CN108267295A - 一种流量控制喷管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流量控制喷管，其包括稳压段、喷管组合单元、插板单元和扩散段，所述喷管组合单元包括中心的三元喷管和组合在所述三元喷管侧壁上的二元喷管，所述插板单元安装在所述喷管组合单元的入口处，其包括能够遮挡二元喷管入口的单插板和即能够遮挡所述二元喷管入口又能遮挡所述三元喷管入口的双插板，所述稳定段为与所述喷管组合单元的入口相同形状的筒体，所述扩散段为与所述喷管组合单元出口相同形状的筒体。本发明解决了气体流动控制跨度大难以精确控制的问题。本发明的喷管结构紧凑，分块设计，组合控制，易于检修和维护。

Description

一种流量控制喷管

技术领域

本发明涉及一种超音速喷管，特别是一种用于气体流量高精度调节的喷管。

背景技术

目前核电设备研制需要进行气体夹带液体试验，不同试验工况气体流量跨度大，随着研究的深入，试验精度需求逐渐提高，由于在试验过程中存在气液两相流，液体跌宕逆流、气体声波逆向传播现象，造成气体压力及流量不稳定状态，使得气体夹带试验的精度不高，为提供气体夹带试验精度，需提供一种高精度的气体流量调节***。

气体流量调节第一种方法是采用流量计反馈信号至调节阀，调节阀响应并进行开度及位置调节，进而调节流量，该方法优点是***简单，易操作，缺点是在大跨度范围内流量计精度不高，且调节阀调压特性决定其在大跨度流量范围无法正常工作，更无法实现气液两相流高精度控制。第二种是采用流量控制器，其基本原理与第一种方法相同，是将流量计与调节阀集成在一起，通过电控信号处理控制器上下游流量，该方法优缺点与第一种相同。第三种方法是采用调节阀与节流装置相结合的方式实现气体流量调节，常用的节流装置为孔板，利用孔板开孔处形成音速流动进行节流，阻止下游压力波动影响，再通过调节阀调节气体压力使气体流量稳定的一定水平，该方法优点是一定程度上稳定了孔板下游流动对上游的影响，提供了较为稳定的下游流场，缺点是孔板喉部流动波动限制了流量调节精度。

因此，为提高气体夹带试验气体流量调节精度，需解决流动扰动及大跨度流量调节问题。

发明内容

本发明克服现有技术的不足，提供一种新型超声速喷管，该喷管屏蔽喉部下游流动扰动，保证上游流动高度稳定，且可在大跨度流量范围工作，解决流动扰动及大跨度流量调节问题。

本发明的流量控制喷管包括稳压段、喷管组合单元、插板单元和扩散段，所述喷管组合单元包括中心的三元喷管和组合在所述三元喷管侧壁上的二元喷管，所述插板单元安装在所述喷管组合单元的入口处，其包括能够遮挡二元喷管入口的单插板和即能够遮挡所述二元喷管入口又能遮挡所述三元喷管入口的双插板，所述稳定段为与所述喷管组合单元的入口相同形状的筒体，所述扩散段为与所述喷管组合单元出口相同形状的筒体。

优选所述中心的三元喷管为拉瓦尔喷管，其外侧壁的整体轮廓为长方体，分别以所述拉瓦尔喷管的上下左右四个侧壁为底壁形成有四个二元喷管，上下两个二元喷管分别安装有所述单插板，能够分别通过所述单插板***或拔出而将各自整个入口堵住或者开放，左右两个二元喷管分别安装有所述双插板，左边的双插板能够堵住或开放左侧二元喷管的入口，并且能够堵住或开放所述拉瓦尔喷管的左半圆的入口，右边的双插板能够堵住或开放右侧二元喷管的入口，并且能够堵住或开放所述拉瓦尔喷管的右半圆的入口。

优选四个所述二元喷管的喉部位置均与所述拉瓦尔喷管的喉部位置相同。

优选上下两个所述二元喷管对称设置，左右两个所述二元喷管对称设置，上下二元喷管的喉部宽度小于左右两个二元喷管的喉部宽度。

优选中心三元喷管用于实现中间区段即最常用试验工况的流量为10％～50％的控制，上部二元喷管与下部二元喷管用于实现微小量试验工况的流量＜10％的控制，中心三元喷管与左部二元喷管及右部二元喷管用于实现大流量试验工况的流量为50％～100％的控制。

