一種開縫環(huán)形引射器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

劉萬龍，朱昊偉，趙 宏，胡旭坤，李 茂

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

為模擬上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的高空工作環(huán)境，在試驗(yàn)時(shí)必須創(chuàng)造一個(gè)近似高空條件的環(huán)境，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)性能、可靠性以及啟動(dòng)特性等試驗(yàn)，這樣的試驗(yàn)被稱為高空模擬試驗(yàn)[1～3]。引射器的性能對(duì)高空模擬試驗(yàn)非常重要，國外在20世紀(jì)50～60年代做了大量的中心型超聲速引射器的試驗(yàn)研究[4,5]，中國在該領(lǐng)域也進(jìn)行了較多研究[6～8]。目前中國通常采用波瓣噴嘴或多噴嘴增強(qiáng)摻混的方式來提高引射器的性能[9～11]。開縫引射器與多噴嘴引射器的原理類似，但結(jié)構(gòu)更加簡單，俄羅斯中央風(fēng)洞研究所對(duì)這種結(jié)構(gòu)的引射器進(jìn)行過相關(guān)研究。中國關(guān)于開縫引射器研究的文獻(xiàn)較少，只有中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心進(jìn)行過類似的研究[12,13]，其通過仿真表明噴嘴后緣開寬縫的環(huán)形引射器可以顯著提高引射效率。為了研究高壓縮比單級(jí)環(huán)形引射器的性能，以便用于大推力氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前的高空模擬，本文將基于一維管流的基本理論對(duì)環(huán)形引射器進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別加工開縫及不開縫環(huán)形引射器，并進(jìn)行零負(fù)載下的對(duì)比試驗(yàn)研究。

1 引射器概述

1.1 引射器系統(tǒng)

環(huán)形引射器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由環(huán)縫噴嘴、吸入室、混合室、二次喉道和擴(kuò)散段 5部分組成。對(duì)于簡單的引射器，混合室和二次喉道可以用直管混合段替代。

圖1 環(huán)形引射器結(jié)構(gòu)示意 Fig.1 Schematic Diagram of the Annular Ejector

1.2 引射器工作原理

壓力較高的引射工質(zhì)通過拉瓦爾噴嘴將壓力能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，形成超聲速射流，而被引射工質(zhì)則由于與引射工質(zhì)間的剪切作用被卷吸至混合段，射流邊界層的紊流擴(kuò)散作用使得兩股流體發(fā)生質(zhì)量、動(dòng)量及能量交換。在擴(kuò)散段中的混合流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能，混合流體減速增壓至一定的背壓后排出引射器。在引射器內(nèi)，流體可能要適應(yīng)高背壓的要求而產(chǎn)生激波，其波陣面可能位于二次喉道及擴(kuò)散段中的任一截面。

2 環(huán)形引射器設(shè)計(jì)

2.1 環(huán)形引射器參數(shù)設(shè)計(jì)

本文基于一維管流的基本理論對(duì)引射器進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)，對(duì)于一維理想管流，氣流在引射器噴嘴出口處膨脹成超聲速，進(jìn)入混合段后先是繼續(xù)加速，之后通過激波變成亞聲速流，靜壓變?yōu)榕c環(huán)境壓力一致，如果此時(shí)的激波為正激波，正激波前的壓力可以認(rèn)為是極限真空壓力。使用噴管流動(dòng)的公式對(duì)混合段內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行分析，不考慮摩擦及換熱等損失，并假設(shè)在混合段激波前流動(dòng)過程是等熵過程。根據(jù)正激波公式：

式中p2為正激波后壓力，即環(huán)境背壓（取值為理想大氣壓力）；p1為激波前壓力；Ma1為混合段內(nèi)正激波前馬赫數(shù)（激波前馬赫數(shù)）；k為比熱比。p1的數(shù)值由p2及Ma1決定，Ma1是與面積比A1At（A1為混合段截面積；At為噴嘴喉部面積，對(duì)于環(huán)形噴嘴，指喉部環(huán)縫截面積）有關(guān)的參數(shù)，所以壓強(qiáng)p1也是一個(gè)與A1At有關(guān)系的參數(shù)。根據(jù)p2及設(shè)定的Ma1可以求出理論極限真空p1，同理根據(jù)設(shè)定的理論極限真空p1和環(huán)境壓力p2，也可以計(jì)算得到相應(yīng)的Ma1。

