置中，優選，所述凹臺呈圓弧形，所述凸臺呈三角形。
[0009]在如上所述的超聲速擴壓裝置中，優選，呈圓弧形的所述凹臺在垂直所述直桶的軸線方向上的最低點與呈三角形的所述凸臺的最高點相對。
[0010]在如上所述的超聲速擴壓裝置中，優選，所述第三錐筒的擴張角小於等於8°。
[0011]在如上所述的超聲速擴壓裝置中，優選，所述第一直管與所述直桶通過法蘭連接，所述第二錐筒與所述第三錐筒通過法蘭連接。
[0012]在如上所述的超聲速擴壓裝置中，優選，所述第一直管與所述直桶的法蘭連接處填充有紫銅墊，所述第二錐筒與所述第三錐筒的法蘭連接處填充有紫銅墊。
[0013]在如上所述的超聲速擴壓裝置中，優選，所述噴口的軸線、所述擴壓器前段的軸線、所述殼體的軸線和所述擴壓器後段的軸線同軸。
[0014]在如上所述的超聲速擴壓裝置中，優選，所述引射器為環形引射器。
[0015]在如上所述的超聲速擴壓裝置中，優選，所述擴壓器後段還包括與所述第三錐筒的上開口連通的第二直管。
[0016]本實用新型實施例帶來的有益效果如下:
[0017]通過在超聲速擴壓裝置中採用主動引射對常規高超聲速風洞噴管的超聲速氣流進行增壓，滿足了風洞運行需要的壓力比條件，提高了噴管流場的性能，進而實現了風洞運行在高馬赫數情況下，流場的穩定，滿足了模型試驗需求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是本實用新型實施例提供的一種超聲速擴壓裝置的使用結構實際圖；
[0019]圖2是本實用新型實施例提供的一種超聲速擴壓裝置的結構實際圖；
[0020]圖3是本實用新型實施例提供的一種擴壓器前段的結構實際圖；
[0021]圖4是本實用新型實施例提供的一種引射器的結構實際圖；
[0022]圖5是本實用新型實施例提供的一種擴壓器後段結構實際圖；
[0023]圖6是本實用新型實施例提供的一種引射氣源管道的結構實際圖；
[0024]其中，圖中符號說明如下:
[0025]I常規高超聲速風洞的噴管、
[0026]2擴壓器前段、21第一錐筒、22第一直管、23凸臺、24法蘭盤、
[0027]3殼體、31第二錐筒、32直桶、 33凹臺、34法蘭盤、
[0028]4試驗段後壁、
[0029]5擴壓器後段、51第三錐筒、52第二直管、53，54法蘭盤、
[0030]61引射氣源管道、62法蘭盤。
【具體實施方式】
[0031]為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本實用新型實施方式作進一步地詳細描述。
[0032]參見圖1-圖6，本實用新型實施例提供了一種帶主動引射的超聲速擴壓裝置，其包括:擴壓器前段2、引射器和擴壓器後段5。擴壓器前段用於收集超聲速氣流，在實際中，超聲速氣流可以為常規高超聲速風洞的噴管噴出的主氣流，還可以為需要擴壓的被引射來流，本實施例不對此進行限定，在本實施例中以超聲速氣流由常規高超聲速風洞的噴管I噴出為例進行說明，此時，該超聲速擴壓裝置為常規高超聲速風洞試驗段出口的超聲速擴壓段。引射器用於引射超聲速氣流的加速膨脹，並使超聲速氣流在引射器的出口形成低壓超聲速射流。擴壓器後段用於形成超聲速擴壓裝置的第二喉道，通過激波減速增壓，在其內超聲速氣流逐漸變為亞聲速氣流，並可以進入高超聲速風洞的排氣系統，還可以進入引射器的入口管道。
[0033]具體地，參見圖3，擴壓器前段包括第一錐筒21和與第一錐筒21焊接連接的第一直管22。第一錐筒21的底開口(在圖1中為第一錐筒的左開口)與噴管I的噴口相對，以收集來自噴管I的超聲速氣流，該底開口與噴管I之間有間隙(間隔一定距離);第一錐筒21的上開口(在圖1中為第一錐筒的右開口)的直徑小於該底開口的直徑，該上開口與第一直管22的一端連通，在第一直管22的另一端的側壁上設置有形成引射器喉道的凸臺23，凸臺23的兩側分別為引射器的噴管的亞聲速收縮段壁面(在圖1中為左壁面)和超聲速擴張段壁面(在圖1中為右壁面)。第一錐筒21呈喇叭口狀。在風洞使用中，為了達到較高的擴壓效率，需根據超聲速風洞噴管的馬赫數決定第一錐筒21的底開口與超聲速風洞的噴管的噴口的距離，例如，對於噴口(出口)直徑為195mm,馬赫數為8的噴管,該距離為300mm,由於該底開口的直徑也與超聲速風洞噴管的馬赫數相關，在上述情況下，該底開口的直徑為205mm。也就是說根據不同馬赫數的噴管1，需要配套與其間隔不同長度和孔徑的擴壓器前段。
