一种直流暂冲吹引式亚高超声速风洞的阀门组及工作方法与流程

1.本发明涉及一种直流暂冲吹引式亚高超声速风洞的阀门组及工作方法，属于高速风洞气动与结构设计领域。


背景技术：

2.暂冲式风洞主要有三种阀门，包括闸阀、快速阀和调压阀。闸阀位于风洞气源与风洞进气管路之间的管道中，其作用是在风洞维修或长期不运行时切断气源与风洞之间的气路，关闭高压气源。快速阀位于闸阀与调压阀之间，能迅速连通或切断气源与风洞之间的管道。在风洞运行的间隙，工作人员需要打开风洞进入风洞检查模型或更换条件时，快速阀关闭以保障安全性。与闸阀相比，快速阀的密封性远不如闸阀，只起到临时密封作用，但为了缩短风洞的启动时间，节约流量，对快速阀的开闭要求较高，一般要求其在很短的时间内能全部打开或关闭。闸阀一般选用工业标准的手动闸阀即可，快速阀通常选用具有电动、手动两种开启方式的工业标准快速蝶阀。调压阀的作用是控制风洞稳定段内的气流压力，风洞运行过程中，随气源压力的下降，通过控制系统调节调压阀的开度，以保证稳定段内气流压力稳定在某一运行压力值，维持风洞的正常运行。因此，调压阀应具备良好的压力调节特性以实现阀后压力快速和精确的控制。
3.对于运行范围覆盖亚、跨、超的三声速高速风洞，出于降低风洞的启动和运行总压，一般设计为吹引式，即在风洞第二喉道部以后的扩散段中设计有引射器。其作用是依靠高压气流流经喷管后所形成的高速气流，引射主管道中的低压气流，进而降低风洞的运行总压。引射器包括布置在进气管道上的调压阀、引射喷管及气流混合的集气室等部分。引射器的工作原理是，高压引射气流进入集气室后流经引射喷管加速，与由主管道进入集气室的低压气流即被引射气流进行动量交换和充分混合，然后混合气流经扩散段排除，通过这种高压引射低压的方式实现降低风洞启动和运行时的总压的目的。
4.从上面的阐述可知，对于直流暂冲吹引式亚高超声速的闸阀、快速阀根据风洞气管道尺寸选用工业标准阀门即可，而调压阀、引射器相关的阀门组则需要具体设计并合理进行布置，以保证风洞具有较高的总压控制效率和精度，以及风洞具有较好的节能和运行效率。
5.因此，亟需提出一种直流暂冲吹引式亚高超声速风洞的阀门组及工作方法，以解决上述技术问题。


