脈沖微射流技術(shù)實驗臺氣壓系統(tǒng)的設(shè)計

羅靜，李健，申躍，詹捷

(1.重慶理工大學(xué)機械工程學(xué)院，重慶400054;2.重慶理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心，重慶400054;3.重慶理工大學(xué)汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室，重慶400054)

0 前言

氣體燃料發(fā)動機等動力機的發(fā)展，對燃氣的噴射狀態(tài)、燃氣與空氣混合程度提出了更高要求。控制射流的混合過程，是減少噪聲、高效燃燒、增加飛機火箭等推力等應(yīng)用的基礎(chǔ)。通過使用周期變化的微射流實現(xiàn)對圓形射流流場控制研究，設(shè)計一套基于高頻微射流控制的圓射流流場的實驗臺，高頻微射流通過電磁閥控制，實現(xiàn)對高頻微射流控制圓射流流場進行相關(guān)的實驗。

該實驗臺進行實驗，對實驗臺的氣壓系統(tǒng)要求較高，傳統(tǒng)的氣壓系統(tǒng)因壓力、速度等流動狀態(tài)不穩(wěn)定，調(diào)解壓力和流量等太方便，對氣體的過濾處理等無法達到該實驗臺的要求，而且結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。因此，利用模塊化的設(shè)計方法，選用新型的氣動元件，對實驗臺的氣壓系統(tǒng)進行設(shè)計，簡單可靠，運行調(diào)節(jié)方便。

1 實驗臺總體結(jié)構(gòu)

圖1所示為該試驗臺的結(jié)構(gòu)三維圖，高壓氣體由起源系統(tǒng)通過管道進入到實驗臺左端的控制板上的氣動元件中進行處理，然后分兩路分別進入主射流管道和微射流管道，在實驗臺右端噴口處噴如空氣，形成外部流場，微射流在噴口處通過高頻電磁閥對主射流進行控制，以實現(xiàn)對外部流場流動狀態(tài)的控制。

圖1 實驗臺結(jié)構(gòu)三維圖

2 實驗臺氣壓系統(tǒng)設(shè)計

2.1 實驗臺氣壓系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)實驗臺的設(shè)計要求，確定氣壓系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)為:系統(tǒng)的公稱壓力為0.2 MPa，最大壓力0.5 MPa，主射流系統(tǒng)工作流量為200～800 L/min，微射流系統(tǒng)工作流量為0～150 L/min，微射流工作頻率在0～200 Hz，系統(tǒng)工作介質(zhì)是經(jīng)過5μm高精度過濾器過濾后的空氣。

2.2 實驗臺氣壓系統(tǒng)設(shè)計

該實驗臺進行射流控制實驗，氣體的質(zhì)量及流動狀態(tài)對實驗的影響較大，因此，氣壓系統(tǒng)應(yīng)滿足要求:

(1)氣源輸送的高壓空氣流動不穩(wěn)定，而且空氣中含有固體顆粒、水分、油分等各類雜質(zhì)。因此，氣壓系統(tǒng)應(yīng)對氣源輸送的空氣進行過濾、調(diào)壓和油處理，使氣體質(zhì)量滿足實驗要求。

(2)微射流管路系統(tǒng)應(yīng)能方便地調(diào)節(jié)氣體壓力，實現(xiàn)不同的微射流與主射流的質(zhì)量流率比，同時可方便地實現(xiàn)不同微射流孔數(shù)目對主射流流場的控制實驗。

(3)微射流可方便準(zhǔn)確地實現(xiàn)不同的射流頻率。

實驗臺氣壓系統(tǒng)的設(shè)計采用模塊化的設(shè)計方法，包括氣源模塊、氣體調(diào)質(zhì)處理模塊、主射流氣體流場處理模塊、微射流控制模塊。圖2為實驗裝置氣壓系統(tǒng)圖。