[0034]參見圖4，引射器包括用於承壓的殼體3，其為厚壁結構，且包括直桶32和第二錐筒31。在直桶32的底部(在圖1中為直桶32的左側)開有與第一直管22配合的第一通孔；在直桶32的側壁開有連通引射氣源管道61 (參見圖6)的第二通孔，引射氣源管道61通過其上的法蘭盤62與該側邊連接；直桶32的桶口與第二錐筒31的底開口(在圖1中為第二錐筒31的左開口)連通。第二錐筒31的底開口的直徑大於第二錐筒31的上開口(在圖1中為第二錐筒31的右開口)的直徑，此時，第二錐筒31為收縮的錐筒。在直桶32與第二錐筒31的連接處為向直桶32的軸線方向彎曲的凹臺33。在應用時，第一直管12的另一端穿過第一通孔，伸入到直桶32內，直至凸臺23與凹臺33在垂直直桶的軸線方向上相對，從而使該凹臺33和凸臺23形成引射器喉道(引射器噴管的喉道)。優選，凹臺33呈圓弧形，也就是說，直桶32與第二錐筒31的連接處為圓弧過渡的凹臺，凸臺23呈三角形。更優選地，呈圓弧形的凹臺33在垂直直桶的軸線方向上的最低點與呈三角形的凸臺23的最高點(頂點)相對。由於殼體3和引射氣源管道61需承受較高的壓力，例如4.0MPa,因此其材質均選用耐壓材質。引射器優選為環形引射器。在不同的擴壓器前段可組合不同的環形引射器的噴管，從而改變引射面積，滿足試驗需求。例如，對於風洞噴管的噴口(出口)直徑為195mm，馬赫數為8的噴管，第一錐筒的底開口與噴口之間的距離為300mm，該底開口的直徑為205mm，環形引射器的噴管馬赫數為4，引射面積0.35。
[0035]參見圖5，擴壓器後段包括第三錐筒51，第三錐筒51的底開口(在圖1中為左開口)與第二錐筒31的上開口連通，該底開口的直徑小於第三錐筒51的上開口(在圖1中為右開口)的直徑。進一步，擴壓器後段還包括第二直管52，此時第二直管52通過其上的法蘭盤54與高超聲速風洞的排氣系統連通，還可以與引射器的入口管道連通。在實際中，第二直管52的內徑可以為250mm。
[0036]為防止氣流分離，第三錐筒51的擴張角(第三錐筒的筒壁與軸線之間的夾角)不大於8°，優選為6°。
[0037]為了使結構簡單便於連接，在第一直管22的側壁上設置有法蘭盤24，該法蘭盤24與直桶的底部固定；在第二錐筒31的靠近上開口的側壁上設置有法蘭盤34，在第三錐筒51的靠近底開口的側壁上設置有法蘭盤53，法蘭盤34與法蘭盤53連接。在安裝時，超聲速風洞的試驗段後壁4為該超聲速擴壓裝置提供支撐，具體地，第二錐筒31通過法蘭盤34，第三錐筒51通過法蘭盤53固定在試驗段的後壁上。在上述的法蘭連接處填充有紫銅墊，以保證連接處的密封性。
[0038]超聲速風洞的噴管I的噴口的軸線、擴壓器前段的軸線、殼體的軸線和擴壓器後段的軸線同軸以使中心氣流(超聲速擴壓裝置內的氣流)的通道滿足同軸要求。進一步地，試驗段壁的內圓與殼體、擴壓器後段的內壁面光滑過渡，無逆向臺階。
[0039]下面對本實用新型實施例提供的超聲速擴壓裝置的原理進行說明。
