一种超音速发动机尾喷管排气模拟试验的排气装置的制作方法

技术特征：

1.一种超音速发动机尾喷管排气模拟试验的排气装置，其特征在于，按照发动机尾喷管(3)出口排气流动方向，所述排气装置包括同轴依次固定连接的尾室(10)和引射器(20)；所述尾室(10)包括固定大尾室和可更换小尾室(15)，按照发动机尾喷管(3)出口排气流动方向，所述固定大尾室包括同轴依次固定连接的尾室收敛段(11)，尾室等直段(12)和尾室扩张段(13)，所述可更换小尾室(15)设置在尾室收敛段(11)内，并与所述尾室收敛段(11)同轴固定连接；所述尾室收敛段(11)、尾室等直段(12)、尾室扩张段(13)和可更换小尾室(15)均为中空回转体；按照发动机尾喷管(3)出口排气流动方向，所述引射器(20)包括同轴依次固定连接的低压室(21)，过渡段(22)，掺混收敛段(23)，掺混等直段(24)，掺混扩张段(25)，所述低压室(1)内按照发动机尾喷管(3)出口排气流动方向依次同轴固定连接有引射气流输入段(26)，引射气流收敛段(27)，引射气流等直段(28)，引射气流扩张段(29)，所述低压室(21)，过渡段(22)，掺混收敛段(23)，掺混等直段(24)，掺混扩张段(25)，引射气流输入段(26)，引射气流收敛段(27)，引射气流等直段(28)，引射气流扩张段(29)均为中空回转体，所述引射气流输入段(26)的中心线与所述低压室(21)的中心线重合，所述低压室(21)的出口截面与所述引射气流扩张段(29)的出口截面在同一竖直面，所述尾室扩张段(13)的出口与低压室(21)的入口固定连接；设置有发动机尾喷管(3)的超音速发动机(2)和所述尾室收敛段(11)设置在高空模拟舱(1)内，所述掺混扩张段(25)设置在高空模拟舱(1)外。

2.根据权利要求1所述的排气装置，其特征在于，固定大尾室上设置有用于冷却发动机尾喷管(3)出口排气的喷水冷却装置。

3.根据权利要求1所述的排气装置，其特征在于，所述可更换小尾室(15)包括同轴固定连接的小尾室法兰(16)和小尾室筒体(17)，所述小尾室筒体(17)设置在所述尾室收敛段(11)内，所述小尾室法兰(16)和固定设置在所述尾室收敛段(11)入口的固定大尾室法兰(14)通过螺栓固定连接。

4.根据权利要求1所述的排气装置，其特征在于，所述引射气流输入段(26)一端固定连接有导流锥(30)，所述导流锥(30)的中心线与所述引射气流输入段(26)的中心线重合，所述导流锥(30)的顶点在所述低压室(21)入口截面上；所述引射器包括引射气流输送管道(4)，所述引射气流输送管道(4)一端与所述引射气流输入段(26)连接，另一端与高压气源连接。

5.根据权利要求3所述的排气装置，其特征在于，所述尾室收敛段(11)入口的直径为D_w，收敛角为α_wr；所述尾室等直段(12)的直径D_wkp，长度为L_wkp；所述尾室扩张段(13)出口的直径为D_wc，扩张角为α_wc；所述D_w，D_wkp，L_wkp满足下列方程组：

$M_w={\[\frac{2}{k-1}(\mathrm{\π}{\left(M_w\right)}^{\frac{-(k-1)}{k}}-1)\]}^{0.5}---\left(1\right);$

$\mathrm{\π}\left(M_w\right)=\frac{P_w}{P_{t5}}---\left(2\right);$

$D_w={\[{(1+\frac{k-1}{2}{M}_W^2)}^{\frac{k-1}{2(k-1)}}/0.5M_w{(k+1)}^{\frac{(k+1)}{2(k-1)}}\]}^{0.5}{d}_{4kp}---\left(3\right);$

${\stackrel{\‾}{P}}_{tws}={\[\frac{(k+1)M_W^2}{(k-1)M_w^2+2}\]}^{\frac{k}{k-1}}{\[\frac{k+1}{2{\mathrm{kM}}_w^2-k+1}\]}^{\frac{1}{k-1}}---\left(4\right);$

$q\left(M_w\right)=\frac{M_W{\left(0.5\right(k+1\left)\right)}^{(k+1)/2(k-1)}}{{(1+0.5(k-1\left){M_W}^2\right)}^{(k+1)/2(k-1)}}---\left(5\right);$

$D_{wkp}=d_{4kp}{\left(\frac{q\left(M_w\right)}{{\stackrel{\‾}{p}}_{tws}}\right)}^{0.5}---\left(6\right);$

