CN103406218A - 应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件,包括入气管、测温嘴、测压嘴、气流稳定管、音速喷嘴球形接头、外套螺母、焊接接管嘴;气流稳定管一端固定连接入气管,另一端固定连接音速喷嘴球形接头,气流稳定管上设有测温孔和测压孔,测温嘴、测压嘴分别固定连接在测温孔、测压孔上,音速喷嘴球形接头的另一端与焊接接管嘴通过外套螺母固定连接。本发明整体使用不锈钢材料,音速喷嘴与球形接头一体加工成型,较常规音速喷嘴组件工艺简单,密封面数量由4个减少为1个,球形接头的球面与焊接接管嘴的锥面形成线密封,可靠性大大提高,可在真空、低温环境下连续长期使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件,属于气体流量控制技术领域。
背景技术
使用音速喷嘴控制气体流量是一种简单易行、可靠性高、响应快速的方法。当音速喷嘴喉部气体流速达到当地音速时,通过喷嘴的流量达到最大,且不受喷嘴下游压力波动的影响。由公式计算通过音速喷嘴的流量。其中,qmax为流量;Cd为流量系数;k为比热比,R为气体常数;p*为音速喷嘴前气体总压;T*为气体总温,At为喷嘴喉部横截面积。一般情况下,气体总温T*、比热比k不变,因此,只需调节并测量音速喷嘴前气体总压p*,即可得到对应总压下的气体流量qmax。
应用于大气环境的常规音速喷嘴组件结构如图1所示,一般采用可更换的音速喷嘴,通过退火的紫铜垫圈达到密封效果。密封方式为面密封,且至少有4个密封面,密封效果及可靠性不高。在大气环境下,少量气体泄露影响不大,但是若应用于真空环境,特别是高真空、超高真空环境中,则会对真空环境造成显著破坏。退火紫铜硬度低、延展性好,因此常规音速喷嘴组件需要定期拧紧密封面,保证密封效果,若应用于真空环境,则无法做到随时开启真空舱拧紧密封面。若把音速喷嘴组件置于真空舱外大气环境中的管路部分,虽然可以使用现有常规音速喷嘴组件,但这种布置将使音速喷嘴至真空舱内阀门的管路过长,造成流量控制响应慢。
发明内容
本发明的目的是为了解决常规音速喷嘴在真空环境中密封效果不好、可靠性不高的问题,提出了一种将音速喷嘴与球形接头一体加工成型的结构,使用球面-锥面密封形式形成可靠的线密封,减少密封面数量;整体使用不锈钢材料,提高加工性和可焊性,可在真空、低温环境下连续长期使用。
一种应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件,包括入气管、测温嘴、测压嘴、气流稳定管、音速喷嘴球形接头、外套螺母、焊接接管嘴;
气流稳定管一端固定连接入气管,另一端固定连接音速喷嘴球形接头,气流稳定管上设有测温孔和测压孔,测温嘴、测压嘴分别固定连接在测温孔、测压孔上,音速喷嘴球形接头的另一端与焊接接管嘴通过外套螺母固定连接。
本发明的优点在于:
(1)音速喷嘴与球形接头一体加工成型,较常规音速喷嘴组件工艺简单,密封面数量由4个减少为1个,可靠性大大提高;
(2)球形接头的球面与焊接接管嘴的锥面形成线密封,比常规音速喷嘴组件退火紫铜的面密封更为可靠;
(3)各个部件全部使用不锈钢加工制造,加工性和焊接性好,选取合适的不锈钢牌号,如304或316L,材料硬度高、放气率低、低温条件下变形小,无需定期拧紧密封面,可在真空、低温环境下连续长期使用。
附图说明
图1:现有技术中常规音速喷嘴组件结构。
图2:本发明提出的应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件结构。
图中:
1-测温嘴 2-入气管 3-测压嘴
4-气流稳定管 5-音速喷嘴球形接头 6-外套螺母
7-焊接接管嘴
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件,如图2所示,包括入气管2、测温嘴1、测压嘴3、气流稳定管4、音速喷嘴球形接头5、外套螺母6、焊接接管嘴7。
气流稳定管4一端固定连接入气管2,另一端固定连接音速喷嘴球形接头5,气流稳定管4上设有测温孔和测压孔,测温嘴1、测压嘴3分别固定连接在测温孔、测压孔上,分别测量气流稳定管4内气体的温度和压力,音速喷嘴球形接头5的另一端与焊接接管嘴7通过外套螺母6固定连接。
所述的入气管2、测温嘴1、测压嘴3、气流稳定管4、音速喷嘴球形接头5均采用不锈钢材料,各自加工成型后,用焊接的方式形成一个整体。在焊接音速喷嘴球形接头5前,需要将外套螺母6套入音速喷嘴球形接头5的圆柱段。
所述的测温嘴1用于连接温度传感器,测压嘴3用于连接压力传感器,测温嘴1、测压嘴3的结构形式根据所选用的温度传感器和压力传感器确定。
所述的音速喷嘴球形接头5内壁面由圆柱段、收敛段、喉道、扩张段连接而成,外壁面由圆柱段、台阶、球面连接而成,球面表面粗糙度Ra优于(小于等于)0.8μm,圆柱段的一端与气流稳定管4焊接,球面的一端与焊接接管嘴7中的锥面接触。
所述的焊接接管嘴7的一端的外壁面设有外螺纹,内壁面由锥面、圆柱段连接而成,锥面与音速喷嘴球形接头5的球面相接触,锥表面粗糙度Ra优于(小于等于)0.8μm。