根據(jù)一維管流理論，噴管面積比與Ma的關(guān)系為：沿程任意截面積A與最小截面積At比值是該處激波前馬赫數(shù)Ma1及比熱比k的函數(shù)。對(duì)于混合段正激波前有混合段與喉部面積比（簡稱喉道面積比）如下：

對(duì)于混合段正激波前氣流的靜壓p1和總壓p*都滿足如下壓力比關(guān)系：

設(shè)定Ma1、混合段截面積A1、環(huán)境壓力p2（取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓），根據(jù)式（1）計(jì)算得到理論極限真空p1，根據(jù)式（2）計(jì)算出喉部面積At，根據(jù)式（3）計(jì)算出理論臨界啟動(dòng)壓力p*。本文研究的是零負(fù)載的高壓縮比環(huán)形引射器，由于沒有被引射工質(zhì)，設(shè)計(jì)時(shí)混合段直接采用直管形式，并在其后面設(shè)計(jì)了一個(gè)擴(kuò)散段。

質(zhì)量流量為

其中，

式中q為流量函數(shù)；λ為速度系數(shù)；R為氣體常數(shù)；K為關(guān)于k、R的函數(shù)；T*為引射工質(zhì)總溫，T*=300 K；對(duì)于給定氣體，k、R、K為常數(shù)，選擇氮?dú)庾鳛橐涔べ|(zhì)。

設(shè)計(jì)混合段內(nèi)徑為Φ71.5 mm，中心體末端外徑為Φ41.2 mm。部分設(shè)計(jì)值如表1所示。

表1 引射器部分理論設(shè)計(jì)參數(shù) Tab.1 Theoretical Design Parameter of the Ejector Part

2.2 環(huán)形引射器開縫設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[13]的仿真表明開縫數(shù)量大于6之后，增加縫數(shù)對(duì)性能提升不大?？紤]到總體效率以及加工的方便，選擇開縫數(shù)量為6、開縫率為11%的環(huán)形引射器研究，開縫率即縫總寬度（縫數(shù)與寬度的乘積）與所在圓周的周長比。為了降低流阻，選擇沿著氣流方向開狹長縫，開縫壁末端是連續(xù)的，避免引發(fā)振蕩。

2.3 環(huán)形引射器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)引射器理論設(shè)計(jì)參數(shù)，開展引射器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的引射器主要包括中心體、外筒、擴(kuò)散段等，引射器裝配結(jié)構(gòu)如圖2所示，中心體與外筒1間的環(huán)縫組成引射器的噴嘴。

圖2 引射器裝配結(jié)構(gòu) Fig.2 Ejector Assembly Drawing

3 試驗(yàn)系統(tǒng)

3.1 高壓大流量減壓器試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)件

利用低溫綜合試驗(yàn)區(qū)氮?dú)庠?，使用自主研制的高壓大流量減壓器及其試驗(yàn)裝置進(jìn)行壓力調(diào)整和電磁閥開關(guān)控制，試驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖3所示，采用標(biāo)定的聲速噴嘴控制、測(cè)量氣體流量。利用工控機(jī)、LDS 64位采集系統(tǒng)、485UBS轉(zhuǎn)換模塊、低壓電源組成試驗(yàn)裝置的測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫度、壓力參數(shù)的采集和反饋，電磁閥開關(guān)控制?？梢栽谟?jì)算機(jī)上通過減壓器控制器的PID參數(shù)設(shè)置界面對(duì)減壓器出口壓力進(jìn)行設(shè)置。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)原理 Fig.3 Schematic Diagram of the Test System

在該試驗(yàn)裝置出口處通過管道與引射器連接，并現(xiàn)場(chǎng)制作引射器支架和傳感器支架，圖4為引射器現(xiàn)場(chǎng)安裝圖，圖5為開縫中心體和不開縫中心體照片。

