基于多级等压混合的引射器参数匹配与优化

刘宗政，郭隆德，廖达雄，陈振华，陈 恳，陈 雁

（1.清华大学 精密仪器与机械学系，北京 100084；2.中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳 621000）

0 引 言

近年来，美国、日本和俄罗斯等国家都针对多级引射器的增压比和效率开展研究，主要是对引射器的各项参数进行优化，目的是提高引射器性能。国内外最新研究成果表明，单级引射器增压比最高可达到10左右，固定于地面设备的引射器效率可达到0.02～0.04左右［1］。目前国内对单级引射器的引射性能研究较多，对多级引射器的引射性能研究不系统，一些重要参数的选取和匹配主要依靠经验，因此，国内的引射技术研究水平跟国际先进水平相比存在差距，开展多级引射器的引射性能研究具有重要的价值。

本文以等压混合引射器为研究平台，分析了单级等压引射器计算模型，确定了影响单级引射器性能的基本参数，指出单级引射器参数变化对性能造成的影响。系统地分析了与多级等压混合引射器性能相关的需要匹配和优化的各种参数，通过一系列多级等压引射器的性能优化实验，研究了多级等压混合引射器关键参数的匹配和优化特性［2］，得到多级等压混合引射器的增压比和引射效率优化结果。

1 影响单级引射器性能的参数分析

引射器性能的衡量指标主要有引射效率、增压比、噪声和运行时间等，其中最主要的参数是引射效率和增压比。引射效率用引射系数K（被引射气体流量和引射气体流量之比）表示，增压比ε为引射器出口气流总压和被引射气流入口总压之比。在给定引射器增压比ε时，引射系数K越大，引射性能越优；同样，在给定引射系数K时，增压比ε越大，则引射性能越优。

常规等压引射器的计算模型见图1，分析时基于以下假设［1，3］：

（1）全部气流为一维流。引射气流、被引射气流和混合气流都是仅有一个空间坐标函数的流动，混合室入口气流为满流，忽略大小和方向的发散。

（2）引射气流和被引射气流均为比热恒定、比热比恒定的理想气体，引射过程中物性参数保持不变。

（3）忽略混合室壁面的摩擦损失。混合室入口处引射气流和被引射气流的静压相等，混合室为简单的圆锥形，整个混合室内气流的静压维持不变。

（4）混合室出口的气体已经完全混合均匀，不考虑混合室内具体的混合过程。

图1 常规等压引射器计算模型示意图Fig.1 Calculating model sketch map of isotonic ejector

（5）混合室出口气流在等直段由一道单一的正激波将波前超音速流转变为下游亚声速流。

引射器性能参数计算由混合室入口、出口截面之间的质量守恒方程、动量方程及能量守恒方程得到［1，3，5］。

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

激波前后总压比：

引射器增压比：

再次使用等压关系式可得：

引射系数定义：

质量分数定义：

混合后气体的绝热指数：

混合后气体的分子量：

混合后的气体常数：

混合后气体的定压比热：

混合后气流的总焓：

马赫数定义：

总静温关系式：

式中：G——质量流量，kg／s；

u——速度，m／s；

Cp——定压比热，J／（kg·K）；

T——温度，K；

π（Ma）——气动函数，

σ——总压比（或总压损失系数）；

γ——绝热指数；λ——速度系数；

R——气体常数，J／（kg·K）；

μ——质量分数；W——分子量。

下标：0——滞止参数；

1——混合室入口引射气流参数；

2——混合室入口被引射气流参数；

3——平直段入口气流参数；

4——引射器出口气流参数。

在上述方程组中，如果确定 K、Ma1、Ma2、Cp1、Cp2、T01、T02，可根据方程（1）～（3）及（4）～（10）算出混合后气流的物性参数、总温T03和速度Ma3。

将式（7）、（8）、（14）和（15）带入方程（1）～（3）可得出：

由式（13）、（16）和（17）可计算混合后气流的静温

由u3和T3可以根据定义式（14）计算平直段入口气流马赫数Ma3：

得到混合后气流的马赫数Ma3后，根据式（4）算出激波压力比，由方程（5）求得增压比。方程（5）中的σ4代表一个损失系数，它考虑了除平直段正激波损失以外的其它损失，通常根据经验取值为0.80～0.85。

