基于激波约束的蒸汽喷射器及使用方法

1.本发明涉及流体机械技术领域，尤其涉及一种基于激波约束的蒸汽喷射器及使用方法。


背景技术：

2.能源作为人类生存和社会发展的基本保证，是各国可持续发展的关键。然而，数十年来，为了满足短期经济的快速发展而过度消耗能源和不合理地使用能源造成了严重的能源危机和环境污染，尤其是工业生产过程中产生的大量中、低品位能源不加以合理转换利用而直接排放至室外环境。蒸汽喷射器作为最具节能前景的流体机械之一，其可以在不消耗机械功的前提下卷吸中低品质能源并提升其能量品质，从而得到再利用。蒸汽喷射器因其显著的节能效果而被广泛应用于各大能源工业系统，诸如海水淡化系统、喷射式制冷系统和质子膜交换燃料电池系统等。传统的蒸汽喷射器主要由主喷嘴、接收室、混合室、喉部和扩压室五部分组成。其工作原理为：高温高压的工作流体在主喷嘴拉法尔效应下不断加速膨胀，在主喷嘴的出口处形成超音速射流和低压区，引射流体在低压卷吸和高速工作流体剪切的共同作用下流入混合室。在激波和紊动扩散作用下两股流体相互碰撞、摩擦和掺混。混合过程中，工作流体的速度不断减小，引射流体的速度不断增大，在混合室末端形成混合流体。而后，混合流体进入扩压室进行扩压，其流速随之减小，能量品质随之增大，从而达到用户所需的蒸汽参数。
3.传统蒸汽喷射器通常采用固定的组件结构，虽然经过大量的组件结构参数优化后引射性能有了较大程度的改善。然而，由于蒸汽喷射器现有结构设计理论的缺陷，内部跨音速混合流动过程中存在诸多不可逆性流动现象，导致其实际引射性能往往不及预期。其中，混合室内超音速工作蒸汽射流激波现象是造成流动过程中不可逆损失的关键因素之一，混合室内激波引起的高压膨胀效应会对引射流体流动产生较大的负面影响。其主要表现为：高压膨胀效应会导致引射通道局部高压区域的出现，这在很大程度上会阻碍引射通道上游引射流体的流动，从而导致卷吸压差减小。其次，工作蒸汽射流高压膨胀效应会使得引射通道有效流通面积减小，从而使得引射流体达到壅塞流动状态时的有效壅塞面积减小。这都在很大程度上会造成蒸汽喷射器引射性能的恶化。因此，探索约束工作蒸汽射流激波膨胀效应的关键技术对优化引射通道内部流场具有重要的理论与实际指导意义。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于激波约束的蒸汽喷射器及使用方法，旨在解决现有蒸汽喷射器因混合室内工作蒸汽射流激波膨胀效应阻碍引射流体流动而导致的引射性能恶化问题。
5.为解决上述问题，本发明提供一种基于激波约束的蒸汽喷射器，包括：
6.喷射器主体，包括依次密封连接的主喷嘴、接收室、混合室、喉部以及扩压室，所述主喷嘴设于所述接收室内，所述主喷嘴远离所述混合室的一端形成工作蒸汽入口，所述接收室上开设有引射蒸汽入口；
7.激波约束件，设于所述主喷嘴靠近所述混合室的一端，所述激波约束件具有约束激波通道，所述激波约束件可伸缩设置以使所述约束激波通道的长度可调，所述约束激波通道一端与所述主喷嘴连通，另一端与所述混合室连通；
8.驱动件，驱动连接所述激波约束件，用以调节所述约束激波通道的长度；以及，
9.调控系统，与所述驱动件电连接，用于根据工作蒸汽压力以及引射蒸汽压力控制所述驱动件调节所述约束激波通道的长度。
10.根据本发明提供的一种基于激波约束的蒸汽喷射器，所述激波约束件包括活动套设于所述主喷嘴外的激波约束管，所述激波约束管内形成所述约束激波通道，所述驱动件用于驱动所述激波约束管沿所述主喷嘴的轴向移动。