优选在所述拉瓦尔喷管的内型壁与外侧壁之间设置有密闭的减重腔。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)解决了气体流动下游流动逆向传播干扰问题；

(2)解决了气体流动控制跨度大难以精确控制的问题；

(3)喷管结构紧凑，分块设计，组合控制，易于检修和维护。

附图说明

图1为本发明喷管结构示意图；

图2为本发明喷管左视图；

图3为本发明喷管稳定段异型截面图；

图4为本发明喷管流道入口截面图；

图5为本发明喷管喉道截面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，气体流量控制喷管结构示意图，该喷管包括稳压段1、上插板阀2、右插板阀3、下插板阀4、左插板阀5、上部二元喷管6、右部二元喷管7、下部二元喷管8、左部二元喷管9、喷管结构块10、中心三元喷管11、扩散段12；其中稳压段1主要作用是降低气体在喷管入口的流动速度，提高气流稳定性、降低湍流度，稳定段1前部为圆形结构，后部与上插板阀2、右插板阀3、下插板阀4、左插板阀5的前端连接处逐渐过渡为异型结构，如图2所示。上插板阀2、右插板阀3、下插板阀4、左插板阀5沿稳压段1后部周向布置，上插板阀2、右插板阀3、下插板阀4、左插板阀5各自的插板座与稳定段1通过焊接连接，保证气体无泄露，上插板阀2、右插板阀3、下插板阀4、左插板阀5各自的插板座分别与上部二元喷管6、右部二元喷管7、下部二元喷管8、左部二元喷管9及通过焊接连接，中心三元喷管11与周向上部二元喷管6、右部二元喷管7、下部二元喷管8、左部二元喷管9流道共用喷管结构块10，并通过焊接连接，中心三元喷管11内型面由喷管结构块10内面构成，上部二元喷管6、右部二元喷管7、下部二元喷管8、左部二元喷管9平面部分由喷管结构块10外面构成，喷管结构块10的密闭腔用于减重。上部二元喷管6、右部二元喷管7、下部二元喷管8、左部二元喷管9分别具有独立的外型面，中心三元喷管11与周向上部二元喷管6、右部二元喷管7、下部二元喷管8、左部二元喷管9通过焊接连接，上部二元喷管6、右部二元喷管7、下部二元喷管8、左部二元喷管9通过焊接与扩散段12连接。上部二元喷管6、右部二元喷管7、下部二元喷管8、左部二元喷管9及中心三元喷管11均可实现超声速流动，上插板阀2、右插板阀3、下插板阀4、左插板阀5分别负责上部二元喷管6、右部二元喷管7、下部二元喷管8、左部二元喷管9的状态管控，其中右插板阀3及左插板阀5的阀板可继续伸长至中心三元喷管11入口中心，形成对中心三元喷管11的状态管控。中心三元喷管11用于实现中间流量区段也是最常用试验工况的流量(10％～50％)控制，上部二元喷管6与下部二元喷管8用于实现微小量试验工况的流量(＜10％)控制，中心三元喷管11与右部二元喷管7及左部二元喷管9用于实现大流量试验工况的流量控制(50％～100％)。在小流量试验工况时，关闭右插板阀3及左插板阀5直至将中心三元喷管11入口关闭，开启上插板阀2或下插板阀4(根据实际流量需要，可同时开启)可实现小流量气体流量控制，当进行常规典型试验工况时，关闭上插板阀2及下插板阀4，使右插板阀3及左插板阀5半开至中心三元喷管11入口完全打开，而右部二元喷管7及左部二元喷管9入口处于关闭状态，即可应用中心三元喷管11实现常规典型试验气体流量控制。当需要进行更大流量气体流量调节试验时，使右插板阀3及左插板阀5全开至中心三元喷管11、右部二元喷管7及左部二元喷管9入口完全打开，三处流道均以超声速流动流出，实现更大流量控制试验需求。将上插板阀2、右插板阀3、下插板阀4、左插板阀5全部完全打开，即可实现五处流道全部以超声速流动流出，实现最大流量控制试验需求。