技术实现要素：

6.本发明研发目的是为了解决通过合理布置风洞阀门组，实现了风洞具有较高的总压控制效率与精度、以及较高的节能与运行效率的问题，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
7.本发明的技术方案：方案一、一种直流暂冲吹引式亚高超声速风洞的阀门组，包括主管道、引射器管道、主快速阀、主调压阀、稳定段、喷管段、试验段、超扩段、引射器、旁路阀、引射器快速阀和引射器调压阀，主管道上沿着气流方向依次安装有主快速阀、主调压阀、稳定段、喷管段、试验段、超扩段和引射器，主快速阀的进气口和出气口处通过管路并联有旁路阀，引射器管道一端与主管道进气端连通，引射器管道另一端依次通过引射器快速阀和引射器调压阀后与引射器连通。
8.优选的：所述主调压阀为环状缝隙套筒式调压阀，其包括主调压阀壳体、主调压阀阀芯壳体和主调压阀阀芯，主调压阀壳体内部固定套装有主调压阀阀芯壳体，主调压阀阀芯壳体的出口内套装主调压阀阀芯。
9.优选的：所述引射器调压阀为环状缝隙套筒式调压阀，其包括引射器调压阀壳体、引射器调压阀阀芯壳体和引射器调压阀阀芯，引射器调压阀壳体内部固定套装有引射器调压阀阀芯壳体，引射器调压阀阀芯壳体的出口内套装引射器调压阀阀芯。优选的：所述主调压阀气动型面和引射器调压阀气动型面均采用行程和开度的指数特性曲线的方法进行设计，二者的型面坐标（x，y）的计算公式如下：；式中，d为主调压阀阀芯壳体或引射器调压阀阀芯壳体的阀芯外径。
10.优选的：所述引射器包括集气室、引射器支管道和引射器喷嘴，引射器调压阀的出口通过引射器支管道分为上下两路分别与集气室的上下两侧连通，集气室的出口处设置有与其内部连通的引射器喷嘴。
11.优选的：所述引射器喷嘴为截面是矩形的周边环状缝隙引射器喷嘴，四个周边缝隙相互独立。
12.优选的：所述引射器喷嘴连接有引射器喷管，所述引射器喷管的马赫数m为2.0，引射面积比为0.1。
13.方案二、一种方案一所述的直流暂冲吹引式亚高超声速风洞的阀门组的工作方法，包括如下步骤：s1，气流进入主管道后，分为两路，第一路气流沿主管道流向主快速阀，第二路气流沿引射器管道流向引射器快速阀；s2，开启主快速阀之前，先打开旁路阀，待主快速阀两端的压力达到平衡后，再开启主快速阀；s3，第一路气流进入主快速阀后，依次经过主调压阀、稳定段、喷管段、试验段和超扩段后，进入位于引射器后面的混合段并与第二路气流混合之后进入扩散段，最后经消音塔排出，通过主调压阀控制稳定段内的第一路气流的压力；s4，第二路气流经引射器调压阀控制后进入引射器支管道，然后进入集气室，最后由引射器喷嘴喷出后所形成的高速气流，实现对经超扩段及其后面管道内的第一路气流的引射，两路气流在混合段进行动量交换，充分混合后进入扩散段，最后经消音塔排出。
14.本发明具有以下有益效果：
1.本发明在主快速阀处并联设计旁路阀，开启主快速阀之前先打开旁路阀，待主快速阀两端压力达到平衡后，再开启主快速阀，这种方式可以减小主快速阀打开时的阻力，提高主快速阀打开的效率，有效缩短风洞的启动时间，节约流量；2.本发明用于亚高超声速风洞主管道，其主调压阀和引射器调压阀的环状缝隙套筒式结构，使气流对称性好，噪声水平较低，调节范围宽，气流在环状缝隙套筒式结构内移动的过程中，阻力变化均匀，全开位置时阻力较小；3.本发明的引射器喷嘴采用截面为矩形的周边环状缝隙引射器喷嘴结构，四个周边缝隙相互独立，当引射器喷管设计成马赫数m=2.0的二维喷管时，引射器具有较好的引射效率和动态品质；4.本发明通过将引射器设计在亚声速扩压段，可实现风洞具有较高的总压控制效率和较高的节能和运行效率。
附图说明
15.图1是本发明的一种直流暂冲吹引式亚高超声速风洞的阀门组的结构示意图；图2是本发明的主快速阀与旁路阀的配合安装图；图3是本发明的主调压阀的结构示意图；图4是本发明的引射器调压阀的结构示意图；图5是本发明的引射器的结构示意图；图6是图5的a向侧视图；图7是图5中集气室的结构示意图；图中1-主管道，2-引射器管道，3-主快速阀，4-主调压阀，5-稳定段，6-喷管段，7-试验段，8-超扩段，9-引射器，10-旁路阀，11-引射器快速阀，12-引射器调压阀，41-主调压阀壳体，42-主调压阀阀芯壳体，43-主调压阀气动型面，44-主调压阀阀芯，91-集气室，92-引射器支管道，93-引射器喷嘴，121-引射器调压阀壳体，122-引射器调压阀阀芯壳体，123-引射器调压阀气动型面，124-引射器调压阀阀芯。
具体实施方式
16.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
17.本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接即为不可拆卸连接包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺纹连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认为总能在现有连接方式中找到至少一种连接方式能够实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择铰链连接。