11.根据本发明提供的一种基于激波约束的蒸汽喷射器，所述激波约束件包括设于所述主喷嘴靠近所述混合室一端的折叠约束管，所述折叠约束管内形成所述约束激波通道，所述驱动件用于驱动所述折叠约束管伸缩或者展开，以使所述约束激波通道的长度可调。
12.根据本发明提供的一种基于激波约束的蒸汽喷射器，所述激波约束管的外壁设有螺纹，所述驱动件包括旋转电机以及驱动轴，所述驱动轴上设有螺纹，所述驱动轴与所述激波约束管螺纹连接，所述旋转电机用于驱动所述驱动轴转动，以使所述激波约束管沿所述主喷嘴的轴向移动。
13.根据本发明提供的一种基于激波约束的蒸汽喷射器，所述驱动件包括设于所述接收室的伸缩气缸，所述伸缩气缸的驱动端与所述激波约束管驱动连接，用于驱动所述激波约束管沿所述主喷嘴的轴向移动。
14.根据本发明提供的一种基于激波约束的蒸汽喷射器，所述调控系统包括第一压力检测件、第二压力检测件以及控制器，所述第一压力检测件设于所述工作蒸汽入口处，所述第二压力检测件设于所述引射蒸汽入口处，所述控制器用于根据工作蒸汽压力以及引射蒸汽压力控制所述驱动件调节所述约束激波通道的长度。
15.根据本发明提供的一种基于激波约束的蒸汽喷射器，所述工作蒸汽入口处连接有工作蒸汽管道，所述引射蒸汽入口处连接有引射蒸汽管道，所述工作蒸汽管道与所述引射蒸汽管道通过耐高温法兰连接于对应入口处。
16.根据本发明提供的一种基于激波约束的蒸汽喷射器，所述耐高温法兰处均设有耐高温密封圈。
17.根据本发明提供的一种基于激波约束的蒸汽喷射器，所述工作蒸汽入口处的所述耐高温法兰上开设有第一安装通道，所述接收室处的壁面内设有第二安装通道，所述第一安装通道与所述第二安装通道连通，用于供所述驱动轴安装。
18.本发明还提供一种基于激波约束的蒸汽喷射器的使用方法，包括：
19.确认工作蒸汽压力、引射蒸汽压力与约束激波通道长度的预设函数关系；
20.获取实际工作蒸汽压力以及实际引射蒸汽压力；
21.根据所述实际工作蒸汽压力、所述实际引射蒸汽压力以及所述预设函数关系，确定所述约束激波通道的长度；
22.根据所述约束激波通道的长度，驱动激波约束件移动。
23.本发明提供的蒸汽喷射器引入了激波约束件，有效地抑制了工作蒸汽射流在混合室轴线区域激波膨胀效应对引射流体流动的阻碍作用，优化了引射通道内部流场，从而提
升了蒸汽喷射器的工作性能和减少了跨音速混合流动过程中的不可逆损失；此外蒸汽喷射器还还包括调控系统，其可以实时依据蒸汽喷射器工作蒸汽和引射蒸汽的运行工况智能调节约束激波通道的长度，从而实现蒸汽喷射器在对应工况下的激波约束效果和引射性能最优化。本发明提供的蒸汽喷射器自动化程度较高，同时具有结构简单、安装方便、整体稳定性高、抗压性强、气密性好等优点。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1是本发明提供的蒸汽喷射器的结构示意图；
26.图2是图1的局部结构示意图；
27.图3是图1中调控系统的示意图；
28.图4是引射性能优化效果随工作蒸汽压力变化的示意图；
29.附图标记：1：基于激波约束的蒸汽喷射器；2：喷射器主体；3：主喷嘴；4：激波约束件；5：驱动件；6：调控系统；7：混合室；8：喉部；9：扩压室；10：工作蒸汽管道；11：引射蒸汽管道；12：耐高温法兰；13：工作蒸汽入口；14：约束激波通道；15：激波约束管；16：旋转电机；17：驱动轴；18：第一压力检测件；19：第二压力检测件；20：控制器；21：接收室；22：引射蒸汽入口。