超声速喷管喉部会产生声速流动，喉部下游超声速流动，根据流体力学原理，超声速流场特征线只向下游延伸，也就是扰动只能沿流动方向传播，而不能逆向传播，因此，利用超声速喷管的这一特性可屏蔽下游扰动对喷管前端流动的干扰，另外，超声速喷管流动与喷管上下游压力比有直接关系，本发明设计的超声速喷管设计充分考虑并利用这一特性，使整个流量调节范围内的压力比的变化均使喷管能处于超声速流动状态，本发明设计的超声速喷管不要求上游压力保持不变，可以适应上游压力发生变化的试验工况。

一定压力的气体在喷管中流动参数会随着喷管截面积的变化而变化，本发明的超声速喷管基准设计点是使气流在喉部形成声速，稳定气体流量不变，即形成节流，气流沿喷管下游膨胀加速到达喉部扩张处形成一道正激波，经过正激波后气体压力适应背压环境，并以亚声速正常流出。随着试验气体压力的提高，气体流量逐渐增大，激波将向下游移动，随着激波的外移，波前气体流速将增大，激波强度加大，激波传播速度加大，气体静压力经激波后跃升并以亚声速流在扩张段中继续增压并最终与背压相等，该喷管自适应地匹配环境背压，并稳定上游气流，为流量调节提供强力支撑。另外，本发明的喷管由中心三元喷管及二元喷管复合结构保证了每一个喷管单元的内型面保持不变，无凸起台阶及异型堵块，从根本上避免单一喷管喉部调节引起的汽蚀裕度较大的问题，也能避免逐一对单喷管的更换问题。本发明的喷管可保持入口条件如压力不进行大幅度调节又能实现流量大幅度调节的技术难题，使调节阀门始终处于最佳工作区间，保证调节的高精度。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种流量控制喷管，其特征在于：包括稳压段、喷管组合单元、插板单元和扩散段，所述喷管组合单元包括中心的三元喷管和组合在所述三元喷管侧壁上的二元喷管，所述插板单元安装在所述喷管组合单元的入口处，包括能够遮挡二元喷管入口的单插板和即能够遮挡所述二元喷管入口又能遮挡所述三元喷管入口的双插板，所述稳定段为与所述喷管组合单元的入口相同形状的筒体，所述扩散段为与所述喷管组合单元出口相同形状的筒体。

2.如权利要求1所述的流量控制喷管，其特征在于：所述中心的三元喷管为拉瓦尔喷管，外侧壁的整体轮廓为长方体，分别以所述拉瓦尔喷管的上下左右四个侧壁为底壁形成有四个二元喷管，上下两个二元喷管分别安装有所述单插板，分别通过所述单插板***或拔出而将各自整个入口堵住或者开放，左右两个二元喷管分别安装有所述双插板，左边的双插板堵住或开放左侧二元喷管的入口，并且堵住或开放所述拉瓦尔喷管的左半圆的入口，右边的双插板堵住或开放右侧二元喷管的入口，并且堵住或开放所述拉瓦尔喷管的右半圆的入口。

3.如权利要求2所述的流量控制喷管，其特征在于：四个所述二元喷管的喉部位置均与所述拉瓦尔喷管的喉部位置相同。

4.如权利要求3所述的流量控制喷管，其特征在于：所述上下两个所述二元喷管对称设置，左右两个所述二元喷管对称设置，上下二元喷管的喉部宽度小于左右两个二元喷管的喉部宽度。

5.如权利要求4所述的流量控制喷管，其特征在于：所述中心三元喷管用于实现中间区段即最常用试验工况的流量为10％～50％的控制，上部二元喷管与下部二元喷管用于实现微小量试验工况的流量＜10％的控制，中心三元喷管与左部二元喷管及右部二元喷管用于实现大流量试验工况的流量为50％～100％的控制。

6.如权利要求1-5中任一项所述的流量控制喷管，其特征在于：在所述拉瓦尔喷管的内型壁与外侧壁之间设置有密闭的减重腔。