L_wkp＝4D_wkp (7)；

上述方程组中：M_w：尾室收敛段入口马赫数；k：比热比；π(M_w)：尾室收敛段入口马赫数对应的静压与总压比值；P_w：尾室收敛段入口马赫数对应的静压，单位为pa；P_t5：尾室收敛段入口马赫数对应的总压，单位为pa；D_w：尾室收敛段入口的直径，单位为mm；d_4kp：发动机喉道直径，单位为mm；尾室收敛段入口马赫数对应的正激波后与正激波前的总压比；q(M_w)：尾室收敛段入口马赫数对应的速度系数；D_wkp：尾室等直段的直径，单位为mm；L_wkp：尾室等直段的长度，单位为mm；所述收敛角满足：0＜α_wr≤12°；所述扩张角满足0＜α_wc≤12°；

其中，尾室收敛段入口马赫数对应的静压与超音速发动机高空飞行时真实的环境压力相同，尾室收敛段入口马赫数对应的总压与超音速发动机的发动机尾喷管的出口马赫数对应的总压相同，超音速发动机的发动机尾喷管出口马赫数大于1，超音速发动机的发动机尾喷管出口马赫数，超音速发动机的发动机尾喷管出口马赫数对应的总压，超音速发动机高空飞行时真实的环境压力，比热比以及发动机喉道直径为超音速发动机固有的已知参数，上述方程组中的参数：M_w，k，π(M_w)，P_w，P_t5，W_w，d_4kp，q(M_w)，D_wkp，L_wkp均为发动机试车台中所有试验的发动机中，发动机尾喷管出口流量最大的发动机对应的参数。

6.根据权利要求5所述的排气装置，其特征在于，所述可更换小尾室(15)的直径为D_wx，所述D_wx满足下列方程组：

$M_{wx}={\[\frac{2}{k-1}(\mathrm{\π}{\left(M_{wx}\right)}^{\frac{-(k-1)}{k}}-1)\]}^{0.5}---\left(8\right);$

$\mathrm{\π}\left(M_{wx}\right)=\frac{P_{wx}}{P_{t5x}}---\left(9\right);$

$D_{wx}={\[{(1+\frac{k-1}{2}{M}_{Wx}^2)}^{\frac{k-1}{2(k-1)}}/0.5M_{wx}{(k+1)}^{\frac{(k+1)}{2(k-1)}}\]}^{0.5}{d}_{4kpx}---\left(10\right);$

上述方程组中：M_wx：可更换小尾室入口马赫数；π(M_wx)：可更换小尾室入口马赫数对应的静压与总压比值；P_wx：可更换小尾室入口马赫数对应的静压，单位为pa；P_t5x：可更换小尾室入口马赫数对应的总压，单位为pa；D_wx：可更换小尾室入口直径，单位为mm；d_4kpx：发动机试车台中所有试验的发动机中，除发动机尾喷管出口流量最大的发动机以外的发动机的发动机喉道直径，单位为mm；

其中，可更换小尾室入口马赫数对应的静压与超音速发动机高空飞行时真实的环境压力相同，可更换小尾室入口马赫数对应的总压与超音速发动机的发动机尾喷管的出口马赫数对应的总压相同，超音速发动机的发动机尾喷管出口马赫数大于1，超音速发动机的发动机尾喷管出口马赫数，超音速发动机的发动机尾喷管出口马赫数对应的总压，超音速发动机高空飞行时真实的环境压力，比热比以及发动机试车台中所有试验的发动机中，除发动机尾喷管出口流量最大的发动机以外的发动机的发动机喉道直径为超音速发动机固有的已知参数，上述方程组中的参数：M_wx，π(M_wx)，P_wx，P_t5x，D_wx，d_4kpx，均为发动机试车台中所有试验的发动机中，除发动机尾喷管出口流量最大的发动机以外的超音速发动机对应的参数。

7.根据权利要求6所述的排气装置，其特征在于，所述引射气流等直段(28)的直径为D_akp1，所述引射气流扩张段(29)的直径为D_a2，所述D_akp1和D_a2满足下列方程组：

$D_{akp1}=\sqrt{\frac{4S_{akp1}}{3.14}}---\left(11\right)$

$S_{akp1}=\frac{G_{a1}\×\sqrt{T_{ta1}}}{0.0404\×P_{takp1}}---\left(12\right)$

$P_{takp1}=\frac{P_{tam1}}{{\mathrm{\δ}}_1}---\left(13\right)$

$P_{tam1}=\frac{P_{am1}}{\mathrm{\π}\left(M_{a1}\right)}---\left(14\right)$

$\mathrm{\π}\left(M_{a1}\right)={(1+\frac{k-1}{2}{M_{a1}}^2)}^{-\frac{k}{k-1}}---\left(15\right)$

P_am1＝P_tb1 (16)