具体实施方式
30.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
32.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
33.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或
仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
34.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
35.下面结合图1-图4描述本发明的蒸汽喷射器1及使用方法。
36.现有蒸汽喷射器因混合室内工作蒸汽射流激波膨胀效应阻碍引射流体流动而导致的引射性能恶化。鉴于此，本发明提供一种基于激波约束的蒸汽喷射器1，包括：喷射器主体2，包括依次密封连接的主喷嘴3、接收室21、混合室7、喉部8以及扩压室9，主喷嘴3设于接收室21内，主喷嘴3远离混合室的一端形成工作蒸汽入口13，接收室21上开设有引射蒸汽入口22；激波约束件4，设于主喷嘴3靠近混合室7的一端，激波约束件4内形成约束激波通道14，约束激波通道14一端与主喷嘴3连通，另一端与混合室7连通，激波约束件4可伸缩设置以使约束激波通道14的长度可调；驱动件5，驱动连接激波约束件4，用以调节约束激波通道14的长度；以及，调控系统6，与驱动件5电连接，用于根据工作蒸汽压力以及引射蒸汽压力控制驱动件5调节约束激波通道14的长度。
37.高温高压的工作蒸汽经主喷嘴3形成超音速工作蒸汽射流和低压区，在低压卷吸和高速工作流体剪切的共同作用下引射蒸汽从接收室21流入混合室7，在激波和紊动扩散作用下两股流体相互碰撞、摩擦和掺混。混合过程中，工作流体速度不断减小，引射流体速度不断增大。在混合室7末端形成混合流体，而后混合流体进入扩压室9进行扩压，其流速随之减小，能源品质随之增大，从而达到用户所需的蒸汽参数。
38.需要说明的是，混合室7内激波引起的高压膨胀效应会对引射流体流动产生较大的负面影响。其主要表现为：高压膨胀效应会导致引射通道局部高压区域的出现，这在很大程度上会阻碍引射通道上游引射流体的流动，从而导致卷吸压差减小。其次，工作蒸汽射流高压膨胀效应会使得引射通道有效流通面积减小，从而使得引射流体达到壅塞流动状态时的有效壅塞面积减小。这都在很大程度上会造成蒸汽喷射器1引射性能的恶化。通过设置激波约束件4，使用调控系统6调节约束激波通道14在对应工作蒸汽和引射蒸汽压力工况下的最佳长度，能够在不影响卷吸能力的情况下约束超音速工作蒸汽射流激波的膨胀面积，削弱激波膨胀效应，增加低压引射面积，从而改善蒸汽喷射器1引射性能。
39.本发明提供的蒸汽喷射器1引入了激波约束件4，有效地抑制了工作蒸汽射流在混合室7轴线区域激波膨胀效应对引射流体流动的阻碍作用，优化了引射通道内部流场，从而提升了蒸汽喷射器1的工作性能和减少了跨音速混合流动过程中的不可逆损失；此外蒸汽喷射器1还还包括调控系统6，其可以实时依据蒸汽喷射器1工作蒸汽和引射蒸汽的运行工况智能调节约束激波通道14的长度，从而实现蒸汽喷射器1在对应工况下的激波约束效果和引射性能最优化。本发明提供的蒸汽喷射器1自动化程度较高，同时具有结构简单、安装
方便、整体稳定性高、抗压性强、气密性好等优点。
