一种超声速空气引射器的制作方法

1.本实用新型涉及空气动力学领域，特别涉及一种超声速空气引射器。


背景技术：

2.空气引射器是一种高压工作气流和低压引射气流混合增压的流体机械，同时具有抽真空的作用；不同结构的引射器，在航空航天、军事国防和国民工业等领域得到广泛应用。以空气和燃气为介质的超声速引射器具有结构简单、体积小、调节方便等优点，在火箭发动机高空试车台、高超声速风洞和化学激光器压力恢复系统中已有了成熟应用。目前用于高速风洞的引射器，基本结构形式属于细长体构型，随口径的增大，混合室和扩压段的长度要相应变大，才能在在扩压段实现高效率的扩压；如要求较高的增压比，引射器还要采用串联的形式，例如1.0m量级高超风洞的单级引射器长度要10m以上，采用3级串联，排气系统将达到30米以上，长度很长。多年来，如何进行引射系统的优化，提高引射效率，减少轴线上的长度尺寸，提出多种引射器设计思路。例如阵列式引射系统，提出用多台引射器的入口和出口分别并联在一起，组成并联系统；蜂窝状引射器，把多喷管和扩压器组合成一个单元，并列安装在一个管道内，能够大大缩短引射器的轴向长度，采用同一的引射气体入口和工作气体供应，流量选择合理，在提高增压比的同时，引射效率也大大提高；但是，对于这种固定结构的引射器，其关键设计尺寸无法改变，例如按照引射器设计理论，喉道段的流通面积与喷嘴喉道流通面积的面积比，对于引射器的工作特性，有很大的影响，也是进行引射器设计计算的关键尺寸，面积偏大，会增加引射系数、增强抽气能力，但会导致增压比不高，克服背压的能力降低，设置可能会产生反压倒流现象；面积比偏小，能提高压缩比，但是引射系数小，抽气能力可能会达不到设计要求，在特定的工作参数下，一般会存在优选值。如果工作时操作参数长时间偏离设计点，效率会大大降低，特别是入口引射气流的流量变动较大时，对效率的影响更为明显。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是针对现有引射器结构固定操作参数偏离设计点时效率低的问题，提供一种超声速空气引射器。
4.本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
5.一种超声速空气引射器，包括两端开口的外壳、设置在外壳内的调节芯体、支撑变形芯体的支撑装置和环形喷管，所述外壳包括依次密封连通且同轴设置的吸入管、收缩管、混合管和扩散管，吸入管的管径从进口端到出口端逐渐变大，收缩管的管径从进口端到出口端逐渐变小，混合管的管径从进口端到出口端逐渐变大，扩散管的管径从进口端到出口端先逐渐变小再逐渐变大，外壳内壁光滑、内径呈流线型均匀变化；环形喷管固定设置在收缩管内且与收缩管同轴，环形喷管的喷嘴朝向混合管；调节芯体为纺锤体形状，调节芯体与外壳同轴，调节芯体的首端位于吸入管内，尾端位于扩散管内，调节芯体直径最大位置位于扩散管内或位于扩散管与混合管交界位置，调节芯体位于混合管内的部分为混合部，所述
混合部外型面的母线与混合管内壁的母线平行；调节芯体与支撑装置滑移固定连接。
6.较佳的，支撑装置包括固设在吸入管内的支撑座一和固设在扩散管内的支撑座二，所述支撑座一与支撑座二允许流体通过；调节芯体的首端设有滑柱，支撑座一上开设有与滑柱相适配的滑孔，滑柱穿设于滑孔内。
7.较佳的，调节芯体的尾端设有与调节芯体同轴的螺纹柱，支撑座二上开设有与螺纹柱向相适配的螺纹孔，螺纹柱螺纹连接于螺纹孔内；或者调节芯体的尾端置有直线驱动器，直线驱动器的输出端和固定端分别与支撑座二和调节芯体固接，直线驱动器输出端的移动方向与调节芯体的轴线方向平行。
8.较佳的，支撑座一和支撑座二均包括连接调节芯体的连接座以及连接外壳与连接座的支撑肋，支撑肋设置至少两根且以外壳轴线为中心均匀的圆周分布。
9.较佳的，支撑肋朝向外壳进口端的表面朝向外壳进口端隆起的弧面或折面。
10.较佳的，吸入管、收缩管、混合管和扩散管之间通过固定设置在对应管上的法兰盘固定连接。
11.较佳的，变形芯体为空心结构。
12.较佳的，环形喷管包括喷管外壁、喷管内壁和喷管进气管，喷管外壁和喷管内壁均为管型，喷管外壁套设在喷管内壁外，在环形喷管朝向外壳进口的一端喷管外壁和喷管内壁密封连接，在环形喷管朝向外壳出口的一端喷管外壁和喷管内壁之间的距离先变小再变大形成环形喷嘴结构；喷管外壁与外壳通过喷管进气管连通，喷管进气管连通喷管外壁与喷管内壁之间的腔体；喷管进气管伸出外壳且与外壳固定连接。
13.较佳的，喷管进气管数量为2个、3个或4个，喷管进气管以喷管外壁轴线为中心均匀的圆周分布。
14.较佳的，环形喷管的径向截面朝向外壳出口的一端为尖角。
15.本实用新型具有以下有益效果：