圖4 引射器現(xiàn)場(chǎng)安裝情況 Fig.4 Ejector Field Installation

圖5 開縫中心體及不開縫中心體 Fig.5 The Open Center Body and the Unstitched Center Body

3.2 測(cè)點(diǎn)及傳感器

試驗(yàn)中需要測(cè)量減壓閥前壓力、聲速噴嘴前壓力（同時(shí)也是減壓閥后壓力）、聲速噴嘴后壓力、引射器入口壓力、引射器真空壓力等壓力值，傳感器編號(hào)及參數(shù)如表2所示，采用7個(gè)壓力傳感器分別測(cè)量這 7個(gè)位置的壓力值。表2中P1～P5為常規(guī)MPa級(jí)壓力傳感器，測(cè)量值為表壓，P1～P4用來測(cè)量前端管路中沿程的壓力，P5用來測(cè)量引射器入口壓力。P6及P7是真空壓力傳感器，測(cè)量值為絕對(duì)壓力，用來測(cè)量引射器真空壓力以及引射器出口的壓力。

表2 傳感器編號(hào)參數(shù) Tab.2 Sensor Number Parameter

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

先后進(jìn)行了兩組試驗(yàn)：開縫引射器試驗(yàn)（第1組）、不開縫引射器試驗(yàn)（第2組），用來比較開縫與不開縫對(duì)引射器性能的影響。為了方便比較下文中的壓力都采用絕對(duì)壓力。

4.1 開縫引射器試驗(yàn)與分析

開縫引射器試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 開縫引射器試驗(yàn)數(shù)據(jù) Tab.3 Slotted Ejector Test Data Sheet

表3中壓縮比ε為混合流體噴出的絕對(duì)壓力pb與被引射工質(zhì)的絕對(duì)壓力pa之比，即ε=pbpa。試驗(yàn) 3～8引射器能夠啟動(dòng)，試驗(yàn)1、2引射器沒能啟動(dòng)，由于引射器入口壓力較低，激波產(chǎn)生在引射器噴嘴內(nèi)，從噴嘴出口進(jìn)入混合段的氣流為亞聲速氣流。亞聲速氣流也有一定的引射作用，相應(yīng)的引射器真空壓力分別為13 838 Pa（壓縮比 7.3）、4634 Pa（壓縮比 21.9），進(jìn)入了傳感器量程。試驗(yàn) 3～8，引射器均啟動(dòng)。啟動(dòng)后，隨著引射器入口壓力的提高，其相應(yīng)的真空壓力也提高。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以1.181 MPa作為開縫引射器的臨界啟動(dòng)壓力，相應(yīng)的極限真空壓力等于 984 Pa，此時(shí)壓縮比為 103。

典型引射器入口壓力與真空壓力對(duì)比如圖6所示，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)是試驗(yàn)5。引射器入口壓力P5從0.101 MPa增加到 1.267 MPa，引射器真空壓力從滿量程降到 1022 Pa，并基本穩(wěn)定，表明這次試驗(yàn)引射器正常啟動(dòng)。

引射器接近啟動(dòng)時(shí)典型入口壓力與真空壓力對(duì)比如圖7所示，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)1。從圖7中可以看出，隨著引射器入口壓力P5從 0.101 MPa 增加至 1.082 MPa，引射器真空壓力從滿量程振蕩下降到13 838 Pa，壓力極不穩(wěn)定，表明引射器未完全啟動(dòng)。

圖7 開縫引射器接近啟動(dòng)時(shí)典型入口壓力與真空壓力對(duì)照 Fig.7 Comparison of Typical Inlet Pressure and Vacuum Pressure at the Start of the Slotted Ejector

分析表3中正常啟動(dòng)的后6次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)引射器啟動(dòng)后，隨著入口壓力增大，引射器真空壓力也增大。引射器入口壓力與真空壓力對(duì)照如圖8所示，從圖8中可以看出，啟動(dòng)后引射器真空壓力與入口壓力之間有接近線性的遞增關(guān)系，對(duì)其使用最小二乘法進(jìn)行一階線形擬合，得到擬合直線，其對(duì)應(yīng)公式為

圖8 開縫引射器入口壓力與真空壓力對(duì)照 Fig.8 Comparison Chart of Slotted Ejector Inlet Pressure and Vacuum Pressure

4.2 不開縫引射器試驗(yàn)與分析

不開縫引射器試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 不開縫引射器試驗(yàn)數(shù)據(jù) Tab.4 No-seam Ejector Test Data