18.具体实施方式一：结合图1-图7说明本实施方式，本实施方式的一种直流暂冲吹引式亚高超声速风洞的阀门组，给出了用于直流暂冲吹引式亚高超三声速风洞的调压阀、引
射器的气动结构形式以及阀门组的布置，包括主管道1、引射器管道2、主快速阀3、主调压阀4、稳定段5、喷管段6、试验段7、超扩段8、引射器9、旁路阀10、引射器快速阀11和引射器调压阀12，主管道1上沿着气流方向依次安装有主快速阀3、主调压阀4、稳定段5、喷管段6、试验段7、超扩段8和引射器9，主快速阀3的进气口和出气口处通过管路并联有旁路阀10，即旁路阀10入口布置在主快速阀3前，出口布置在主快速阀3后。在开启主快速阀3之前，先打开旁路阀10，待主快速阀3前后压力达到平衡后再开启快速阀。旁路阀10是为了减小主快速阀3打开时的阻力，提高主快速阀3打开效率，可有效缩短风洞的启动时间，节约流量。旁路阀10选用工业标准快速球阀或快速蝶阀，引射器管道2一端与主管道1进气端连通，引射器管道2另一端依次通过引射器快速阀11和引射器调压阀12后与引射器9连通。
19.所述主调压阀4为环状缝隙套筒式调压阀，其包括主调压阀壳体41、主调压阀阀芯壳体42和主调压阀阀芯44，主调压阀壳体41内部固定套装有主调压阀阀芯壳体42，主调压阀阀芯壳体42通过筋板与主调压阀壳体41固连，主调压阀阀芯壳体42出口内套装主调压阀阀芯44，主调压阀阀芯44通过电机驱动沿轴向运动，进而改变主调压阀阀芯44和主调压阀气动型面43之间的环状缝隙大小，从而改变主调压阀开度大小。
20.所述引射器调压阀12为环状缝隙套筒式调压阀，其包括引射器调压阀壳体121、引射器调压阀阀芯壳体122和引射器调压阀阀芯124，引射器调压阀壳体121内部固定套装有引射器调压阀阀芯壳体122，引射器调压阀阀芯壳体122通过筋板与引射器调压阀壳体121固连，引射器调压阀阀芯壳体121出口内套装引射器调压阀阀芯124，引射器调压阀阀芯124通过电机驱动沿轴向运动，进而改变引射器调压阀阀芯124和引射器调压阀气动型面123之间的环状缝隙大小，从而改变引射器调压阀开度大小。所述主调压阀气动型面和引射器调压阀气动型面均采用行程和开度的指数特性曲线的方法进行设计，二者的型面坐标（x，y）的计算公式如下：；式中，d为主调压阀阀芯壳体42或引射器调压阀阀芯壳体122的阀芯外径。
21.将主调压阀阀芯壳体42和引射器调压阀阀芯壳体122的阀芯外径设计值及设计行程和设计开度带入公式，可分别获得主调压阀和引射器调压阀阀门型面坐标（x，y）。
22.所述引射器9包括集气室91、引射器支管道92和引射器喷嘴93，引射器调压阀12的出口通过引射器支管道92分为上下两路分别与集气室91的上下两侧连通，集气室91的出口处设置有与其内部连通的引射器喷嘴93。所述引射器喷嘴93为截面是矩形的周边环状缝隙引射器喷嘴，四个周边缝隙相互独立，如图7所示。
23.所述引射器喷嘴93连接有引射器喷管，所述引射器喷管的马赫数m为2.0，引射面积比为0.1，引射喷嘴的高压超声速气流与风洞低速低压主气流在位于引射器9后面的混合段混合，然后进入扩散段，最后经消音塔排出。混合段为等直管道，长度为5倍混合段当量直径，所述混合段当量直径为混合段横截面积除以π再开平方后的2倍。引射器喷管出口位于集气91室出口，气流经引射器调压阀12后，分别从集气室91的上、下分两路进入集气室91，之后从位于集气室91出口的引射喷管以马赫数m为2.0的速度喷出，从引射喷嘴来的高压超声速气流与风洞低速低压主气流在混合段进行动量交换，充分混合后通过扩散段，经消音
塔排出。
24.具体实施方式二：结合图1-图7说明本实施方式，基于具体实施方式一，本实施方式的一种直流暂冲吹引式亚高超声速风洞的阀门组的工作方法，包括：s1，气流进入主管道1后，分为两路，第一路气流沿主管道1流向主快速阀3，第二路气流沿引射器管道2流向引射器快速阀11；s2，开启主快速阀3之前，先打开旁路阀10，待主快速阀3两端的压力达到平衡后，再开启主快速阀3；s3，第一路气流进入主快速阀3后，依次经过主调压阀4、稳定段5、喷管段6、试验段7和超扩段8后，进入位于引射器9后面的混合段并与第二路气流混合之后进入扩散段，最后经消音塔排出。通过主调压阀4控制稳定段5内的第一路气流的压力；s4，第二路气流通过引射器调压阀12控制后进入引射器支管道92，然后进入集气室91，最后由引射器喷嘴93喷出后所形成的高速气流，实现对经超扩段8及其后面管道内的第一路气流的引射，二者在混合段进行动量交换，充分混合后进入扩散段，最后经消音塔排出。
25.需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。
