基于多級等壓混合的引射器參數(shù)匹配與優(yōu)化

劉宗政，郭隆德，廖達雄，陳振華，陳 懇，陳 雁

（1.清華大學(xué) 精密儀器與機械學(xué)系，北京 100084；2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000）

0 引 言

近年來，美國、日本和俄羅斯等國家都針對多級引射器的增壓比和效率開展研究，主要是對引射器的各項參數(shù)進行優(yōu)化，目的是提高引射器性能。國內(nèi)外最新研究成果表明，單級引射器增壓比最高可達到10左右，固定于地面設(shè)備的引射器效率可達到0.02～0.04左右［1］。目前國內(nèi)對單級引射器的引射性能研究較多，對多級引射器的引射性能研究不系統(tǒng)，一些重要參數(shù)的選取和匹配主要依靠經(jīng)驗，因此，國內(nèi)的引射技術(shù)研究水平跟國際先進水平相比存在差距，開展多級引射器的引射性能研究具有重要的價值。

本文以等壓混合引射器為研究平臺，分析了單級等壓引射器計算模型，確定了影響單級引射器性能的基本參數(shù)，指出單級引射器參數(shù)變化對性能造成的影響。系統(tǒng)地分析了與多級等壓混合引射器性能相關(guān)的需要匹配和優(yōu)化的各種參數(shù)，通過一系列多級等壓引射器的性能優(yōu)化實驗，研究了多級等壓混合引射器關(guān)鍵參數(shù)的匹配和優(yōu)化特性［2］，得到多級等壓混合引射器的增壓比和引射效率優(yōu)化結(jié)果。

1 影響單級引射器性能的參數(shù)分析

引射器性能的衡量指標(biāo)主要有引射效率、增壓比、噪聲和運行時間等，其中最主要的參數(shù)是引射效率和增壓比。引射效率用引射系數(shù)K（被引射氣體流量和引射氣體流量之比）表示，增壓比ε為引射器出口氣流總壓和被引射氣流入口總壓之比。在給定引射器增壓比ε時，引射系數(shù)K越大，引射性能越優(yōu)；同樣，在給定引射系數(shù)K時，增壓比ε越大，則引射性能越優(yōu)。

