基于多級等壓混合的引射器參數匹配與優化

劉宗政，郭隆德，廖達雄，陳振華，陳 懇，陳 雁

（1.清華大學 精密儀器與機械學系，北京 100084；2.中國空氣動力研究與發展中心，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進行優化，目的是提高引射器性能。國內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，固定于地面設備的引射器效率可達到0.02～0.04左右［1］。目前國內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，一些重要參數的選取和匹配主要依靠經驗，因此，國內的引射技術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，指出單級引射器參數變化對性能造成的影響。系統地分析了與多級等壓混合引射器性能相關的需要匹配和優化的各種參數，通過一系列多級等壓引射器的性能優化實驗，研究了多級等壓混合引射器關鍵參數的匹配和優化特性［2］，得到多級等壓混合引射器的增壓比和引射效率優化結果。

1 影響單級引射器性能的參數分析

引射器性能的衡量指標主要有引射效率、增壓比、噪聲和運行時間等，其中最主要的參數是引射效率和增壓比。引射效率用引射系數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K越大，引射性能越優；同樣，在給定引射系數K時，增壓比ε越大，則引射性能越優。

常規等壓引射器的計算模型見圖1，分析時基于以下假設［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函數的流動，混合室入口氣流為滿流，忽略大小和方向的發散。

（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保持不變。

（3）忽略混合室壁面的摩擦損失。混合室入口處引射氣流和被引射氣流的靜壓相等，混合室為簡單的圓錐形，整個混合室內氣流的靜壓維持不變。

（4）混合室出口的氣體已經完全混合均勻，不考慮混合室內具體的混合過程。

圖1 常規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變為下游亞聲速流。

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

質量守恒方程：

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：

再次使用等壓關系式可得：

引射系數定義：

質量分數定義：

混合后氣體的絕熱指數：

混合后氣體的分子量：

混合后的氣體常數：

混合后氣體的定壓比熱：

混合后氣流的總焓：

馬赫數定義：

總靜溫關系式：

式中：G——質量流量，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，

σ——總壓比（或總壓損失系數）；

γ——絕熱指數；λ——速度系數；

R——氣體常數，J／（kg·K）；

μ——質量分數；W——分子量。

下標：0——滯止參數；

1——混合室入口引射氣流參數；

2——混合室入口被引射氣流參數；

3——平直段入口氣流參數；

4——引射器出口氣流參數。

在上述方程組中，如果確定 K、Ma1、Ma2、Cp1、Cp2、T01、T02，可根據方程（1）～（3）及（4）～（10）算出混合后氣流的物性參數、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可以根據定義式（14）計算平直段入口氣流馬赫數Ma3：

得到混合后氣流的馬赫數Ma3后，根據式（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，它考慮了除平直段正激波損失以外的其它損失，通常根據經驗取值為0.80～0.85。

由此可見，參數 K、Ma1、Ma2、Cp1、Cp2、T01、T02影響混合后氣流的物性參數、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，混合后氣流的物性參數取決于引射氣體和來流氣體的參數，混合后的總溫T03取決于T01、T02。因此，對引射器性能指標K和ε產生主要影響的參數有被引射氣流馬赫數Ma2、引射氣流馬赫數Ma1、氣流溫度T01和T02，以及氣體物性參數等。

2 單級引射器參數變化對性能的影響

結合理論分析，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，引射系數越高。引射氣體比熱比γ1越小，引射系數越高。

3 多級引射器性能參數匹配和優化

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

（1）引射器級數選取對引射性能的影響；

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

（3）單級等壓引射器的性能指標參數K和ε在多級等壓混合引射器中的匹配優化。

3.1 等壓混合引射器級數的確定

多級引射器串聯能夠實現高的全增壓比ε0，系統中每級引射器的分增壓比乘積構成全增壓。通常情況下，全增壓比是由設計條件給定的。在得到每一級引射器能夠實現的最高增壓比以后，將全增壓比進行分配，能夠確定串聯的級數［4］。可見，等壓混合引射器級數由全增壓比和分增壓比確定。

表面上看，引射器串聯的級數越多對提高增壓比越有利，但研究表明，級數過多會對參數匹配和工程調試帶來很大的困難，級數越多難度越大。因此，引射器串聯的級數一般選擇2～3級。

3.2 影響單級引射器性能的參數在多級中的匹配與優化

在對單級等壓混合引射器性能影響的幾個參數中，被引射氣流Ma2通常由系統給定，氣體物性參數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，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（當地靜壓約1200Pa）、第二級引射氣流 Ma1＝4.2（當地靜壓約11kPa）時，噴嘴出口靜溫已低于冷凝溫度，實驗研究證實，此時在引射器內并未出現氣流冷凝。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］，實驗結果表明，引射器工作性能良好，仍然未出現氣流冷凝造成引射器性能下降的現象。可見，單級引射氣流Ma1理論計算在多級引射器系統中需要進行修正，原因是多級引射器級與級之間存在相互影響。

圖3 優化引射馬赫數后實驗曲線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生器中，引射氣體溫度T01達到1200K，實現了提高引射效率的目的。對多級引射器，每級選用系統結構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，設置冷卻裝置必然會產生氣流總壓損失，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。

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置翅片管式熱交換器，利用液氮循環制冷［2，5］。結果表明，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在多級中的優化

單級引射器性能參數主要是引射系數K和增壓比ε。

（a）增壓比ε的匹配與優化

增壓比ε的匹配與優化，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，有學者研究認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，結果表明，該分配方法可行，能實現較高的引射效率［5］。

（b）引射系數K的匹配與優化

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K是引射流量與被引射流量之比，因此，關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，在各種參數優化后，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 論

影響單級等壓混合引射器的重要參數包括主要有被引射氣流馬赫數Ma2，引射氣流馬赫數Ma1，氣流溫度T01和T02，以及氣體物性參數（如分子量、比熱比）等。其他參數確定的情況下，引射氣流馬赫數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，一般級數在2～3級最佳。由兩級引射器組成的系統，第一級引射馬赫數大于第二級引射馬赫數，第一級引射馬赫數4.7，第二級到引射馬赫數4.3時，未出現氣流冷凝，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計方法優化多級引射器引射流量參數，能得到較高的引射效率。

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