40.具体地，请参阅图1和图2，在本发明提供的一实施例中，激波约束件4包括活动套设于主喷嘴3外的激波约束管15，激波约束管15内形成约束激波通道14，驱动件5用于驱动激波约束管15沿主喷嘴3的轴向移动。可以理解的是，若想提高约束激波通道14的长度，则驱动激波约束管15朝靠近混合室7的方向移动，若想降低约束激波通道14的长度，则驱动激波约束管15朝远离混合室7的方向移动。需要说明的是，激波约束管15也可以视为主喷嘴3的一部分，即将主喷嘴3的端部设置一个滑动连接的管状物充当激波约束管15，在生产制造时一体成型设置，激波约束管15也可以是外加于主喷嘴3外的，本发明对此并不加以限定。
41.驱动激波约束管15运动的方式具有多种，具体地，激波约束管15的外壁设有螺纹，驱动件5包括设于旋转电机16以及驱动轴17，驱动轴17上设有螺纹，驱动轴17与激波约束管15螺纹连接，旋转电机16用于驱动驱动轴17转动，以使激波约束管沿主喷嘴3的轴向移动。在可选地实施方式中，驱动件5还可以设为设于接收室21内的伸缩气缸，伸缩气缸的驱动端与激波约束管15驱动连接，用于驱动激波约束管15沿主喷嘴3的轴向移动。在本实施例中，优选为旋转电机16与驱动轴17配合的驱动形式，如此可方便根据旋转电机16的转动圈数控制激波约束管15的移动长度，从而控制约束激波通道14的实际长度。当然，对于伸缩气缸的实施方式而言，也可通道测试伸缩气缸的伸出长度以及回缩长度控制激波约束管15的移动长度，本发明对此并不加以限定。
42.进一步的，在可选地实施方式中，激波约束件4也可设为设于主喷嘴3靠近混合室7一端的折叠约束管，折叠约束管内形成约束激波通道14，驱动件5用于驱动折叠约束管伸缩或者展开，以使约束激波通道14的长度可调。需要说明的是，驱动件5可以采用伸缩气缸的形式配合折叠约束管，由于原理与上述内容相似，因此不再加以赘述。
43.具体地，调控系统6包括第一压力检测件18、第二压力检测件19以及控制器20，第一压力检测件18设于工作蒸汽入口13处，第二压力检测件19设于引射蒸汽入口22处，控制器20用于根据工作蒸汽压力以及引射蒸汽压力控制驱动件5调节约束激波通道14的长度。需要注意的是，在实际操作过程中，工作蒸汽压力、引射蒸汽压力以及约束激波通道14的长度存在函数关系，可以在不同设备工作时通过多次检测获取该函数关系，并通过该函数关系在实际工作时确定约束激波通道14的长度，以获取最佳的运行工况。
44.进一步地，工作蒸汽入口13处连接有工作蒸汽管道10，引射蒸汽入口22处连接有引射蒸汽管道11，工作蒸汽管道10与所述引射蒸汽管道11通过耐高温法兰12连接于对应的入口处、且耐高温法兰12处均设有耐高温密封圈。如此设置，在提高密封性效果的基础上也能提高设备的使用寿命。
45.请参阅图2，工作蒸汽入口13处的耐高温法兰12上开设有第一安装通道，接收室21处的壁面内设有第二安装通道，第一安装通道与第二安装通道连通，用于供驱动轴17安装，第一安装通道与第二安装通道的两侧设有密封装置，在提供驱动轴17安装基础的情况下也进一步保证设备整体的密封性。
46.在上述蒸汽喷射器1的基础上，本发明还提供一种基于激波约束的蒸汽喷射器的使用方法，包括：
47.s10、确认工作蒸汽压力、引射蒸汽压力与约束激波通道的长度的预设函数关系；
48.s20、获取实际工作蒸汽压力以及实际引射蒸汽压力；
49.s30、根据所述实际工作蒸汽压力、所述实际引射蒸汽压力以及所述预设函数关系，确定所述约束激波通道的长度；
50.s40、根据所述约束激波通道的长度，驱动激波约束件移动。