常規(guī)等壓引射器的計算模型見圖1，分析時基于以下假設(shè)［1，3］：

（1）全部氣流為一維流。引射氣流、被引射氣流和混合氣流都是僅有一個空間坐標(biāo)函數(shù)的流動，混合室入口氣流為滿流，忽略大小和方向的發(fā)散。

（2）引射氣流和被引射氣流均為比熱恒定、比熱比恒定的理想氣體，引射過程中物性參數(shù)保持不變。

（3）忽略混合室壁面的摩擦損失?；旌鲜胰肟谔幰錃饬骱捅灰錃饬鞯撵o壓相等，混合室為簡單的圓錐形，整個混合室內(nèi)氣流的靜壓維持不變。

（4）混合室出口的氣體已經(jīng)完全混合均勻，不考慮混合室內(nèi)具體的混合過程。

圖1 常規(guī)等壓引射器計算模型示意圖Fig.1 Calculating model sketch map of isotonic ejector

（5）混合室出口氣流在等直段由一道單一的正激波將波前超音速流轉(zhuǎn)變?yōu)橄掠蝸喡曀倭鳌?/p>

引射器性能參數(shù)計算由混合室入口、出口截面之間的質(zhì)量守恒方程、動量方程及能量守恒方程得到［1，3，5］。

質(zhì)量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

激波前后總壓比：

引射器增壓比：

再次使用等壓關(guān)系式可得：

引射系數(shù)定義：

質(zhì)量分?jǐn)?shù)定義：

混合后氣體的絕熱指數(shù)：

混合后氣體的分子量：

混合后的氣體常數(shù)：

混合后氣體的定壓比熱：

混合后氣流的總焓：

馬赫數(shù)定義：

總靜溫關(guān)系式：

式中：G——質(zhì)量流量，kg／s；

u——速度，m／s；

Cp——定壓比熱，J／（kg·K）；

T——溫度，K；

π（Ma）——氣動函數(shù)，

σ——總壓比（或總壓損失系數(shù)）；

γ——絕熱指數(shù)；λ——速度系數(shù)；

R——氣體常數(shù)，J／（kg·K）；

μ——質(zhì)量分?jǐn)?shù)；W——分子量。

下標(biāo)：0——滯止參數(shù)；

1——混合室入口引射氣流參數(shù)；

2——混合室入口被引射氣流參數(shù)；

3——平直段入口氣流參數(shù)；

4——引射器出口氣流參數(shù)。

在上述方程組中，如果確定 K、Ma1、Ma2、Cp1、Cp2、T01、T02，可根據(jù)方程（1）～（3）及（4）～（10）算出混合后氣流的物性參數(shù)、總溫T03和速度Ma3。

將式（7）、（8）、（14）和（15）帶入方程（1）～（3）可得出：

由式（13）、（16）和（17）可計算混合后氣流的靜溫

由u3和T3可以根據(jù)定義式（14）計算平直段入口氣流馬赫數(shù)Ma3：

得到混合后氣流的馬赫數(shù)Ma3后，根據(jù)式（4）算出激波壓力比，由方程（5）求得增壓比。方程（5）中的σ4代表一個損失系數(shù)，它考慮了除平直段正激波損失以外的其它損失，通常根據(jù)經(jīng)驗取值為0.80～0.85。

由此可見，參數(shù) K、Ma1、Ma2、Cp1、Cp2、T01、T02影響混合后氣流的物性參數(shù)、總溫T03和速度Ma3，最終影響增壓比ε。定壓比熱Cp1、Cp2通常為常數(shù)，混合后氣流的物性參數(shù)取決于引射氣體和來流氣體的參數(shù)，混合后的總溫T03取決于T01、T02。因此，對引射器性能指標(biāo)K和ε產(chǎn)生主要影響的參數(shù)有被引射氣流馬赫數(shù)Ma2、引射氣流馬赫數(shù)Ma1、氣流溫度T01和T02，以及氣體物性參數(shù)等。

2 單級引射器參數(shù)變化對性能的影響

結(jié)合理論分析，廖達雄等［1］、George Emanuel［3］對單級引射器性能開展大量實驗研究，取得了研究成果。

如果被引射氣流Ma2增加，保持引射系數(shù)K不變，則增壓比ε逐漸下降；被引射氣流Ma2增加，保持增壓比ε不變，則引射系數(shù)K開始上升，之后逐漸下降。且被引射氣流Ma2越大，K和ε下降得越快。

如果引射氣流Ma1增加，保持引射系數(shù)K不變，則增壓比ε增大；引射氣流Ma1增加，保持增壓比ε不變，則引射系數(shù)K 增大。因此，選取高的Ma1，可得到好的引射器性能。但是Ma1過高，氣流在引射噴管中急劇膨脹降溫，達到冷凝時，引射性能嚴(yán)重惡化。

增加引射氣體溫度T01或降低被引射氣體溫度T02可以提高引射器性能。增加引射氣體溫度還可以延遲氣流的膨脹冷凝，提高引射氣流Ma1的上限，對改善引射器性能非常有利。

氣體物性參數(shù)對引射性能影響較大的主要有分子量W 和比熱比γ。引射氣體分子量W1越小，引射系數(shù)越高。引射氣體比熱比γ1越小，引射系數(shù)越高。

3 多級引射器性能參數(shù)匹配和優(yōu)化

研究單級引射器參數(shù)變化對性能的影響，是多級等壓混合引射器性能參數(shù)匹配和優(yōu)化的基礎(chǔ)，明確了需要匹配的關(guān)鍵參數(shù)和性能優(yōu)化的目標(biāo)。多級引射器性能優(yōu)化需要研究的主要問題是：