由此可见，参数 K、Ma1、Ma2、Cp1、Cp2、T01、T02影响混合后气流的物性参数、总温T03和速度Ma3，最终影响增压比ε。定压比热Cp1、Cp2通常为常数，混合后气流的物性参数取决于引射气体和来流气体的参数，混合后的总温T03取决于T01、T02。因此，对引射器性能指标K和ε产生主要影响的参数有被引射气流马赫数Ma2、引射气流马赫数Ma1、气流温度T01和T02，以及气体物性参数等。

2 单级引射器参数变化对性能的影响

结合理论分析，廖达雄等［1］、George Emanuel［3］对单级引射器性能开展大量实验研究，取得了研究成果。

如果被引射气流Ma2增加，保持引射系数K不变，则增压比ε逐渐下降；被引射气流Ma2增加，保持增压比ε不变，则引射系数K开始上升，之后逐渐下降。且被引射气流Ma2越大，K和ε下降得越快。

如果引射气流Ma1增加，保持引射系数K不变，则增压比ε增大；引射气流Ma1增加，保持增压比ε不变，则引射系数K 增大。因此，选取高的Ma1，可得到好的引射器性能。但是Ma1过高，气流在引射喷管中急剧膨胀降温，达到冷凝时，引射性能严重恶化。

增加引射气体温度T01或降低被引射气体温度T02可以提高引射器性能。增加引射气体温度还可以延迟气流的膨胀冷凝，提高引射气流Ma1的上限，对改善引射器性能非常有利。

气体物性参数对引射性能影响较大的主要有分子量W 和比热比γ。引射气体分子量W1越小，引射系数越高。引射气体比热比γ1越小，引射系数越高。

3 多级引射器性能参数匹配和优化

研究单级引射器参数变化对性能的影响，是多级等压混合引射器性能参数匹配和优化的基础，明确了需要匹配的关键参数和性能优化的目标。多级引射器性能优化需要研究的主要问题是：

（1）引射器级数选取对引射性能的影响；

（2）引起单级性能指标K和ε变化的参数对多级的性能指标参数K0和ε0的影响。这些参数包括被引射气流马赫数Ma2，引射气流马赫数Ma1，气流温度T01和T02等；

（3）单级等压引射器的性能指标参数K和ε在多级等压混合引射器中的匹配优化。

3.1 等压混合引射器级数的确定

多级引射器串联能够实现高的全增压比ε0，系统中每级引射器的分增压比乘积构成全增压。通常情况下，全增压比是由设计条件给定的。在得到每一级引射器能够实现的最高增压比以后，将全增压比进行分配，能够确定串联的级数［4］。可见，等压混合引射器级数由全增压比和分增压比确定。

表面上看，引射器串联的级数越多对提高增压比越有利，但研究表明，级数过多会对参数匹配和工程调试带来很大的困难，级数越多难度越大。因此，引射器串联的级数一般选择2～3级。

3.2 影响单级引射器性能的参数在多级中的匹配与优化

在对单级等压混合引射器性能影响的几个参数中，被引射气流Ma2通常由系统给定，气体物性参数决定于来流与引射气流组分。因此，最有价值的研究是引射气流Ma1、引射气体温度T01和被引射气体温度 T02在多级等压引射器中的匹配和优化［5－6］。

（a）引射气流Ma1在多级等压混合引射器中的匹配和优化

以两级等压混合引射器为研究对象，拟通过实验研究引射气流Ma1的匹配和优化，研究平台采用一套两级等压引射器实验件，如图2所示。

图2 等压引射器性能实验设备示意图Fig.2 Experiment equipment sketch map of isotonic ejector

试验研究表明，增加多级引射器中每一级的引射气流Ma1同样能提升引射器的引射效率。对于两级引射器组成的系统，第一级（顺气流方向上游）引射气流Ma大于或等于第二级引射气流Ma1［6］。

