CN111963338B - 一种气体分支管路的导流装置 - Google Patents

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Abstract

一种气体分支管路的导流装置，包括一个入口、两个主出口、一个副出口、入口叶片、两个出口大叶片、出口半孔、中部小孔以及小型波纹管。导流装置从入口至出口为相互贯通的一体成形结构。本发明所述的一种气体分支管路的导流装置布置于液体火箭发动机的涡轮出口，作为单涡轮泵双推力室液体火箭发动机调节分支路燃气流量的关键组件，在其它单入口来流、双出口的动力机械上，普遍存在流量不均匀的情况，也可用此导流装置根据实际需要调节两出口管的流量。

Description

一种气体分支管路的导流装置
技术领域
本发明涉及一种气体分支管路的导流装置，特别是一种带有入口整流作用且分支出口流量可调节的气体分支管路导流装置。
背景技术
对于单涡轮泵双推力室液体火箭发动机，由于涡轮出口气流存在旋向和涡流，导致涡流出口两个结构对称的分支管路内的流量不均匀、流场不均匀，使推力室的推力存在一定偏差。在涡轮出口双支管处需要一个导流装置，改善分支管路流场的均匀性。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种气体分支管路的导流装置，解决现有单涡轮泵双推力室液体火箭发动机涡轮双出口管流量和流场不均匀的问题，解决其他单入口双出口的动力机械分支管路流量不均匀的问题，可根据实际需要，调节两出口管的流量大小。
本发明采用的技术解决方案是：
一种气体分支管路的导流装置，包括：入口、第一出口、第二出口、副出口以及入口叶片；
导流装置从入口至出口为相互贯通的一体成形结构，第一出口和第二出口作为主出口，结构相同且对称分布，第一出口和第二出口之间设置有副出口，且副出口位于导流装置中心位置；入口分为内外两个区域，一个是带有入口叶片的外圈区域，另一个是直接流向副出口的内圈区域；气体从外圈区域流向第一出口和第二出口。
进一步的，第一出口和第二出口的壁面边缘设置有出口半孔，用于调节支管气体流量。
进一步的，副出口的壁面上设置有中部小孔，通向第一出口和第二出口，用于调节支管气体流量。
进一步的，入口叶片在流体入口周向均匀布置，形状为等厚度的板形叶片，用于整流，改善来流方向的不均匀流场。
进一步的，还包括结构相同的第一出口大叶片和第二出口大叶片，第一出口大叶片设置在第一出口中，第二出口大叶片设置在第二出口中，第一出口大叶片和第二出口大叶片均为光滑流线型壁面结构，与入口叶片光滑过渡，用于导流、规整出口流场以及减少流场中的涡，减小下游流阻。
进一步的，还包括波纹管，安装在副出口上，用于补偿材料在高温环境中的变形。
进一步的，第一出口和第二出口为适应支管形状的流线型曲面结构，第一出口和第二出口的壁面为变截面环状叶片，通过调整壁面形状实现两个主出口的流量调节；副出口为流线型曲面结构。
进一步的，导流装置采用铸造或者3D打印方式加工，材料可根据使用环境选用高温合金、耐腐蚀不锈钢或者其他满足使用要求的材料。
进一步的，气体的入口管与导流装置的入口连接，导流装置的第一出口和第二出口适应两个气体出口管的形状，分别与两个气体出口管相配合；导流装置的副出口与气体第三出口管相配合。
气体从入口管流入导流装置，导流装置的入口叶片对流入的不均匀气体进行整流，整流后的气体经第一出口大叶片和第二出口大叶片再次整流后，分别通过第一出口和第二出口流出，出口半孔用于调节支管气体流量；
第一出口、第二出口以及副出口通过中部小孔连通，流入导流装置的另一部分气体流向副出口，当第一出口中气体压力过大，第二出口内气体压力过小时，通过中部小孔进行平衡，第一出口中的部分气体通过中部小孔流入副出口，副出口中的部分气体通过中部小孔流入第二出口，剩余气体从副出口处流出，以实现第一出口和第二出口的气体压力平衡，反之亦然。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明为一种适用于入口气流存在旋向和涡流的非稳定流场，且需要调节各支管流量的导流装置。作为单涡轮泵双推力室液体火箭发动机调节分支路燃气流量的关键组件，解决现有单涡轮泵双推力室液体火箭发动机涡轮双出口管流量和流场不均匀的问题。
(2)本发明采用入口直叶片与出口流线型大叶片相结合的结构，可以改善来流方向的不均匀流场，使导流装置中的流动损失降低。
(3)本发明副出口壁面上设置有中部小孔，使得两个主出口、副出口通过中部小孔连通起来，起到调节各支管流量、平衡压力的作用。
(4)与普通的导流装置相比，本发明可灵活控制个支管的流量，对于不均匀的流场，本发明可使流场中的速度分布更均匀、管道内流体分离区域减小。
附图说明
图1为本发明的立体示意图；
图2为本发明的主视图；
图3为本发明的俯视图；
图4为本发明的安装方式示意图。
具体实施方式