16.本实用新型在外壳内设置了可以沿轴向移动的纺锤形调节芯体，通过改变调节芯体和外壳的相对位置发生变化就能够实现其中气体通道尺寸的变化，由于移动调节芯体时，环形喷管喷嘴的尺寸不会发生变化，所以只需要移动调节芯体，就能改变喉道段与喷嘴喉道的面积比，而不需要改变调节芯体和外壳自身的尺寸发生变化；在生产加工时可以采用相同的外壳和调节芯体根据设计要求改变安装位置来满足要求，提高了零件的通用性；在使用时也可以根据实际的工作情况进行微调，来适应工况，实现流量控制，提高效率，也提高了设备的适用性。其中调节芯体的首端延伸到吸入管，使吸入管内的气体通道变为环形，这样被引射流气体在接触引射流气体之前就先经过一次分流，有助于对被引射流气体进行整流，降低有助于降低被引射流气体与引射流气体混合时流场的复杂度，使气流更为的平稳，有助于提高效率。且由于调节芯体从收缩管内管过，在调节芯体与喷管内壁之间、喷管外壁与外壳内壁之间形成两个环形混合区域内，被引射流气体与引射流气体在两个混合区域内接触混合，能够在较短的距离混合充分，有助于减小管道长度，使系统更为紧凑。外壳采用多段管道拼接而成，易于加工制造，便于调整更换。
附图说明
17.图1为超声速引射器的结构示意图；
18.图2为超声速引射器吸入管的结构示意图；
19.图3为超声速引射器吸入管的左视图；
20.图4为超声速引射器环形喷管的结构示意图；
21.图5为超声速引射器收缩管的结构示意图；
22.图6为喷管外壁的结构示意图；
23.图7为喷管内壁的结构示意图；
24.图8为超声速引射器的混合管的结构示意图；
25.图9为超声速引射器的调节芯体的结构示意图；
26.图10为超声速引射器的扩散管的结构示意图；
27.图11为超声速引射器扩散管的右视图。
28.附图标记说明，1、吸入管；2、支撑座一；3、收缩管；4、环形喷管；4
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1、喷管外壁；4
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2、喷管进气管；4
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3、喷管内壁；5、混合管；6、调节芯体；7、直线驱动器；7
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1、直线驱动器输出端；8、扩散管；9、支撑座二。
具体实施方式
29.以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。
30.一种超声速空气引射器，如图1所示，包括外壳、设置在外壳内的调节芯体6、支撑变形芯体的支撑装置和环形喷管4。外壳的内壁与变形芯体的外型面之间形成气体通过的通道，利用外壳的内壁与变形芯体的外型面之间距离的变化能够改变气体通道的宽窄，形成引射器扩压所需要的收窄段、喉道段和扩张段。
31.外壳整体呈一直管状，管径呈流线型均匀变化，外壳两端开口，在图1中，外壳左端为进口端，外壳右端为出口端。外壳由多段管连接而成，包括依次同轴设置的吸入管1、收缩管3、混合管5和扩散管8，如图2所示，其中吸入管1的管径从进口端到出口端逐渐变大，如图5所示，收缩管3的管径从进口端到出口端逐渐变小，如图8所示，混合管5的管径从进口端到出口端逐渐变大，如图10所示，扩散管8的管径从进口端到出口端先逐渐变小再逐渐变大。如图1所示，外壳内壁光滑、内径呈流线型均匀变化，保证气流通道无逆向台阶，气体经过时压力损失小。吸入管1的右端、收缩管3的两端、混合管5的两端和扩散管8的左端分别设置有法兰盘，位置相邻的法兰盘连接配对，法兰盘上设有均布螺纹孔，配对法兰盘通过内六角螺栓固定连接，相邻法兰盘之间设置橡胶密封垫，法拉盘通过焊接的方式与对应管道固定。外壳这样的分段结构，便于加工和安装，也可以为使用中打开外壳调节调节芯体6位置提供了方便。变径管道采用不锈钢板卷管焊接而成。
32.如图1所示，环形喷管4固定设置在收缩管3内，且位于靠近吸入管1的一端，环形喷管4与收缩管3同轴设置，环形喷管4的喷嘴朝向混合管5。为了方便加工、提高喷管的加工精度和提高流体接触面的光洁度，将环形喷管4设置为分体式，如图4、图6和图7所示，包括喷管外壁4
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1、喷管内壁4
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3和喷管进气管4
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2。其中喷管外壁4
