阅读说明：本技术 一种螺旋排列喷嘴的超声速气体引射器 (Supersonic gas ejector with spirally arranged nozzles ) 是由 赵宏 朱昊伟 戴芳立 于 2019-11-29 设计创作，主要内容包括：一种螺旋排列喷嘴的超声速气体引射器,其特征在于引射器由混合室(1)、引射气集气室(2)、超声速引射喷嘴阵列(3)、进气室(4)、扩压器(5)组成。超声速引射喷嘴阵列(3)在混合室(1)的锥形筒壁面上沿多头螺旋线分布,进而增加引射流与被引射流的接触面积,逐步改变混合室内流向压力梯度,达到缩短掺混距离,提高混合效率,提升引射器性能的目的。(The supersonic gas ejector with spirally arranged nozzles is characterized by comprising a mixing chamber (1), an ejection gas collection chamber (2), a supersonic ejection nozzle array (3), an air inlet chamber (4) and a diffuser (5). The supersonic velocity draws and penetrates nozzle array (3) and distribute along the bull helix on the toper section of thick bamboo wall of mixing chamber (1), and then increase and draw and penetrate the area of contact who flows and be drawn and penetrate the flow, gradually change the indoor flow direction pressure gradient of mixing, reach and shorten the mixing distance, improve mixing efficiency, promote the purpose of ejector performance.)

一种螺旋排列喷嘴的超声速气体引射器

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，属于空气动力学领域。

背景技术

超声速气体引射器是一种流体输送装置，它依靠高压气体(蒸汽)流经超声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。使用超声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，因此超声速气体引射器广泛应用于真空环境获取领域。

目前在用的超声速气体引射器多采用常规的拉瓦尔喷嘴来实现气体超声速流动，引射抽吸效果已经接近上限。CN105179328A公布了一种动态自调节蒸汽喷射泵，采用多孔固定板和调节活塞相结合适应工作蒸汽压力波动带来的影响，保证喷射泵变工况条件下稳定运行能力，但无法提高额定工况下的喷射泵引射系数k。CN202946460U公布的蒸汽喷射泵中采用了球形吸入室，简化了喷射泵结构，但也无法提高额定工况下的喷射泵引射系数k。CN201949953U公布了平滑型面的高效节能喷嘴，能够减少喷嘴内工质流动损失，但对喷射泵(引射器)性能提升缺乏实例验证。CN104847708A公布了一种多级拉瓦尔喷管的超声速引射器，主要利用空气压力能、气体分级膨胀压缩来充分混合、提高效率。

发明内容

本发明的技术解决问题：经过几十年的发展，常规超声速气体引射器性能已经达到上限，本发明采用多喷嘴空间分布思路，构型了全新的引射器结构，大幅提高了超声速气体引射器性能。

本发明的技术解决方案：

本发明的技术解决方案是重构引射喷嘴数量及其与混合室空间关系，利用多喷嘴阵列增加引射流与被引射流的接触面积，同时逐步改变混合室内流向压力梯度，从而缩短掺混距离，提高混合效率，提升引射器性能。

本发明与现有超声速气体引射器相比的优点如下：

(1)在保持引射工质流量和引射系数不变的情况下，可实现更高的单级引射器压缩比，从而大幅降低引射器入口处负载压强，提高引射器抽吸能力；

(2)在保持引射器压缩比不变的情况下，可实现更大的引射系数，从而抽吸更多的负载；若负载流量保持不变，则可以降低引射工质流量，节约高品质工质消耗，提高引射器运行经济性。

附图说明

图1螺旋排列喷嘴的超声速气体引射器结构示意图

图2混合室展开及喷嘴阵列分布示意图

图3引射器性能测试曲线

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行详细说明。

本发明涉及一种螺旋排列喷嘴的超声速气体引射器，其特征在于引射器由混合室1、引射气集气室2、超声速引射喷嘴阵列3、进气室4、扩压器5组成(图1)。

混合室1为超声速引射喷嘴阵列3排出的超声速气体与进气室4进入的低压负载进行混合的装置。混合室1结构为锥形筒加圆筒的结构，锥形筒小直径端与进气室4相连，圆筒端与扩压器5相连。混合室1的全锥角为7-10°。在混合室1锥形筒侧面上，加工有用于安装超声速引射喷嘴阵列3的安装孔阵列，且安装孔阵列按多头螺旋线分布，多头螺旋线头数为5-20，螺距约30-70mm，每条螺旋线的升角β为1-5°。每条螺旋线上相邻安装孔的轴向距离约20-40mm，螺旋线方向距离为60-120mm。按照螺距、多头螺旋线头数，可确定每条螺旋线长度，由安装孔轴向距离可确定每条螺旋线上安装孔数量(图2)。每个安装孔的轴线与混合室轴线夹角α为5-10°。

引射气集气室2为引射器与外部高压引射气体管路连接并缓冲整流的装置，采用法兰或者焊接方式与外部高压引射气体管路连接。集气室为环腔结构，内型面面积轴向分布满足等压强设计原则。

超声速引射喷嘴阵列3用于加速引射气体至超声速。单个超声速引射喷嘴为典型的拉瓦尔喷管，内型面为曲面，外形尺寸与混合室1的安装孔尺寸一致。单个超声速引射喷嘴出口马赫数范围1.5-4.0，出口面积为混合室1出口面积的1-5％。超声速喷嘴阵列中包含的喷嘴数量一般为50-300个，由混合室1出口面积与单个超声速引射喷嘴出口面积之比确定。

进气室4为引射器与外部低压被引射气体管路或容器连接接口及流动通道，采用法兰或者焊接方式与外部低压被引射气体管路或容器连接，接口及流动通道直径按技术要求确定。

扩压器5用于将混合室1内的混合气体减速增压并排出至下游设备或大气，纵向截面为扩张的锥形结构，扩张半角为4～10°。扩压器5入口尺寸与混合室1出口尺寸一致，出口尺寸与下游设备入口尺寸一致，若排大气则根据出口压强为大气压计算出出口尺寸。

采用螺旋排列喷嘴超声速气体引射器工作流程如下。

引射器起动：关闭进气室4，开启引射气集气室2至引射气集气室内和混合室1入口压强达到设定值(由设计确定)并保持稳定，引射器起动成功。

引射器正常工作：开启进气室4，保持引射气/被引射气的供给，引射器进入正常工作状态。

引射器关机：首先关闭进气室4，至混合室1入口压强恢复到设定值；其次关闭引射气集气室2，引射器停止工作。

引射器工作效果：为验证采用螺旋排列喷嘴的超声速气体引射器性能，申请人试验对比了该引射器和常规单级引射器性能(图3)。试验结果表明：在引射系数k为零时，采用螺旋排列喷嘴的超声速气体引射器的压缩比ε为300-400(曲线1)，而常规单级引射器压缩比ε为12，即压缩比ε提高了24-32倍；在引射系数k为0.01时，采用螺旋排列喷嘴的超声速气体引射器的压缩比ε为70，而常规单级引射器压缩比ε为7，即压缩比ε提高了9倍。试验验证结果说明了相同引射系数k条件下螺旋排列喷嘴的超声速气体引射器压缩比ε均较常规单级引射器压缩比高，表明发明的引射器性能、经济性均较常规单级引射器有一定幅度提高。