本发明涉及一种带有入口整流作用且分支出口流量可调节的气体分支管路导流装置，尤其适用于入口来流带有旋向、存在涡流的环境，作为单涡轮泵双推力室液体火箭发动机调节分支路燃气流量的关键组件。在其他单入口来流、双出口的动力机械上，普遍存在流量不均匀的情况，也可用此导流装置根据实际需要调节两出口管的流量。此导流装置的结构原理还可适应两个以上的多出口分支管路。
如图1、2、3所示，为本发明的一种气体分支管路的导流装置结构示意图。包括入口1、第一出口2、第二出口3、副出口4、入口叶片5、第一出口大叶片6、第二出口大叶片7、出口半孔8、中部小孔9以及小型波纹管10。
整个导流装置从入口至出口为相互贯通的一体成形结构，可采用焊接或者法兰连接的方式与支管相连。第一出口2和第二出口3作为主出口，结构相同且对称分布，第一出口2和第二出口3之间设置有副出口4，且副出口4位于导流装置中心位置；入口1分为内外两个区域，一个是带有入口叶片5的外圈区域，另一个是直接流向副出口4的内圈区域；气体从外圈区域流向第一出口2和第二出口3。
第一出口2和第二出口3的壁面边缘设置有出口半孔8，用于调节支管气体流量。根据流量调节的需要来确定出口半孔8的数量的尺寸。
副出口4的壁面上设置有2个中部小孔9，通向第一出口2和第二出口3，使得两个主出口、副出口通过中部小孔连通起来，起到调节各支管流量、平衡压力的作用。
入口叶片5在流体入口周向均匀布置，形状为等厚度的板形叶片，以保证叶片的强度和刚度。入口的直叶片起导流作用，改善来流方向的不均匀流场，使导流装置中的流动损失降低。
第一出口大叶片6设置在第一出口2中，第二出口大叶片7设置在第二出口3中，第一出口大叶片6和第二出口大叶片7均为光滑流线型壁面结构，与入口叶片5光滑过渡，用于导流、规整出口流场以及减少流场中的涡，减小下游流阻。
发明采用入口直叶片与出口流线型大叶片相结合的结构，可以改善来流方向的不均匀流场，使导流装置中的流动损失降低。
小型波纹管10，安装在副出口4上，用于补偿材料在高温环境中的变形，提高装置在高温环境中的结构可靠性，如果导流装置在非高温环境中工作，则小型波纹管10可取消。
第一出口2和第二出口3为适应支管形状的流线型曲面结构，第一出口2和第二出口3的壁面为变截面环状叶片，通过调整壁面形状实现两个主出口的流量调节；副出口4为流线型曲面结构。具体的形状参数根据需要进行调整。
导流装置采用铸造或者3D打印方式加工，材料根据使用环境要求选用高温合金、耐腐蚀不锈钢或者其他满足使用要求的材料。
图4展示了使用法兰连接方式将导流装置与入口管、出口管相连的方法，也可将法兰对接面处改为焊接方式连接。
气体的入口管与导流装置的入口1连接，导流装置的第一出口2和第二出口3适应两个气体出口管的形状，分别与两个气体出口管相配合；导流装置的副出口4与气体第三出口管相配合。
气体从入口管流入导流装置，导流装置的入口叶片5对流入的不均匀气体进行整流，整流后的气体经第一出口大叶片6和第二出口大叶片7再次整流后，分别通过第一出口2和第二出口3流出，出口半孔8用于调节支管气体流量；
第一出口2、第二出口3以及副出口4通过中部小孔9连通，流入导流装置的的另一部分气体流向副出口4，当第一出口2中气体压力过大，第二出口3内气体压力过小时，通过中部小孔9进行平衡，第一出口2中的部分气体通过中部小孔9流入副出口4，副出口4中的部分气体通过中部小孔9流入第二出口3，剩余气体从副出口4处流出，以实现第一出口2和第二出口3的气体压力平衡，反之亦然。
当气体为高温气体时，副出口4上的小型波纹管10还可对导流装置因材料受热产生的变形进行补偿，提高装置在高温环境中的结构可靠性。
本发明提出的气体分支管路的导流装置布置于液体火箭发动机的涡轮出口，作为单涡轮泵双推力室液体火箭发动机调节分支路燃气流量的关键组件，能够平衡双出口流量和压力。在其它单入口来流、双出口的动力机械上，普遍存在流量不均匀的情况，也可用此导流装置根据实际需要调节两出口管的流量。
实施例：
例如，在某型液体火箭发动机涡轮出口高温燃气流量约1100kg/s，由于涡轮出口燃气具有旋向，属于具有复杂涡流的非稳定流场，在无导流装置的分支管路中，两个分支出路的流量差达到9kg/s以上，将产生超过2.5％的发动机推力偏差。利用本专利提出的设计方法，设计一种用于该型液体火箭发动机的导流装置，其部分参数为：入口直叶片12片，第一出口和第二出口的壁面边缘各设置有3个出口半孔，直径尺寸均为18mm；副路出口管有一个膨胀节，用于补偿高温燃气引起的导流装置温度变形；副出口上有两个中部小孔，尺寸分别65mm和36mm，该结构方案的导流装置可将两分支管路的流量差降至0.5Kg/s以内。可见，在安装导流装置之后，该型液体火箭发动机涡轮出口分支管路燃气流量分配更加均衡。
虽然本发明已有技术方案和较佳实施例陈述如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的变化、更替与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (6)