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1和喷管内壁4
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3均为管型，喷管外壁4
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1套设在喷管内壁4
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3外。在环形喷管4朝向外壳进口的一端，喷管外壁4
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1和喷管内壁4
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3通过o型密封圈或者焊接的方式密封连接，环形喷管4的径向截面朝向外壳出口的一端最好为尖角状，这样有助于减小引射流在经过环形喷管4所需克服的阻力。在环形喷管
4朝向外壳出口的一端，喷管外壁4
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1和喷管内壁4
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3之间的距离先变小再变大形成环形喷嘴结构，其中喷嘴最窄处为喷管喉道。喷管外壁4
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1上开设有用于进气的通孔，喷管进气管4
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2在通孔处连通喷管外壁4
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1与喷管内壁4
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3之间的腔体，且喷管进气管4
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2与喷管外壁4
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1在通孔处密封连接。喷管外壁4
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1和喷管内壁4
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3的轴向截面为流线型，使环形喷管内部圆滑、无台阶。如图5所示，收缩管3上开设有供喷管进气管4
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2穿过的通孔，喷管进气管4
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2的外壁与收缩管3上通孔内壁之间密封连接，通过喷管进气管4
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2与收缩管3的连接实现环形喷管4的固定。为了综合考虑常用进气流量和受力均衡问题，优选喷管进气管4
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2设置2个、3个或4个，在本实施例中设置3个，喷管进气管4
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2以喷管外壁4
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1轴线为中心均匀的圆周分布。为了减少引射流经过喷漆进气管时所受的阻力，喷管进气管4
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2在收缩管3内的部分设计成符合流动减阻的形状，一般为圆形、菱形或扁平椭圆形。
33.结合图1和图9所示，调节芯体6为纺锤体形状。调节芯体6与外壳同轴设置，其中，调节芯体6的首端位于吸入管1内，调节芯体6的尾端位于扩散管8内，调节芯体6直径最大处位于扩散管8内或位于扩散管8与混合管5交界位置。调节芯体6延伸到吸入管1，使吸入管1内的气体通道变为环形，这样被引射流气体在接触引射流气体之前就先经过一次分流，有助于对被引射流气体进行整流，降低有助于降低被引射流气体与引射流气体混合时流场的复杂度，使气流更为的平稳，有助于提高效率。在收缩管3内调节芯体6直径是逐渐变大的，收缩管3的内径是逐渐变小的，因此收缩管3道内的气体通道是逐渐收窄的，形成了引射器扩压所需的收窄段；且由于调节芯体6从收缩管3内管过，在调节芯体6与喷管内壁4