（1）引射器級數(shù)選取對引射性能的影響；

（2）引起單級性能指標(biāo)K和ε變化的參數(shù)對多級的性能指標(biāo)參數(shù)K0和ε0的影響。這些參數(shù)包括被引射氣流馬赫數(shù)Ma2，引射氣流馬赫數(shù)Ma1，氣流溫度T01和T02等；

（3）單級等壓引射器的性能指標(biāo)參數(shù)K和ε在多級等壓混合引射器中的匹配優(yōu)化。

3.1 等壓混合引射器級數(shù)的確定

多級引射器串聯(lián)能夠?qū)崿F(xiàn)高的全增壓比ε0，系統(tǒng)中每級引射器的分增壓比乘積構(gòu)成全增壓。通常情況下，全增壓比是由設(shè)計條件給定的。在得到每一級引射器能夠?qū)崿F(xiàn)的最高增壓比以后，將全增壓比進行分配，能夠確定串聯(lián)的級數(shù)［4］?？梢?，等壓混合引射器級數(shù)由全增壓比和分增壓比確定。

表面上看，引射器串聯(lián)的級數(shù)越多對提高增壓比越有利，但研究表明，級數(shù)過多會對參數(shù)匹配和工程調(diào)試帶來很大的困難，級數(shù)越多難度越大。因此，引射器串聯(lián)的級數(shù)一般選擇2～3級。

3.2 影響單級引射器性能的參數(shù)在多級中的匹配與優(yōu)化

在對單級等壓混合引射器性能影響的幾個參數(shù)中，被引射氣流Ma2通常由系統(tǒng)給定，氣體物性參數(shù)決定于來流與引射氣流組分。因此，最有價值的研究是引射氣流Ma1、引射氣體溫度T01和被引射氣體溫度 T02在多級等壓引射器中的匹配和優(yōu)化［5－6］。

（a）引射氣流Ma1在多級等壓混合引射器中的匹配和優(yōu)化

以兩級等壓混合引射器為研究對象，擬通過實驗研究引射氣流Ma1的匹配和優(yōu)化，研究平臺采用一套兩級等壓引射器實驗件，如圖2所示。

圖2 等壓引射器性能實驗設(shè)備示意圖Fig.2 Experiment equipment sketch map of isotonic ejector

試驗研究表明，增加多級引射器中每一級的引射氣流Ma1同樣能提升引射器的引射效率。對于兩級引射器組成的系統(tǒng)，第一級（順氣流方向上游）引射氣流Ma大于或等于第二級引射氣流Ma1［6］。

采用常溫壓縮空氣作為引射氣源時，理論計算表明，第一級引射氣流 Ma1＝4.4（當(dāng)?shù)仂o壓約1200Pa）、第二級引射氣流 Ma1＝4.2（當(dāng)?shù)仂o壓約11kPa）時，噴嘴出口靜溫已低于冷凝溫度，實驗研究證實，此時在引射器內(nèi)并未出現(xiàn)氣流冷凝。分別增加兩級的引射氣流Ma1，第一級引射氣流Ma1到4.7、第二級引射氣流Ma1到4.3時，一級引射器和二級引射器入口壓力如圖3所示［6］，實驗結(jié)果表明，引射器工作性能良好，仍然未出現(xiàn)氣流冷凝造成引射器性能下降的現(xiàn)象?？梢姡瑔渭壱錃饬鱉a1理論計算在多級引射器系統(tǒng)中需要進行修正，原因是多級引射器級與級之間存在相互影響。