1.一种气体分支管路的导流装置，其特征在于包括：入口（1）、第一出口（2）、第二出口（3）、副出口（4）以及入口叶片（5）；
导流装置从入口至出口为相互贯通的一体成形结构，第一出口（2）和第二出口（3）作为主出口，结构相同且对称分布，第一出口（2）和第二出口（3）之间设置有副出口（4），且副出口（4）位于导流装置中心位置；入口（1）分为内外两个区域，一个是带有入口叶片（5）的外圈区域，另一个是直接流向副出口（4）的内圈区域；气体从外圈区域流向第一出口（2）和第二出口（3）；
第一出口（2）和第二出口（3）的壁面边缘设置有出口半孔（8）；
副出口（4）的壁面上设置有2个中部小孔（9），分别通向第一出口（2）和第二出口（3），用于调节支管气体流量；
入口叶片（5）在流体入口周向均匀布置，形状为等厚度的板形叶片，用于整流，改善来流方向的不均匀流场；
还包括结构相同的第一出口大叶片（6）和第二出口大叶片（7），第一出口大叶片（6）设置在第一出口（2）中，第二出口大叶片（7）设置在第二出口（3）中，第一出口大叶片（6）和第二出口大叶片（7）均为光滑流线型壁面结构，与入口叶片（5）光滑过渡，用于导流、规整出口流场以及减少流场中的涡，减小下游流阻。
2.根据权利要求1所述的一种气体分支管路的导流装置，其特征在于：还包括波纹管（10），安装在副出口（4）上，用于补偿材料在高温环境中的变形。
3.根据权利要求1所述的一种气体分支管路的导流装置，其特征在于：第一出口（2）和第二出口（3）为适应支管形状的流线型曲面结构，第一出口（2）和第二出口（3）的壁面为变截面环状叶片，通过调整壁面形状实现两个主出口的流量调节；副出口（4）为流线型曲面结构。
4.根据权利要求1所述的一种气体分支管路的导流装置，其特征在于：导流装置采用铸造或者3D打印方式加工，材料选用高温合金或不锈钢。
5.根据权利要求1所述的一种气体分支管路的导流装置，其特征在于：气体的入口管与导流装置的入口（1）连接，导流装置的第一出口（2）和第二出口（3）适应两个气体出口管的形状，分别与两个气体出口管相配合；导流装置的副出口（4）与气体第三出口管相配合。
6.根据权利要求5所述的一种气体分支管路的导流装置，其特征在于：
气体从入口管流入导流装置，导流装置的入口叶片（5）对流入的不均匀气体进行整流，整流后的气体经第一出口大叶片（6）和第二出口大叶片（7）再次整流后，分别通过第一出口（2）和第二出口（3）流出；
第一出口（2）、第二出口（3）以及副出口（4）通过中部小孔（9）连通，当第一出口（2）中气体压力过大，第二出口（3）内气体压力过小时，通过中部小孔（9）进行平衡，第一出口（2）中的部分气体通过中部小孔（9）流入副出口（4），副出口（4）中的部分气体通过中部小孔（9）流入第二出口（3），剩余气体从副出口（4）处流出，以实现第一出口（2）和第二出口（3）的气体压力平衡，反之亦然。
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