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3之间、喷管外壁4
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1与外壳内壁之间形成两个环形混合区域内，被引射流气体与引射流气体在两个混合区域内接触混合，能够在较短的距离混合充分，有助于减小管道长度，使系统更为紧凑。在混合管5内调节芯体6的部分我们定义为调节芯体6的混合部，混合部外型面的母线与混合管5内壁的母线平行，因此混合管5内的气体通道的宽度是基本不变的且宽度与收窄段最窄处基本一致，形成了引射器扩压所需的喉道段。在扩散管8的前半段，扩散管8管径收窄，调节芯体6的直径变小直至为零，调节芯体6的收窄幅度大于扩散管8，气体管道呈逐渐扩张状，在扩散管8的后半段扩散管8的管径逐渐变大，气体通道呈继续扩张状，形成了引射器扩压所需的扩张段。需要说明的是，调节芯体6和外壳的具体尺寸参数，需要符合设计手册中对引射、扩压的要求。为了减轻调节芯体6的重量、降低加工难度，最好将调节芯体6设置为空心结构。
34.结合图2、图3、图10和图11所示，支撑装置包括固设在吸入管1内的支撑座一2和固设在扩散管8内的支撑座二9，支撑座一2和支撑座二9分别支撑调节芯体6的两端，保证调节芯体6与外壳同轴。支撑座一2和支撑座二9均包括连接座和支撑肋，连接座用于与调节芯体6连接，支撑肋用于连接外壳与连接座，支撑肋设置至少两根，支撑肋沿外壳径向设置，并以外壳轴线为中心均匀的圆周分布，本实施例中每个支撑座设置3个支撑肋，相邻支撑肋之间的空隙保证了气体能够通过。为了减小气体通过支撑座时的阻力和干扰，支撑肋朝向外壳进口端的表面朝向外壳进口端隆起的弧面或折面，例如间支撑肋设置成圆形或者菱形。
35.调节芯体6的首端固定设置滑柱，支撑座一2的连接座上开设有与滑柱相适配的滑孔，滑柱穿设于滑孔内。调节芯体6的尾端可以固定设置螺纹柱，支撑座二9上开设有与螺纹柱向相适配的螺纹孔，螺纹柱螺纹连接于螺纹孔内，对调节芯体6位置进行调整时，可以手动转动螺纹柱或调节芯体6，使调节芯体6轴向移动；如图9所示，也可以在调节芯体6的尾端
设置直线驱动器7，直线驱动器输出端7
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1的移动方向与调节芯体6的轴线方向平行，直线驱动器输出端7
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1与支撑座二9的连接座固接，直线驱动器7的本体和调节芯体6固接，进行调节时通过直线驱动器7调节芯体6直线移动，直线驱动器7可以设置在调节芯体6的中空部分中，可以避免直线驱动器7干扰气体流动，直线驱动器7可以采用电动缸、液压杆等装置。
36.沿轴向移动调节芯体6，改变调节芯体6和外壳的相对位置发生变化就能够实现气体通道尺寸的变化，尤其是喉道段的流通面积变化明显且对于引射器的性能影响大，如图1，当调节芯体6向左移动时，喉道段的流通面积变小，当改变调节芯体6向右移动时，喉道段的流通面积变大。由于移动调节芯体6时，环形喷管4喷嘴的尺寸不会发生变化，所以只需要移动调节芯体6，就能改变喉道段与喷嘴喉道的面积比，而不需要改变调节芯体6和外壳自身的尺寸发生变化；在生产加工时可以采用相同的外壳和调节芯体6根据设计要求改变安装位置来满足要求，提高了零件的通用性；在使用时也可以根据实际的工作情况进行微调，来适应工况，提高了设备的适用性。需要说明的是，按照按照《高速风洞》中的引射器设计方法，移动调节芯体6位置时最好保证面积比在6~10的范围内。
37.使用时，低能、低压气体的被引射流气体由吸入管1的进口进入外壳，在吸入管1内整流把气流的速度和压力稳定下来，高压、高能的引射流气体从喷管进气管4
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2进入环形喷管4并从其喷嘴喷出，引射流气体与被引射流气体在收缩管3内混合，混合气流进入混合管5和调节芯体6之间形成喉道段，实现减速增压，混合气流由超声速变为亚声速，再进入扩散管8，进一步减速扩压，最后混合气体排出引射器。本实用新型可以用在对来流空气的增压和抽真空场合。
38.本具体实施例仅仅是对本实用新型的解释，其并不是对本实用新型的限制，虽然以上已结合附图对按照本实用新型目的的构思和实例作了详尽说明，但本领域技术人员应当认识到，在没有脱离本实用新型构思的前提下，任何基于本实用新型作出的改进和变换仍然属于本实用新型保护范围内的内容。