圖3 優(yōu)化引射馬赫數(shù)后實驗曲線Fig.3 Experiment curve after Mach number was optimized

（b）引射氣體溫度T01和被引射氣體溫度T02在多級等壓混合引射器中的匹配和優(yōu)化

增加多級引射器中每級引射氣體溫度T01可以提高引射器的效率。在過氧化氫催化分解加酒精補燃的氣體發(fā)生器中，引射氣體溫度T01達到1200K，實現(xiàn)了提高引射效率的目的。對多級引射器，每級選用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能承受的最高溫度最佳，但實際運用中，第一級引射氣體通常從第二級引射氣體中分流，經(jīng)過較長的管路后，溫度比第二級低［5］。

降低被引射氣體溫度T02能提高引射效率，計算表明，把來流溫度從500K降低到200K，引射效率可以提高約60%左右。但是，設(shè)置冷卻裝置必然會產(chǎn)生氣流總壓損失，這種損失會降低引射效率。因此，必須采用高效率、低阻損的來流主動冷卻技術(shù)。

對多級引射器，降低第一級引射器入口被引射氣體溫度T02是最理想的途徑。實驗研究在一級引射器入口前設(shè)置翅片管式熱交換器，利用液氮循環(huán)制冷［2，5］。結(jié)果表明，來流溫度從500K降低到200K，圖4所示總壓損失約幾十帕，引射效率有明顯提升。

圖4 來流冷卻后一級入口總壓曲線Fig.4 Press curve after origin flow was cooled

3.3 單級引射器性能參數(shù)在多級中的優(yōu)化

單級引射器性能參數(shù)主要是引射系數(shù)K和增壓比ε。

（a）增壓比ε的匹配與優(yōu)化

增壓比ε的匹配與優(yōu)化，主要是全增壓比在各級引射器增壓比的分配問題。原蘇聯(lián)的索科洛夫等人采用的方法是全增壓比在各級之間均勻分配，有學(xué)者研究認(rèn)為各級之間增壓比分配可按照一定的比例，以三級引射為例，第一、二、三級的增壓比按1.8∶1.3∶1的大致比例分配［4］。本文多次采用兩級等壓引射器實驗研究了全增壓比均分方法，結(jié)果表明，該分配方法可行，能實現(xiàn)較高的引射效率［5］。

（b）引射系數(shù)K的匹配與優(yōu)化

對于多級等壓引射器來說，分配好各級的引射效率，對多級引射器總體性能的提高具有重要作用。引射效率系數(shù)K是引射流量與被引射流量之比，因此，關(guān)鍵是確定引射流量和被引射流量。顯而易見，第一級引射器的被引射氣流為來流，而第二級引射器的被引射氣流為來流加上第一級的引射流量。來流為已知參數(shù)，在各種參數(shù)優(yōu)化后，第一級引射流量可以確定，依此方法，第二級引射流量可以確定。

4 結(jié) 論

影響單級等壓混合引射器的重要參數(shù)包括主要有被引射氣流馬赫數(shù)Ma2，引射氣流馬赫數(shù)Ma1，氣流溫度T01和T02，以及氣體物性參數(shù)（如分子量、比熱比）等。其他參數(shù)確定的情況下，引射氣流馬赫數(shù)Ma1越高，氣流溫度T01越高，被引射氣體溫度T02越低，引射效率越高［1］，但實際運用中，許多因素制約了引射效率的提高。

研究表明，對于多級等壓混合引射器，一般級數(shù)在2～3級最佳。由兩級引射器組成的系統(tǒng)，第一級引射馬赫數(shù)大于第二級引射馬赫數(shù)，第一級引射馬赫數(shù)4.7，第二級到引射馬赫數(shù)4.3時，未出現(xiàn)氣流冷凝，多級引射器仍能正常工作。對引射器來流采用液氮循環(huán)制冷的翅片管式熱交換器進行主動冷卻，可以使引射器來流溫度從500K降低到200K，引射效率明顯提升［1，7］。全增壓比在各級之間均勻分配，以及利用單級引射器設(shè)計方法優(yōu)化多級引射器引射流量參數(shù)，能得到較高的引射效率。

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