一種開縫環形引射器設計與試驗研究

劉萬龍，朱昊偉，趙 宏，胡旭坤，李 茂

（北京航天試驗技術研究所，北京，100076）

0 引 言

為模擬上面級發動機的高空工作環境，在試驗時必須創造一個近似高空條件的環境，進行發動機性能、可靠性以及啟動特性等試驗，這樣的試驗被稱為高空模擬試驗[1～3]。引射器的性能對高空模擬試驗非常重要，國外在20世紀50～60年代做了大量的中心型超聲速引射器的試驗研究[4,5]，中國在該領域也進行了較多研究[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，但結構更加簡單，俄羅斯中央風洞研究所對這種結構的引射器進行過相關研究。中國關于開縫引射器研究的文獻較少，只有中國空氣動力研究與發展中心進行過類似的研究[12,13]，其通過仿真表明噴嘴后緣開寬縫的環形引射器可以顯著提高引射效率。為了研究高壓縮比單級環形引射器的性能，以便用于大推力氫氧火箭發動機啟動前的高空模擬，本文將基于一維管流的基本理論對環形引射器進行設計，分別加工開縫及不開縫環形引射器，并進行零負載下的對比試驗研究。

1 引射器概述

1.1 引射器系統

環形引射器結構如圖1所示，主要由環縫噴嘴、吸入室、混合室、二次喉道和擴散段 5部分組成。對于簡單的引射器，混合室和二次喉道可以用直管混合段替代。

圖1 環形引射器結構示意 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通過拉瓦爾噴嘴將壓力能轉換為動能，形成超聲速射流，而被引射工質則由于與引射工質間的剪切作用被卷吸至混合段，射流邊界層的紊流擴散作用使得兩股流體發生質量、動量及能量交換。在擴散段中的混合流體的動能轉化為壓能，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，流體可能要適應高背壓的要求而產生激波，其波陣面可能位于二次喉道及擴散段中的任一截面。

2 環形引射器設計

2.1 環形引射器參數設計

本文基于一維管流的基本理論對引射器進行設計。根據流體力學知識，對于一維理想管流，氣流在引射器噴嘴出口處膨脹成超聲速，進入混合段后先是繼續加速，之后通過激波變成亞聲速流，靜壓變為與環境壓力一致，如果此時的激波為正激波，正激波前的壓力可以認為是極限真空壓力。使用噴管流動的公式對混合段內的流動進行分析，不考慮摩擦及換熱等損失，并假設在混合段激波前流動過程是等熵過程。根據正激波公式：

式中p2為正激波后壓力，即環境背壓（取值為理想大氣壓力）；p1為激波前壓力；Ma1為混合段內正激波前馬赫數（激波前馬赫數）；k為比熱比。p1的數值由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，對于環形噴嘴，指喉部環縫截面積）有關的參數，所以壓強p1也是一個與A1At有關系的參數。根據p2及設定的Ma1可以求出理論極限真空p1，同理根據設定的理論極限真空p1和環境壓力p2，也可以計算得到相應的Ma1。

根據一維管流理論，噴管面積比與Ma的關系為：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Ma1及比熱比k的函數。對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系：

設定Ma1、混合段截面積A1、環境壓力p2（取標準大氣壓），根據式（1）計算得到理論極限真空p1，根據式（2）計算出喉部面積At，根據式（3）計算出理論臨界啟動壓力p*。本文研究的是零負載的高壓縮比環形引射器，由于沒有被引射工質，設計時混合段直接采用直管形式，并在其后面設計了一個擴散段。

質量流量為

其中，

式中q為流量函數；λ為速度系數；R為氣體常數；K為關于k、R的函數；T*為引射工質總溫，T*=300 K；對于給定氣體，k、R、K為常數，選擇氮氣作為引射工質。

設計混合段內徑為Φ71.5 mm，中心體末端外徑為Φ41.2 mm。部分設計值如表1所示。

表1 引射器部分理論設計參數 Tab.1 Theoretical Design Parameter of the Ejector Part

2.2 環形引射器開縫設計

文獻[13]的仿真表明開縫數量大于6之后，增加縫數對性能提升不大。考慮到總體效率以及加工的方便，選擇開縫數量為6、開縫率為11%的環形引射器研究，開縫率即縫總寬度（縫數與寬度的乘積）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，開縫壁末端是連續的，避免引發振蕩。

2.3 環形引射器結構設計

依據引射器理論設計參數，開展引射器結構設計，所設計的引射器主要包括中心體、外筒、擴散段等，引射器裝配結構如圖2所示，中心體與外筒1間的環縫組成引射器的噴嘴。

圖2 引射器裝配結構 Fig.2 Ejector Assembly Drawing

3 試驗系統

3.1 高壓大流量減壓器試驗裝置及試驗件

利用低溫綜合試驗區氮氣源，使用自主研制的高壓大流量減壓器及其試驗裝置進行壓力調整和電磁閥開關控制，試驗系統原理如圖3所示，采用標定的聲速噴嘴控制、測量氣體流量。利用工控機、LDS 64位采集系統、485UBS轉換模塊、低壓電源組成試驗裝置的測控系統，實現溫度、壓力參數的采集和反饋，電磁閥開關控制。可以在計算機上通過減壓器控制器的PID參數設置界面對減壓器出口壓力進行設置。