試驗(yàn)1、試驗(yàn)2引射器未能啟動(dòng)，試驗(yàn)1的真空壓力值超出了傳感器的量程，所以未提供數(shù)據(jù)，試驗(yàn)2的真空壓力為18 312 Pa（壓縮比5.5），進(jìn)入了傳感器量程，但引射器未正常啟動(dòng)。之后的6次試驗(yàn)，引射器均啟動(dòng)，隨著引射器入口壓力的提高，其相應(yīng)的真空壓力也提高了。認(rèn)為不開縫引射器臨界啟動(dòng)壓力為1.127 MPa，測(cè)得的極限真空壓力為 6294 Pa，相應(yīng)的壓縮比為16.1。環(huán)形引射器開縫后，啟動(dòng)壓力略有提升，試驗(yàn)表明在0.1 MPa以內(nèi)。

開縫與不開縫環(huán)形引射器對(duì)真空壓力的影響如 圖9所示，開縫引射器的真空壓力遠(yuǎn)低于不開縫引射器。理論上，部分高壓氣體作為支流通過開縫先進(jìn)入中心體，對(duì)中心體內(nèi)的氣體進(jìn)行引射。這兩部分氣體混合后，再由高壓氣體的主流對(duì)混合氣體進(jìn)行引射，實(shí)際上通過在環(huán)形引射器上開縫的方法實(shí)現(xiàn)了“兩級(jí)引射”（也可以稱為一級(jí)半引射）的效果。

圖9 開縫與不開縫環(huán)形引射器對(duì)真空壓力的影響 Fig.9 Effect of Open and Unslotted Annular Ejector on Vacuum Pressure

由圖9可知，引射器啟動(dòng)前，隨著引射器入口壓力增大，對(duì)應(yīng)的真空壓力減??；引射器啟動(dòng)后，隨著引射器入口壓力增大，對(duì)應(yīng)的真空壓力逐漸增大，啟動(dòng)后引射器真空壓力與入口壓力之間有接近線性的遞增關(guān)系。理論上此過程可解釋為，引射器啟動(dòng)前，隨著引射器入口壓力的增大，引射氣體膨脹后的速度增大，對(duì)被引射氣體的混合卷吸能力增強(qiáng)，所以相應(yīng)的真空壓力逐漸減??；而引射器啟動(dòng)后，由式（3）可知，馬赫數(shù)一定時(shí)，真空壓力與總壓成正比，此時(shí)隨著引射器入口壓力的增大，引射器的真空壓力也相應(yīng)增大。

5 結(jié)論與展望

基于一維管流的基本理論對(duì)環(huán)形引射器進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)加工了開縫及不開縫環(huán)形引射器，使用高壓氮?dú)膺M(jìn)行零負(fù)載情況下試驗(yàn)，對(duì)開縫及不開縫環(huán)形引射器的啟動(dòng)壓力及實(shí)現(xiàn)的真空壓力作對(duì)比，結(jié)論為：

a）對(duì)于所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)件，測(cè)得不開縫引射器的臨界啟動(dòng)壓力為1.127 MPa，極限真空壓力為6294 Pa，壓縮比約為 16.1；測(cè)得開縫引射器臨界啟動(dòng)壓力 1.181 MPa，極限真空壓力為 984 Pa，壓縮比約為 103。開縫后壓縮比提升了6.4倍左右。

b）相比不開縫引射器，開縫引射器可以大幅降低零負(fù)載情況下真空壓力，但啟動(dòng)壓力也略有提升，試驗(yàn)表明在0.1 MPa以內(nèi)。

c）引射器啟動(dòng)前，隨著引射器入口壓力的增大，對(duì)應(yīng)的真空壓力減??；在引射器啟動(dòng)后，隨著引射器入口壓力增大，對(duì)應(yīng)的真空壓力逐漸增大，啟動(dòng)后引射器真空壓力與入口壓力有接近線性的遞增關(guān)系。

d）目前的試驗(yàn)表明，通過合理開縫，可以通過單級(jí)環(huán)形引射器實(shí)現(xiàn)1000 Pa以下的極限真空，可以應(yīng)用在大推力氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前30 km高空模擬（相應(yīng)壓力為 1197 Pa）。

后續(xù)將開展帶負(fù)載情況下，開縫引射器的性能研究，同時(shí)對(duì)開縫引射器機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步研究。未來還需要進(jìn)行大尺寸開縫引射器性能的研究以及開縫引射器在多級(jí)引射器上應(yīng)用的匹配情況研究。