CN108131336A - 一种混合室切向补气的超音速气体引射器 - Google Patents

Abstract

一种混合室切向补气的超音速气体引射器，所述的引射器由引射气入口1、外壁2、被引射气入口3、第一混合室支板4、补气气入口5、第二混合扩压器6、第一混合室7、引射气喷嘴8、引射器喷嘴支板9、端盖10、第二混合扩压器支板11组成。切向补气经由第一混合室和第二混合扩压器形成的补气喷嘴在第二混合扩压器内部形成气动喉道，降低引射器最小起动压力，并可在有被引射气体(负载)情况下节约引射工质流量，从而保证引射器可靠起动并具有较高的引射能力。

Description

一种混合室切向补气的超音速气体引射器

技术领域

本发明涉及一种以气体作为引射工质获得真空及流体输送的装置。

背景技术

超音速气体引射器是一种流体输送装置，它依靠高压气体(蒸汽)流经超音速喷嘴后所形成的高速流卷吸另一种低压流体，并在装置中进行能量交换与物质掺混，达到抽取真空或者输送低压流体的目的。使用超音速气体引射器只消耗引射气体自身能量而无需外加动力，其结构简单、制造容易、与管道的连接方便，而且某些气体(如蒸汽)可以在后续设备中冷凝回收，循环使用，因此超音速气体引射器广泛应用于真空环境获得领域。

通常，超音速气体引射器工作流程可分为三个阶段：引射器自身起动(供给引射气)、正常工作状态(供给被引射气-保持指定时间-停止供给被引射气)、停止供给引射气(关闭引射器)，其中引射器自身起动是超音速气体引射器正常工作的必要阶段。按照气体动力学相关理论，超音速气体引射器自身起动的标志是正激波被引射气体推出超音速扩压器出口。因此，在引射器几何尺寸确定后，要求引射气体的总压必须高于最小起动压力，才能将正激波推出扩压器，保证扩压器内主流为音速或超音速。由于超音速气体引射器的引射气体由拉瓦尔型喷嘴加速至超音速，因此，引射气体的最小流量正比于最小起动压力，引射器的引射系数高低亦受限于最小起动压力。

固定结构的超音速气体引射器只能在设计工况下才能达到正常的工作效率，引射气体压力、流量的调节变化范围很小，必须在一定的范围内才能正常工作，否则超音速气体引射器的工作效率将会极大的降低，甚至不能工作。因此，超音速气体引射器(主要是蒸汽喷射泵)设计者力求依实际工况对喷嘴位置、喷嘴截面积进行调节。例如中国专利CN201827162U、CN203670313U提出了喷嘴位置可调的蒸汽喷射泵，根据工作蒸汽的压力、温度、流量等的变化，手动调节喷嘴位置，以保证喷射泵在最佳点工作，实现***在变工况下的稳定运行。中国专利CN101876329B提出了一种可变喷嘴式喷射泵，通过旋转手轮或通过采集高速流体的流量信号控制自动执行机构实现了喷射泵喷嘴的可调性。中国专利CN102748330A提出了一种多喷嘴蒸汽喷射式热泵及操作方法，通过多喷嘴组作用，提高喷射系数，达到稳定混合蒸汽压力，减少了无法利用压力相对低的蒸汽作为驱动蒸汽而产生的能源浪费。但上述方法均未能从根本上解决固定结构的超音速气体引射器最小起动压力不可调节的问题。

发明内容

本发明的技术解决问题：超音速气体引射器起动阶段要求引射气体的总压必须高于最小起动压力，造成几何结构固定的引射器起动阶段所需的高压引射气体流量远大于有负载条件下所需的流量，从而造成引射系数低和高压引射工质浪费。此外，由于引射器及引射工质供应***的设计往往基于经验，因此，若引射工质供应能力裕量不足，则可能造成引射器无法起动，必须对引射工质供应***(例如锅炉、气瓶场)进行改造或者在设计阶段采用较大的裕量，这也将导致设备规模增加、高压气体资源浪费。采取超音速入口切向补气进行主动流体控制是解决引射器低压起动的最佳方式之一。

本发明的技术解决方案：

本发明的技术解决方案是在超音速气体引射器的引射气喷嘴和超音速扩压器之间增加一个混合室和补气集气室，并利用新增的混合室外壁与原超音速扩压器形成切向补气喷嘴，用于加速并调节补气流量和流动方向。补气气体在原超音速扩压器内形成气动喉道，其截面积小于原超音速扩压器截面积，从而降低引射器最小起动压力，并可在有被引射气体(负载)情况下自适应调节气动喉道大小、节约引射气体流量，从而保证引射器可靠起动并具有较高的引射系数。