圖3 試驗系統原理 Fig.3 Schematic Diagram of the Test System

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

圖4 引射器現場安裝情況 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 測點及傳感器

試驗中需要測量減壓閥前壓力、聲速噴嘴前壓力（同時也是減壓閥后壓力）、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，傳感器編號及參數如表2所示，采用7個壓力傳感器分別測量這 7個位置的壓力值。表2中P1～P5為常規MPa級壓力傳感器，測量值為表壓，P1～P4用來測量前端管路中沿程的壓力，P5用來測量引射器入口壓力。P6及P7是真空壓力傳感器，測量值為絕對壓力，用來測量引射器真空壓力以及引射器出口的壓力。

表2 傳感器編號參數 Tab.2 Sensor Number Parameter

4 試驗結果與分析

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

4.1 開縫引射器試驗與分析

開縫引射器試驗數據如表3所示。

表3 開縫引射器試驗數據 Tab.3 Slotted Ejector Test Data Sheet

表3中壓縮比ε為混合流體噴出的絕對壓力pb與被引射工質的絕對壓力pa之比，即ε=pbpa。試驗 3～8引射器能夠啟動，試驗1、2引射器沒能啟動，由于引射器入口壓力較低，激波產生在引射器噴嘴內，從噴嘴出口進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），進入了傳感器量程。試驗 3～8，引射器均啟動。啟動后，隨著引射器入口壓力的提高，其相應的真空壓力也提高。對試驗數據進行分析，以1.181 MPa作為開縫引射器的臨界啟動壓力，相應的極限真空壓力等于 984 Pa，此時壓縮比為 103。

典型引射器入口壓力與真空壓力對比如圖6所示，對應的試驗是試驗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，并基本穩定，表明這次試驗引射器正常啟動。

引射器接近啟動時典型入口壓力與真空壓力對比如圖7所示，對應試驗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，壓力極不穩定，表明引射器未完全啟動。

圖7 開縫引射器接近啟動時典型入口壓力與真空壓力對照 Fig.7 Comparison of Typical Inlet Pressure and Vacuum Pressure at the Start of the Slotted Ejector

分析表3中正常啟動的后6次試驗數據，發現引射器啟動后，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照如圖8所示，從圖8中可以看出，啟動后引射器真空壓力與入口壓力之間有接近線性的遞增關系，對其使用最小二乘法進行一階線形擬合，得到擬合直線，其對應公式為

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

4.2 不開縫引射器試驗與分析

不開縫引射器試驗數據如表4所示。

表4 不開縫引射器試驗數據 Tab.4 No-seam Ejector Test Data

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

開縫與不開縫環形引射器對真空壓力的影響如 圖9所示，開縫引射器的真空壓力遠低于不開縫引射器。理論上，部分高壓氣體作為支流通過開縫先進入中心體，對中心體內的氣體進行引射。這兩部分氣體混合后，再由高壓氣體的主流對混合氣體進行引射，實際上通過在環形引射器上開縫的方法實現了“兩級引射”（也可以稱為一級半引射）的效果。

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

由圖9可知，引射器啟動前，隨著引射器入口壓力增大，對應的真空壓力減小；引射器啟動后，隨著引射器入口壓力增大，對應的真空壓力逐漸增大，啟動后引射器真空壓力與入口壓力之間有接近線性的遞增關系。理論上此過程可解釋為，引射器啟動前，隨著引射器入口壓力的增大，引射氣體膨脹后的速度增大，對被引射氣體的混合卷吸能力增強，所以相應的真空壓力逐漸減小；而引射器啟動后，由式（3）可知，馬赫數一定時，真空壓力與總壓成正比，此時隨著引射器入口壓力的增大，引射器的真空壓力也相應增大。

5 結論與展望

基于一維管流的基本理論對環形引射器進行設計。設計加工了開縫及不開縫環形引射器，使用高壓氮氣進行零負載情況下試驗，對開縫及不開縫環形引射器的啟動壓力及實現的真空壓力作對比，結論為：

a）對于所設計的試驗件，測得不開縫引射器的臨界啟動壓力為1.127 MPa，極限真空壓力為6294 Pa，壓縮比約為 16.1；測得開縫引射器臨界啟動壓力 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載情況下真空壓力，但啟動壓力也略有提升，試驗表明在0.1 MPa以內。

c）引射器啟動前，隨著引射器入口壓力的增大，對應的真空壓力減小；在引射器啟動后，隨著引射器入口壓力增大，對應的真空壓力逐漸增大，啟動后引射器真空壓力與入口壓力有接近線性的遞增關系。

d）目前的試驗表明，通過合理開縫，可以通過單級環形引射器實現1000 Pa以下的極限真空，可以應用在大推力氫氧火箭發動機啟動前30 km高空模擬（相應壓力為 1197 Pa）。

后續將開展帶負載情況下，開縫引射器的性能研究，同時對開縫引射器機理進行進一步研究。未來還需要進行大尺寸開縫引射器性能的研究以及開縫引射器在多級引射器上應用的匹配情況研究。