所述的外套螺母6内部设有内螺纹,外套螺母6一端卡住音速喷嘴球形接头5外壁面的台阶,另一端的内螺纹与焊接接管嘴7的外螺纹配合,外套螺母6将音速喷嘴球形接头5与焊接接管嘴7固定后,焊接接管嘴7的锥面与音速喷嘴球形接头5的球面压紧形成线密封。由于使用不锈钢材质,可保证组件连接强度高、不易变形,可在真空、低温环境中连续长期使用。
所述的入气管2内壁面、气流稳定管4内壁面、音速喷嘴球形接头5内壁面的圆柱段、焊接接管嘴7内壁面的圆柱段直径相同,直径根据气体的流量选取。
所述的气流稳定管4中,测温、测压孔距离音速喷嘴喉道的长度,大于气流稳定管4内径的5倍。
所述的音速喷嘴球形接头5喉道的直径为:
对dt进行圆整处理,得到音速喷嘴球形接头5喉道的直径,其中,Cd为流量系数,根据喉部加工的难易程度可取为0.85~0.95,k为气体比热比,R为气体常数,q为需要调节的流量,p*为音速喷嘴前气体总压,T*为气体总温。
所述的音速喷嘴球形接头5收敛段的收敛角和扩张段的扩张角,根据组件内径和音速喷嘴球形接头5喉道直径选取,一般情况下,取收敛角小于60°,扩张角小于30°,以减小总压损失。
Claims (10)
1.一种应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件,包括入气管(2)、测温嘴(1)、测压嘴(3)、气流稳定管(4)、音速喷嘴球形接头(5)、外套螺母(6)、焊接接管嘴(7);
气流稳定管(4)一端固定连接入气管(2),另一端固定连接音速喷嘴球形接头(5),气流稳定管(4)上设有测温孔和测压孔,测温嘴(1)、测压嘴(3)分别固定连接在测温孔、测压孔上,音速喷嘴球形接头(5)的另一端与焊接接管嘴(7)通过外套螺母(6)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件,所述的入气管(2)、测温嘴(1)、测压嘴(3)、气流稳定管(4)、音速喷嘴球形接头(5)均采用不锈钢材料,各自加工成型后,用焊接的方式形成一个整体。
3.根据权利要求1所述的一种应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件,所述的测温嘴(1)用于连接温度传感器,测压嘴(3)用于连接压力传感器,测温嘴(1)、测压嘴(3)的结构形式根据所选用的温度传感器和压力传感器确定。
4.根据权利要求1所述的一种应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件,所述的音速喷嘴球形接头(5)内壁面由圆柱段、收敛段、喉道、扩张段连接而成,外壁面由圆柱段、台阶、球面连接而成,球面表面粗糙度Ra优于0.8μm,圆柱段的一端与气流稳定管(4)焊接,球面的一端与焊接接管嘴7中的锥面接触。
5.根据权利要求1所述的一种应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件,所述的焊接接管嘴(7)的一端的外壁面设有外螺纹,内壁面由锥面、圆柱段连接而成,锥面与音速喷嘴球形接头(5)的球面相接触,锥表面粗糙度Ra优于0.8μm。
6.根据权利要求1所述的一种应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件,所述的外套螺母(6)内部设有内螺纹,外套螺母(6)一端卡住音速喷嘴球形接头(5)外壁面的台阶,另一端的内螺纹与焊接接管嘴(7)的外螺纹配合,外套螺母(6)将音速喷嘴球形接头(5)与焊接接管嘴(7)固定后,焊接接管嘴(7)的锥面与音速喷嘴球形接头(5)的球面压紧形成线密封。
7.根据权利要求1所述的一种应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件,所述的入气管(2)内壁面、气流稳定管(4)内壁面、音速喷嘴球形接头(5)内壁面的圆柱段、 焊接接管嘴(7)内壁面的圆柱段直径相同,直径根据气体的流量选取。
8.根据权利要求1所述的一种应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件,所述的气流稳定管(4)中,测温、测压孔距离音速喷嘴喉道的长度,大于气流稳定管(4)内径的5倍。
9.根据权利要求1所述的一种应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件,所述的音速喷嘴球形接头(5)喉道的直径为:
对dt进行圆整处理,得到音速喷嘴球形接头(5)喉道的直径,其中,Cd为流量系数, k为气体比热比,R为气体常数,q为需要调节的流量,p*为音速喷嘴前气体总压,T*为气体总温。
10.根据权利要求1所述的一种应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件,所述的音速喷嘴球形接头(5)收敛段的收敛角小于60°,扩张角小于30°。
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