51.下面以激波约束件为激波约束管，驱动件为旋转电机和驱动轴为例，结合上述蒸汽喷射器1的结构特征，说明本发明提供的蒸汽喷射器的使用方法。
52.首先需要在实际工作时多次获取测试数据，再根据测试数据确认工作蒸汽压力、引射蒸汽压力与约束激波通道14的长度的预设函数关系。在实际工作时，第一压力检测件18和第二压力监测件19将检测到的工作蒸汽和引射蒸汽压力信号反馈至控制器20。控制器20依据输入的压力信号经分析计算后经信号输出端向旋转电机16输出相应的控制信号，旋转电机16为可双向转动的电机。旋转电机16接收到来自控制器20的正转或反转信号后进行运作，旋转电机16带动驱动轴17转动，转轴螺纹带动与之啮合的激波约束管15外侧螺纹，从而实现激波约束管15向前伸长或向后收缩。
53.进一步地，调控系统6依据工作蒸汽压力p1、引射蒸汽压力p2与可移动式激波约束管15目标长度l0之间的预设函数关系l0＝f(p1,p2)，经控制器20运算后输出电信号控制旋转电机16转动以自动调控激波约束管15的长度。控制器20也可依据旋转电机16转动圈数n与可移动式激波约束管15目标长度l0及实际长度l之间的预设函数关系n＝f(l
0,
l)自动调控激波约束管15的转动圈数n。其中，圈数n为正时旋转电机16正转，对应激波约束管15伸长；圈数n为负时旋转电机16反转，对应激波约束管15缩短。控制器20可根据旋转电机16在累积运行时间t内的转动圈数n与激波约束管15实际管长l之间的对应函数关系实时反馈运行过程中的激波约束管15的实际管长l，a为旋转电机16转动一圈激波约束管15的伸缩长度。
54.使用时，首先将工作蒸汽压力p1、引射蒸汽压力p2与可移动式激波约束管15目标长度l0之间的预设函数关系l0＝f(p1,p2)及激波约束管15目标长度l0及实际长度l之间的预设函数关系n＝f(l
0,
l)输入控制器20，激波约束管15实际管长l每次重启或重置时调整至初始值零。控制器20根据收集的工作蒸汽压力p1和引射蒸汽压力p2信号通过预设函数关系l0＝f(p1,p2)先计算出可移动式激波约束管15的目标长度l0。然后，控制器20依据预设函数关系n＝f(l
0,
l)计算出旋转电机16正反转圈数n，并通过旋转电机16执行。可移动式激波约束管15向前伸长或者是向后收缩由实际长度l与目标长度l0决定；当l《l0时，控制器20控制旋转电机16正转，旋转电机16推动激波约束管15向前伸长，直到l＝l0时旋转电机16停止转动；当l》l0时，控制器20控制旋转电机16反转，旋转电机16通过啮合螺纹拉动激波约束管15向后收缩，直到l＝l0时旋转电机16停止转动。
55.进一步地，请参阅图4，从图中可以看出，在给定运行工况范围内，蒸汽喷射器1引射性能较传统喷射器都有一定程度的改善。这说明增设激波约束管15在一定程度上可以缓解混合室7内工作蒸汽射流的激波膨胀效应对引射流体流动的负面影响，进而优化引射通道内部流场，提高蒸汽喷射器1引射效率。
56.综上所述，本发明提供的蒸汽喷射器1在传统蒸汽喷射器的基础上引入了激波约束件4，有效地抑制了工作蒸汽射流在混合室7轴线区域激波膨胀效应对引射流体流动的阻碍作用，优化了蒸汽喷射器1引射通道内部流场，从而提升了蒸汽喷射器1的工作性能和减少了跨音速混合流动过程中的不可逆损失，改善了现有蒸汽喷射器1因混合室7内工作蒸汽
射流激波膨胀效应阻碍引射流体流动而导致的引射性能恶化问题。
57.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。