圖2 實驗裝置氣壓系統(tǒng)圖

氣源模塊包括空氣壓縮機和氣壓總開關(guān)，其作用是為實驗臺提供實驗所需的高壓空氣。氣體調(diào)質(zhì)處理模塊包括空氣過濾器、調(diào)壓閥、油霧器等氣壓元件，其作用是對高壓氣體進行除水、濾灰、穩(wěn)壓和潤滑油霧化，并且根據(jù)實驗要求調(diào)節(jié)氣體的實驗氣體的壓力。主射流氣體處理模塊包括緩沖室、氣壓計、射流管等組成，因高壓氣體流動不穩(wěn)定，具有脈沖性，因此設(shè)計緩沖室，對主射流氣體進行二級緩沖，使主射流氣體的流動趨于穩(wěn)定，并通過氣壓計讀出主射流的氣壓值，射流管是對主射流高壓氣體進行進一步處理，包括氣體的穩(wěn)壓、整流、收縮加速等，使噴出的主射流氣體的流場質(zhì)量符合實驗要求。微射流控制模塊包括微射流恒壓室和高頻電磁閥，微射流恒壓室輸出高壓氣體，經(jīng)高頻電磁閥沿著主射流口處徑向均勻分布的小孔吹著射入主射流中，實現(xiàn)對主射流氣體流動狀態(tài)的控制。通過控制高頻電磁閥的工作頻率，可以實現(xiàn)對不同的微射流激勵頻率對主射流控制特性的實驗，對于不同微射流數(shù)目對主射流的控制實驗，通過選擇工作的高頻電磁閥的數(shù)目來實現(xiàn)，簡單方便。

2.3 主要氣壓元件的選型

(1)空氣壓縮機的選型主要根據(jù)實驗臺氣壓系統(tǒng)的最大壓力和最大工作流量來選擇。根據(jù)氣壓系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)，選擇WW-1.25/7-C型移動式空氣壓縮機，排氣壓力0.7 MPa，容積容量1 250 L/min。

(2)氣體調(diào)質(zhì)處理模塊中，根據(jù)設(shè)計要求，空氣過濾器作用是濾除高壓氣體中含有的固體顆粒、水分、油分等。其性能指標(biāo)包括流量特性、分水效率和過濾精度。調(diào)壓閥是對高壓氣體的壓力進行調(diào)節(jié)，由于氣源設(shè)備的壓力往往比實驗設(shè)備的壓力高些，同時壓力波動較大，因此需要對氣體的壓力進行節(jié)，以保證壓力值和壓力的穩(wěn)定性。調(diào)壓閥的性能指標(biāo)由其流量特性參數(shù)確定。油霧器是將潤滑油霧化后注入空氣流中，隨著空氣流動進入到部件中，達到潤滑的目的。對于這3種氣壓元件的選擇，采用結(jié)構(gòu)緊湊的空氣三聯(lián)件 (F.R.L組合)，選用日本小金井公司的C系列F.R.L組合三聯(lián)件，其過濾精度為5μm，壓力設(shè)定范圍為0.05～0.83 MPa。根據(jù)主射流跟微射流管路的流量指標(biāo)，主射流管路選擇C200型，微射流管路選擇C150型。其過濾精度、流量特性等參數(shù)符合氣壓系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)。

小型壓力計采用小金井公司的G1-20A型壓力計，壓力表示范圍0～1.0 MPa，符合氣壓系統(tǒng)要求。

(3)微射流控制模塊中的高頻電磁閥實現(xiàn)控制微射流的激勵頻率，根據(jù)技術(shù)要求，高頻電磁閥的工作頻率為0～200 Hz，要具有很高的頻率響應(yīng)特性。選用日本小金井公司的K2系列電磁閥，頻率響應(yīng)時間小于0.5 ms，其頻率響應(yīng)特性滿足氣壓系統(tǒng)的要求。

3 結(jié)束語

利用模塊化設(shè)計的方法對脈沖微射流技術(shù)實驗臺的氣壓系統(tǒng)進行了設(shè)計，選用了新型的氣壓元件，氣壓系統(tǒng)能高效率的對高壓空氣進行過濾、穩(wěn)壓等調(diào)質(zhì)處理;而且能方便地調(diào)節(jié)主射流與微射流的流量特性，通過高頻電磁閥方便地調(diào)節(jié)微射流的激勵頻率和質(zhì)量流量比，實現(xiàn)不同工況下的微射流對主射流流場控制特性的實驗。

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