CN111760476A - 航空发动机高空舱气体混合方法及基于文丘里管的气体混合器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于航空发动机试验设备领域，涉及一种基于文丘里管的气体混合器及气体混合方法。本发明基于文丘里管的气体混合器包括主管和支管，所述支管以多个接口周向均匀布置在主管上，主管中气体流量大，支管气体总流量小，且支管与主管之间设置一个环形静压腔，用于使得支管中气流均匀进入混合器，且所述混合器主管内纵向置文丘里管阵列，且所述文丘里管包括收缩段、喉部和扩张段，其中，喉部下游至扩张段断开。本发明通过文丘里管独特结构设计，可以降低混合器对主流的温度均匀性的影响，获得温度场均匀的气流，改善了航空发动机高空舱内流道内气体混合均匀性，提高了试验可靠性和有效性。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机试验设备领域，涉及一种基于文丘里管的气体混合器及气体混合方法。
背景技术
高空舱等航空发动机试验设备需要模拟来流温度快速变化，需要使用气体混合的方式获得较快的温度调节速度。同时航空发动机高空舱对来流温度均匀性要求高，而掺混支路会影响主路气流的温度均匀性。在有限的管道长度内，混合器安装是存在较大难度，同时如何尽量减小混合气流对主流温度均匀性的影响是现有技术混合器设计的技术难点。
常用的混合器形式有SK型静态混合器和中心插管开孔径向射流式混合器等。如化工领域常用的SK型静态混合器采用扭转螺旋片结构，在混合器出口下游10～25倍直径处才能获得不均匀度1％～5％的气流，不适用于高空舱前室这种长度受限的结构。
国外高空舱NASA PSL-4试验舱气体混合管路采用中心插管开孔径向射流，此种结构的机理为温度均匀性不佳。
国外AEDC J-2高空舱将文丘里管置于主流管道内，主要是使用临界文丘里管用于测量管道内流量，并非用于提高掺混管道内温度均匀性，而且现有技术常规文丘里混合器主要是使用于单个管道，同样无法解决掺混管道内温度均匀性问题。
发明内容
本发明的目的是：提供一种基于文丘里管的气体混合器，在有限的管道长度内，合理设计气体混合器形式，有效减小混合气流对主流温度均匀性的影响。
另外，还提供发动机高空舱的气体混合方法。
本发明的技术方案是：基于文丘里管的气体混合器，其包括主管1和支管2，支管2以多个接口周向均匀布置在主管1上，主管中气体流量大，支管气体总流量小，且支管与主管之间设置一个环形静压腔3，用于使得支管中气流均匀进入混合器，且所述混合器主管内纵向设置文丘里管阵列，且所述文丘里管包括收缩段、喉部和扩张段，其中，喉部8下游至扩张段断开，主管气流通过文丘里管收缩段加速后，通过喉部的主管气流速度大于支管气流速度，实现对支管气流的引射。
所述喉部8断开的轴向长度约0.5～1.5倍喉部直径。
所述文丘里管在主管内交错均匀布置，形成文丘里管阵列，且文丘里管焊接在上游挡板和下游挡板上。
所述上游挡板5和下游挡板6为圆形孔板，板孔用于文丘里管安装，且上游挡板5和下游挡板6与主管内壁之间均为焊接连接。
所述收缩段(7)曲线为圆弧、维氏曲线、双三次方曲线或五次方曲线。
所述扩张段9扩张角角度为10～15°，优选12°。
混合器支管2数量为2～6路，优选数量为4路。
所述支管2轴线与混合器对称面成一定夹角。
所述静压腔为环形空腔。
航空发动机高空舱气体混合方法，其在高空舱前室管道内安装有所述的基于文丘里管的气体混合器，所述文丘里管进出口处设置上游挡板和下游挡板，主管气流只能从文丘里管收缩段进入混合器，文丘里管喉部8断开，支管气流从喉部进入混合器，主管气流在文丘里管收缩段7加速降压，从而引射支管气流进入文丘里管，在喉部8和扩张段9中，主管气流与支管气流进行充分混合。
本发明的优点是：本发明通过文丘里管独特结构设计，可以降低混合器对主流的温度均匀性的影响，获得温度场均匀的气流，用于航空发动机试验。通过CFD计算可以得出温度不均匀度小于1％，其中温度不均匀度定义为计算域出口截面最高温度和最低温度之差与截面质量平均温度的比值。因此，本发明能够为航空发动机高空舱、试验车、推进风洞供气管道设计提供了有效的技术保障，具有较大的实际应用价值。
附图说明
图1文丘里混合器结构型式主视图；
图2文丘里混合器结构型式截面图；
图3文丘里管外形图；
图4上游挡板，
其中，1.主管；2.支管；3.静压腔；4.文丘里管；5.上游挡板；6.下游挡板；7.收缩段；8.喉部；9.扩张段。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。
请同时参阅图1和图2，本发明基于文丘里管的气体混合器包括主管1和支管2。其中，所述支管2以多个接口周向均匀布置在主管1上。主管中气体流量大，支管气体总流量小。支管与主管之间设置一个环形静压腔3，用于使得支管中气流均匀进入混合器。
所述混合器支管2数量为2～6路，优选数量为4路。支管2轴线与混合器对称面的夹角可以根据文丘里管的布置调整，夹角范围为10～30°，优选22°，通过角度变化可以有效避免支管气流直接冲击文丘里管，从而减小支管气流进入主管的阻力损失和管道振动。