采用常温压缩空气作为引射气源时，理论计算表明，第一级引射气流 Ma1＝4.4（当地静压约1200Pa）、第二级引射气流 Ma1＝4.2（当地静压约11kPa）时，喷嘴出口静温已低于冷凝温度，实验研究证实，此时在引射器内并未出现气流冷凝。分别增加两级的引射气流Ma1，第一级引射气流Ma1到4.7、第二级引射气流Ma1到4.3时，一级引射器和二级引射器入口压力如图3所示［6］，实验结果表明，引射器工作性能良好，仍然未出现气流冷凝造成引射器性能下降的现象。可见，单级引射气流Ma1理论计算在多级引射器系统中需要进行修正，原因是多级引射器级与级之间存在相互影响。

图3 优化引射马赫数后实验曲线Fig.3 Experiment curve after Mach number was optimized

（b）引射气体温度T01和被引射气体温度T02在多级等压混合引射器中的匹配和优化

增加多级引射器中每级引射气体温度T01可以提高引射器的效率。在过氧化氢催化分解加酒精补燃的气体发生器中，引射气体温度T01达到1200K，实现了提高引射效率的目的。对多级引射器，每级选用系统结构能承受的最高温度最佳，但实际运用中，第一级引射气体通常从第二级引射气体中分流，经过较长的管路后，温度比第二级低［5］。

降低被引射气体温度T02能提高引射效率，计算表明，把来流温度从500K降低到200K，引射效率可以提高约60%左右。但是，设置冷却装置必然会产生气流总压损失，这种损失会降低引射效率。因此，必须采用高效率、低阻损的来流主动冷却技术。

对多级引射器，降低第一级引射器入口被引射气体温度T02是最理想的途径。实验研究在一级引射器入口前设置翅片管式热交换器，利用液氮循环制冷［2，5］。结果表明，来流温度从500K降低到200K，图4所示总压损失约几十帕，引射效率有明显提升。

图4 来流冷却后一级入口总压曲线Fig.4 Press curve after origin flow was cooled

3.3 单级引射器性能参数在多级中的优化

单级引射器性能参数主要是引射系数K和增压比ε。

（a）增压比ε的匹配与优化

增压比ε的匹配与优化，主要是全增压比在各级引射器增压比的分配问题。原苏联的索科洛夫等人采用的方法是全增压比在各级之间均匀分配，有学者研究认为各级之间增压比分配可按照一定的比例，以三级引射为例，第一、二、三级的增压比按1.8∶1.3∶1的大致比例分配［4］。本文多次采用两级等压引射器实验研究了全增压比均分方法，结果表明，该分配方法可行，能实现较高的引射效率［5］。

（b）引射系数K的匹配与优化

对于多级等压引射器来说，分配好各级的引射效率，对多级引射器总体性能的提高具有重要作用。引射效率系数K是引射流量与被引射流量之比，因此，关键是确定引射流量和被引射流量。显而易见，第一级引射器的被引射气流为来流，而第二级引射器的被引射气流为来流加上第一级的引射流量。来流为已知参数，在各种参数优化后，第一级引射流量可以确定，依此方法，第二级引射流量可以确定。

4 结 论

影响单级等压混合引射器的重要参数包括主要有被引射气流马赫数Ma2，引射气流马赫数Ma1，气流温度T01和T02，以及气体物性参数（如分子量、比热比）等。其他参数确定的情况下，引射气流马赫数Ma1越高，气流温度T01越高，被引射气体温度T02越低，引射效率越高［1］，但实际运用中，许多因素制约了引射效率的提高。

研究表明，对于多级等压混合引射器，一般级数在2～3级最佳。由两级引射器组成的系统，第一级引射马赫数大于第二级引射马赫数，第一级引射马赫数4.7，第二级到引射马赫数4.3时，未出现气流冷凝，多级引射器仍能正常工作。对引射器来流采用液氮循环制冷的翅片管式热交换器进行主动冷却，可以使引射器来流温度从500K降低到200K，引射效率明显提升［1，7］。全增压比在各级之间均匀分配，以及利用单级引射器设计方法优化多级引射器引射流量参数，能得到较高的引射效率。

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