[0040]常規高超聲速風洞噴管出口氣流為超聲速氣流，為滿足試驗要求，需要有一段自由射流長度，由於其不像引射器噴管那樣，在較短的距離內有很高的能量來膨脹以產生高速低壓流動。風洞噴管射流邊界靜壓很低，一般為受壓縮的邊界。在這樣的低壓條件下，使用擴壓器前段進行氣流擴壓，主要是起到收集氣流的作用。試驗流場下遊自由射流的靜壓很低，尾部射流變成斜激波減速，被周圍高靜壓氣體壓縮，逐漸成為亞聲速氣流，向下遊流動。在位於擴壓器前段和擴壓器後段之間的引射器採用主動引射，按照等靜壓條件，在擴壓器前段內收縮的主噴管射流改變收縮狀態，變為順向射流，進入引射器混合室(第二錐筒處)，實現超-超引射。擴壓器前段的外壁和引射器的殼體的內壁，形成承壓駐室(直桶與第一直管之間的空間)和超聲速環形噴嘴(凹臺與凸臺處)，超聲速射流在出口下遊(引射器的殼體後部)進行膨脹偏轉，在引射器殼體的末端形成氣動喉道，完成對主氣流的增壓作用，形成超聲速混合射流，進入擴壓器後段減速增壓。也就是說該超聲速擴壓裝置在壓力-引射器狀態下，通過其內的主動引射，對來自於噴管的高超聲速射流實現增壓功能。
[0041]綜上所述，本實用新型實施例通過在超聲速擴壓裝置中採用主動引射對常規高超聲速風洞噴管的超聲速氣流進行增壓，滿足了風洞運行需要的壓力比條件，提高了噴管流場的性能，進而實現了風洞運行在高馬赫數情況下，流場的穩定，滿足了模型試驗需求，提聞了風洞流場品質。
[0042]以上僅為本實用新型的較佳實施例，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種帶主動引射的超聲速擴壓裝置，其特徵在於，所述超聲速擴壓裝置包括: 具有第一錐筒和第一直管的擴壓器前段，所述第一錐筒的底開口以間隔一定距離的方式與噴出超聲速氣流的噴管的噴口相對，所述底開口的直徑大於所述第一錐筒的上開口的直徑，所述第一直管的一端與所述上開口連通，另一端的側壁上設置有凸臺； 具有殼體的引射器，所述殼體包括直桶和第二錐筒，所述直桶的底部開有第一通孔，所述直桶的側壁開有連通引射氣源管道的第二通孔，所述直桶的桶口與所述第二錐筒的底開口連通，所述第二錐筒的底開口的直徑大於所述第二錐筒的上開口的直徑，所述直桶與所述第二錐筒的連接處為向所述直桶的軸線方向彎曲的凹臺，所述第一直管的另一端穿過所述第一通孔，伸入到所述直桶內，所訴凸臺與所述凹臺在垂直所述直桶的軸線方向上相對；以及 具有第三錐筒的擴壓器後段，所述第三錐筒的底開口與所述第二錐筒的上開口連通，所述底開口的直徑小於所述第三錐筒的上開口的直徑。
2.根據權利要求1所述的超聲速擴壓裝置，其特徵在於，所述噴管為高超聲速風洞的噴管，所述第二錐筒的上開口與所述第三錐筒的底開口均固定在所述高超聲速風洞的試驗段後壁上，所述第三錐筒的上開口連通所述高超聲速風洞的排氣系統的管道。
3.根據權利要求1所述的超聲速擴壓裝置，其特徵在於，所述凹臺呈圓弧形，所述凸臺呈二角形。
4.根據權利要求3所述的超聲速擴壓裝置，其特徵在於，呈圓弧形的所述凹臺在垂直所述直桶的軸線方向上的最低點與呈三角形的所述凸臺的最高點相對。
5.根據權利要求1所述的超聲速擴壓裝置，其特徵在於，所述第三錐筒的擴張角小於等於8°。
6.根據權利要求1所述的超聲速擴壓裝置，其特徵在於，所述第一直管與所述直桶通過法蘭連接，所述第二錐筒與所述第三錐筒通過法蘭連接。
7.根據權利要求6所述的超聲速擴壓裝置，其特徵在於，所述第一直管與所述直桶的法蘭連接處填充有紫銅墊，所述第二錐筒與所述第三錐筒的法蘭連接處填充有紫銅墊。
8.根據權利要求1所述的超聲速擴壓裝置，其特徵在於，所述噴口的軸線、所述擴壓器前段的軸線、所述殼體的軸線和所述擴壓器後段的軸線同軸。
9.根據權利要求1所述的超聲速擴壓裝置，其特徵在於，所述引射器為環形引射器。
10.根據權利要求1所述的超聲速擴壓裝置，其特徵在於，所述擴壓器後段還包括與所述第三錐筒的上開口連通的第二直管。
【文檔編號】G01M9/04GK203688195SQ201320845013
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2013年12月19日 優先權日:2013年12月19日
【發明者】郭孝國 申請人:中國航天空氣動力技術研究院