所述混合器主管内设置多个文丘里管。所述混合器主管内文丘里管的数量过少则混合后气流温度均匀性较差，数量过多则加工制造难度增大，针对直径3m～5m的发动机高空舱整流室，文丘里管数量范围一般为50～100个。文丘里管在主管内交错均匀布置，减小支管气流进入主管的阻力损失，使得支管气流能够到达主管中心处。
所述文丘里管焊接在上游挡板5和下游挡板6上，所述上、下游挡板均为孔阵设计，用于夹持固定文丘里管，同时阻断进入间隙的气体。具体实施时，所述上游挡板5和下游挡板6为圆形孔板，开孔处用于安装文丘里管，则固定设置在主管内，采用焊接方式可以减小管路振动，结构稳定。其中，所述上游挡板5设置在文丘里管进口处，主管气流只能从文丘里管收缩段进入文丘里管，不能从文丘里管之间的空隙进入下游管路。所述下游挡板6设置在文丘里管出口处，混合之后的气流只能从文丘里管出口进入主管下游，不能从文丘里管之间的空隙进入下游管路。
请参阅图2，所述文丘里管包括收缩段、喉部和扩张段，具体的收缩段焊接在上游挡板5开孔处，扩张段焊接在下游挡板开孔处，而喉部位于上下游挡板之间。其中，所述文丘里管4收缩段7优选参数为曲线为圆弧，采用圆弧结构形式简单加工方便，收缩段7可采用维氏曲线、双三次方曲线、五次方曲线等形式，改善收缩段7出口气流均匀性。收缩段收缩比为2～4，通过减小流通面积提高喉部气流速度，形成气体引射效果，收缩比不宜过大，以减小气体流动阻力损失和管道振动。扩张段9扩张角角度为10°～15°，优选12°，以在扩张过程中，有效提高气体混合均匀性。有别于现有技术常规文丘里管的结构形式，本发明创造性的将文丘里管从喉部8下游至扩张段的文丘里管结构断开，作为气体混合的引流口，喉部8断开的起始位置为喉部最小直径下游0.05～0.1倍喉部直径，在此间断处主流气体速度最大。喉部8断开的轴向长度约0.5～1.5倍喉部直径。断开长度过短则不利于形成引射效果；断开长度过长则主管气流易扩散，会增加气体流动损失。另外，扩张段入口直径大于喉部直径，便于主管气流将支管气流引射至文丘里管4中。主管气流在文丘里管收缩段加速降压，从而引射支管气流进入文丘里管，在喉部和扩张段主管气流与支管气流进行充分混合，有效提高发动机高空舱供气管道的气体均匀性。
另外，发动机高空舱内部设置如上述基于文丘里管的气体混合器。实际工作时，混合器管道周向设置静压腔使得多个供气支管气流均匀地进入混合器，同时由于使用喉部断开的多个文丘里管置于主管内，主管气流将支管气流引射至文丘里管4中，主管气流在文丘里管收缩段加速降压，从而引射支管气流进入文丘里管，在喉部和扩张段主管气流与支管气流进行充分混合，有效提高发动机高空舱供气管道的气体均匀性。进气混合器的主管气流压力与支管气流压力基本相等，一般为0.3～0.5MPa，即等压混合，同时主管气流通过文丘里管收缩加速，速度大于支管气流，某实施例中，主管气流速度大于支管气流速度的30％，形成较佳的气体引射效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于文丘里管的气体混合器，其特征在于，包括主管(1)和支管(2)，支管(2)以多个接口周向均匀布置在主管(1)上，主管中气体流量大，支管气体总流量小，且支管与主管之间设置有空腔，用于使得支管中气流均匀进入混合器，且所述混合器主管内设置有上、下游挡板和若干文丘里管，所述文丘里管包括收缩段、喉部和扩张段，其中，收缩段设置在上游挡板，扩张段设置在下游挡板，而喉部(8)位于上下游挡板之间，并与空腔连通，且喉部下游至扩张段断开，主管气流通过文丘里管收缩段加速后，通过喉部的主管气流速度大于支管气流速度，实现对支管气流的引射。
2.根据权利要求1所述的基于文丘里管的气体混合器，其特征在于，所述喉部(8)断开的轴向长度约0.5～1.5倍喉部直径。
3.根据权利要求1所述的基于文丘里管的气体混合器，其特征在于，所述文丘里管在主管内交错均匀布置，形成文丘里管阵列，且文丘里管焊接在上游挡板和下游挡板上。
4.根据权利要求3所述的基于文丘里管的气体混合器，其特征在于，所述上游挡板(5)和下游挡板(6)为圆形孔板，板孔用于文丘里管安装，且上游挡板(5)和下游挡板(6)与主管内壁之间均为焊接连接。
5.根据权利要求1所述的基于文丘里管的气体混合器，其特征在于，所述收缩段(7)曲线为圆弧、维氏曲线、双三次方曲线或五次方曲线。
6.根据权利要求1所述的基于文丘里管的气体混合器，其特征在于，所述扩张段(9)扩张角角度为10～15°，优选12°。
7.根据权利要求1所述的基于文丘里管的气体混合器，其特征在于，混合器支管(2)数量为2～6路，优选数量为4路。
8.根据权利要求1所述的基于文丘里管的气体混合器，其特征在于，支管(2)轴线与混合器对称面成一定夹角。
9.根据权利要求1所述的基于文丘里管的气体混合器，其特征在于，所述空腔为环形静压腔(3)。
10.航空发动机高空舱气体混合方法，其特征在于，在高空舱前室管道内安装有根据权利要求1至9任一项所述的基于文丘里管的气体混合器，主管气流只能从文丘里管收缩段(7)进入气体混合器，文丘里管喉部(8)断开，支管气流从喉部进入混合器，主管气流在文丘里管收缩段(7)加速降压，从而引射支管气流进入文丘里管，在喉部(8)和扩张段(9)中，主管气流与支管气流进行充分混合。
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