$G_{a1}=\frac{G_{b1}}{n_1}---\left(17\right)$

$D_{a2}=\sqrt{\frac{4S_{a2}}{3.14}}---\left(18\right)$

$S_{a2}=\frac{S_{akp1}}{{\mathrm{\δ}}_1*q\left(M_{a1}\right)}---\left(19\right)$

$q\left(M_{a1}\right)=\frac{M_{a1}{\left(0.5\right(k+1\left)\right)}^{(k+1)/2(k-1)}}{{(1+0.5(k-1\left){M_{a1}}^2\right)}^{(k+1)/2(k-1)}}---\left(20\right)$

上述方程组中：D_akp1：引射气流等直段的直径，单位为mm；S_akp1：引射气流等直段的面积，单位为mm²；G_a1：引射气流的流量，单位为kg/s；T_ta1：引射气流的温度，单位为K；P_takp1：引射气流等直段内的总压，单位为Mpa；P_tam1：引射气流在引射气流扩张段出口截面马赫数对应的总压，单位为Mpa；δ₁：引射气流在引射气流扩张段的总压恢复系数；P_am1：引射气流在引射气流扩张段出口截面马赫数对应的静压，单位为Mpa；M_a1：引射气流在引射气流扩张段出口截面马赫数；π(M_a1)：引射气流在引射气流扩张段出口截面马赫数对应的静压与总压比；k：比热比；P_tb1：被引射气流总压，单位为Mpa；G_b1：被引射气流的流量，单位为kg/s；n₁：引射系数；D_a2：引射气流扩张段的直径，单位为mm；S_a2：引射气流扩张段的面积，单位为mm²；q(M_a1)：引射气流在引射气流扩张段出口截面马赫数对应的速度系数；其中，引射气流在引射气流扩张段出口截面马赫数大于1，所述引射气流在引射气流扩张段出口截面马赫数由已知的被引射气流总压和被引射气流的流量确定，所述引射系数由引射气流在引射气流扩张段出口截面马赫数和已知的引射气流的总温和被引射气流的总温确定，所述引射系数由已知的引射气流在引射气流扩张段出口截面马赫数，引射气流的总温和被引射气流的总温确定，被引射气流的总压，流量，总温与尾室扩张段(13)出口的总压，流量，总温相同。

8.根据权利要求7所述的排气装置，其特征在于，所述掺混等直段(24)的直径为D_ckp1，长度为L_ckp1；掺混收敛段(23)的直径为D_c11，收敛角为α₁，长度为L_c11；掺混扩张段(25)的直径为D_c12，扩张角为α₂，长度为L_c12；所述D_ckp1，L_ckp1，D_c11，α₁₁，L_c11，D_c12，α₁₂，L_c12满足下列方程组：

$D_{ckp1}=\sqrt{\frac{4S_{ckp1}}{3.14}}---\left(21\right)$

S_ckp1＝S_akp1×f_ackp1 (22)

L_ckp1＝4×D_ckp1 (23)

$D_{c11}=\sqrt{\frac{4S_{c11}}{3.14}}---\left(24\right)$

S_c11＝1.95×S_ckp1 (25)

D_c11＝D_c12 (26)

$L_{c11}=\frac{\frac{1}{2}(D_{c11}-D_{ckp1})}{\tan \frac{{\mathrm{\α}}_{11}}{2}}---\left(27\right)$

$L_{c12}=\frac{\frac{1}{2}(D_{c12}-D_{ckp1})}{\tan \frac{{\mathrm{\α}}_{12}}{2}}---\left(28\right)$

上述方程组中：D_ckp1：D_ckp1：掺混等直段的直径，单位为mm；S_ckp1：掺混等直段的面积，单位为mm²；f_ackp1：掺混等直段与引射气流引射气流等直段的面积比；L_ckp1：掺混等直段的长度，单位为mm；D_c11：掺混收敛段的直径，单位为mm；S_c11：掺混收敛段的面积，单位为mm²；D_c12：掺混扩张段的直径，单位为mm；L_c11：掺混收敛段的长度，单位为mm；α₁₁：掺混收敛段的收敛角，单位为°L_c12：掺混扩张段的长度，单位为mm；α₁₂：掺混扩张段的扩张角，单位为°；其中，掺混等直段与引射气流引射气流等直段的面积比由引射气流在引射气流扩张段出口截面马赫数确定。

9.根据权利要求8所述的排气装置，其特征在于，所述掺混收敛段的收敛角满足：4°≤α₁₁≤5°，所述掺混扩张段的扩张角满足：4°≤α₁₂≤5°。

10.根据权利要求8所述的排气装置，其特征在于，所述低压室(21)的直径为D₁，所述低压室(1)的直径满足方程：D₁＝1.05×D_c11，其中，D₁的单位为mm；所述过渡段(22)的长度为S₁，所述过渡段(22)的长度满足方程：S₁＝D₁-D_c11，其中，S₁的单位为mm。