本发明与现有技术相比的优点如下：

(1)在引射器几何结构不变情况下，可采用更低压的引射气体实现引射器正常起动，从而降低高压引射气体耗量，提高引射系数，提高引射器运行的经济性；

(2)在引射气源参数和气体耗量不变情况下，可以采用大面积比引射气体喷嘴并确保引射器起动，从而大幅提高引射器压缩比和引射系数。

附图说明

图1混合室切向补气的超音速气体引射器结构示意图

图2切向补气在超音速扩压器内流动结构示意图

图3切向补气的超音速气体引射器与传统单级引射器性能对比

图4切向补气的超音速气体引射器与传统两级引射器性能对比

具体实施方式

本发明涉及一种混合室切向补气的超音速气体引射器，其特征在于引射器由引射气入口1、外壁2、被引射气入口3、第一混合室支板4、补气气入口5、第二混合扩压器6、第一混合室7、引射气喷嘴8、引射器喷嘴支板9、端盖10、第二混合扩压器支板11组成。

引射气入口1为引射器与外部高压气体管路连接接口，采用螺纹或者法兰与外部气体管路连接，入口管路流通面积为引射器喷嘴8喉道面积的4倍以上。引射气入口与外壁2焊接连接。

外壁2为用于包装支撑内部各部件，并与之形成不同功能的空腔。外壁2使用管材加工或板材卷制。

被引射气入口3为引射器与外部负载的连接接口，采用螺纹或者法兰与外部负载管路连接，引射气入口与外壁2焊接连接。

第一混合室支板4用于支撑第一混合室5，并与第一混合室5、外壁2、引射气喷嘴8、引射气喷嘴支板9构成被引射气吸入室。

补气入口5为补气气源与引射器的连接接口，采用螺纹或者法兰与补气气源连接。补气入口5与外壁2焊接连接。

第二混合扩压器6为超音速扩压器，类型可为等截面型、等截面扩张型、二次喉道型，扩压器出口连通大气或下游设备。

第一混合室7为被引射气体与被引射气体初步混合的等截面扩压装置。

引射气喷嘴8为收扩型的拉瓦尔喷管，用于将引射气加速至指定马赫数。

引射气喷嘴支板9用于支撑引射气喷嘴8，并与引射气喷嘴8、外壁2、端盖10、引射气入口1等构成引射气集气缓冲室。

端盖10为引射气集气缓冲腔的组成部件，与外壁2之间焊接或法兰连接。

第二混合扩压器支板11为第二混合扩压器6的支撑，并与第二混合扩压器6、外壁2、第一混合室7、第一混合室支板4构成补气集气缓冲室。

混合室补气的超音速引射器工作流程如下。

引射器起动：首先开启补气入口5，至补气集气缓冲室内压力和被引射气吸入室内压力分别达到设定值(由设计计算确定)并保持稳定；其次，开启引射气入口1，至引射气集气缓冲室内和被引射气吸入室内压力达到设定值(由设计计算确定)并保持稳定，此时，引射器起动成功。

引射器正常工作：开启被引射气入口3，保持上游被引射气稳定供给，引射器进入正常工作状态。

引射器关机：首先关闭被引射气入口3，至被引射气吸入室内压力恢复到设定值；其次关闭引射器入口1，至被引射气吸入室内压力恢复到设定值；最后，关闭补气入口5，引射器停止工作。

引射器工作效果：为验证补气式气体引射器性能，申请人首先试验对比了常规单级引射器和补气式引射器性能(图3)。试验结果表明，在引射系数n＝0时，补气式引射器的压缩比ε是常规单级引射器压缩比ε的4.2倍。在引射系数n＝0～0.1范围内，补气式引射器压缩比ε均较常规单级引射器压缩比ε高(曲线1,4)，但工作压力Π的要求更低(曲线2)。其次，申请人试验对比了常规两级引射器和补气式引射器性能(图4)。试验结果表明，在引射系数n＝0时，常规两级引射器的压缩比ε＝45，而补气式引射器压缩比ε＝115，提高了1.6倍。在引射系数n≤0.08时，补气式引射器压缩比均较常规两级引射器压缩比高(曲线1,2)，但工作压力Π的要求更低(曲线3)。

Claims (5)

1.一种混合室切向补气的超音速气体引射器，其特征在于引射器由引射气入口(1)、外壁(2)、被引射气入口(3)、第一混合室支板(4)、补气气入口(5)、第二混合扩压器(6)、第一混合室(7)、引射气喷嘴(8)、引射器喷嘴支板(9)、端盖(10)、第二混合扩压器支板(11)组成。

2.根据权利要求1所述的混合室切向补气的超音速气体引射器，其特征是：引射气喷嘴(8)为收扩型喷嘴，喷嘴内型面为多段圆弧曲线相接而成，收敛段收敛角大小为20～30°，扩张段扩张角大小为4～8°。

3.根据权利要求1所述的混合室切向补气的超音速气体引射器，其特征是：第一混合室(7)为等截面型混合扩压段。混合室直径由气动函数计算或试验得到，混合室长径比范围为6～8。

4.根据权利要求1所述的混合室切向补气的超音速气体引射器，其特征是：第二混合扩压器(6)和第一混合室(7)之间的间隙构成补气气喷嘴，用于控制补气气流量和流动方向。

5.根据权利要求1所述的混合室切向补气的超音速气体引射器，其特征是：第二混合扩压器形式可为等截面型、等截面扩张型、二次喉道型扩压器。