26.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种直流暂冲吹引式亚高超声速风洞的阀门组，其特征在于：包括主管道（1）、引射器管道（2）、主快速阀（3）、主调压阀（4）、稳定段（5）、喷管段（6）、试验段（7）、超扩段（8）、引射器（9）、旁路阀（10）、引射器快速阀（11）和引射器调压阀（12），主管道（1）上沿着气流方向依次安装有主快速阀（3）、主调压阀（4）、稳定段（5）、喷管段（6）、试验段（7）、超扩段（8）和引射器（9），主快速阀（3）的进气口和出气口处通过管路并联有旁路阀（10），引射器管道（2）一端与主管道（1）进气端连通，引射器管道（2）另一端依次通过引射器快速阀（11）和引射器调压阀（12）后与引射器（9）连通。2.根据权利要求1所述的一种直流暂冲吹引式亚高超声速风洞的阀门组，其特征在于：所述主调压阀（4）为环状缝隙套筒式调压阀，其包括主调压阀壳体（41）、主调压阀阀芯壳体（42）和主调压阀阀芯（44），主调压阀壳体（41）内部固定套装有主调压阀阀芯壳体（42），主调压阀阀芯壳体（42）的出口内套装主调压阀阀芯（44），主调压阀壳体（41）内侧壁与主调压阀阀芯壳体（42）外侧壁之间留有环状缝隙，主调压阀壳体（41）靠近进气口的内侧壁设置有主调压阀气动型面（43）。3.根据权利要求2所述的一种直流暂冲吹引式亚高超声速风洞的阀门组，其特征在于：所述引射器调压阀（12）为环状缝隙套筒式调压阀，其包括引射器调压阀壳体（121）、引射器调压阀阀芯壳体（122）和引射器调压阀阀芯（124），引射器调压阀壳体（121）内部固定套装有引射器调压阀阀芯壳体（122），引射器调压阀阀芯壳体（122）的出口内套装引射器调压阀阀芯（124），引射器调压阀壳体（121）内侧壁与引射器调压阀阀芯壳体（122）外侧壁之间留有环状缝隙，引射器调压阀壳体（121）靠近进气口的内侧壁设置有引射器调压阀气动型面（123）。4.根据权利要求3所述的一种直流暂冲吹引式亚高超声速风洞的阀门组，其特征在于：所述主调压阀气动型面和引射器调压阀气动型面均采用行程和开度的指数特性曲线的方法进行设计，二者的型面坐标（x，y）的计算公式如下：；式中，d为主调压阀阀芯壳体（42）或引射器调压阀阀芯壳体（122）的阀芯外径。5.根据权利要求4所述的一种直流暂冲吹引式亚高超声速风洞的阀门组，其特征在于：所述引射器（9）包括集气室（91）、引射器支管道（92）和引射器喷嘴（93），引射器调压阀（12）的出口通过引射器支管道（92）分为上下两路分别与集气室（91）的上下两侧连通，集气室（91）的出口处设置有与其内部连通的引射器喷嘴（93）。6.根据权利要求5所述的一种直流暂冲吹引式亚高超声速风洞的阀门组，其特征在于：所述引射器喷嘴（93）为截面是矩形的周边环状缝隙引射器喷嘴，四个周边缝隙相互独立。7.根据权利要求6所述的一种直流暂冲吹引式亚高超声速风洞的阀门组，其特征在于：所述引射器喷嘴（93）连接有引射器喷管，所述引射器喷管的马赫数m为2.0，引射面积比为0.1。8.一种直流暂冲吹引式亚高超声速风洞的阀门组的工作方法，其依托权利要求7所述的一种直流暂冲吹引式亚高超声速风洞的阀门组实现，其特征在于，包括：s1，气流进入主管道（1）后，分为两路，第一路气流沿主管道（1）流向主快速阀（3），第二
路气流沿引射器管道（2）流向引射器快速阀（11）；s2，开启主快速阀（3）之前，先打开旁路阀（10），待主快速阀（3）两端的压力达到平衡后，再开启主快速阀（3）；s3，第一路气流进入主快速阀（3）后，依次经过主调压阀（4）、稳定段（5）、喷管段（6）、试验段（7）和超扩段（8）后，进入位于引射器（9）后面的混合段并与第二路气流混合之后进入扩散段，最后经消音塔排出，通过主调压阀（4）控制稳定段（5）内的第一路气流的压力；s4，第二路气流通过引射器调压阀（12）控制后进入引射器支管道（92），然后进入集气室（91），最后由引射器喷嘴（93）喷出后所形成的高速气流，实现对经超扩段8及其后面管道内的第一路气流的引射，二者在混合段进行动量交换，充分混合后进入扩散段，最后经消音塔排出。

技术总结
一种直流暂冲吹引式亚高超声速风洞的阀门组及工作方法，属于高速风洞气动与结构设计领域。其包括主管道、引射器管道、主快速阀、主调压阀、稳定段、喷管段、试验段、超扩段、引射器、旁路阀、引射器快速阀和引射器调压阀，主管道沿气流方向装有主快速阀、主调压阀、稳定段、喷管段、试验段、超扩段和引射器，主快速阀的进气口和出气口处并联有旁路阀，引射器管道一端与主管道进气端连通，引射器管道另一端依次通过引射器快速阀和引射器调压阀后与引射器连通。本发明研发目的是为了解决通过合理布置风洞阀门组，实现了风洞具有较高的总压控制效率与精度、以及较高的节能与运行效率的问题，实现了风洞具有较高的总压控制效率和节能与运行效率。行效率。行效率。


技术研发人员：刘广宇 张军强 杨福宇 鲁文博 张刃
受保护的技术使用者：中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所
技术研发日：2023.08.10
技术公布日：2023/9/13