四支板超聲速引射器性能特性試驗(yàn)*

葉 偉，徐萬(wàn)武，李 平，張富強(qiáng)，戴訓(xùn)成，肖 禮

(1. 國(guó)防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410073； 2. 國(guó)防科技大學(xué) 高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙 410073)

利用超聲速射流對(duì)低壓氣流進(jìn)行增壓的引射技術(shù)已廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試車臺(tái)、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)系統(tǒng)、大功率化學(xué)激光系統(tǒng)以及火箭基組合循環(huán)(Rocket-Based Combined Cycle, RBCC)動(dòng)力系統(tǒng)中[1-2]。隨著臨近空間飛行器技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)引射器性能提出了更高的要求：在保證大引射系數(shù)和大增壓比的同時(shí)保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小。

混合增強(qiáng)是提高超聲速引射器性能的方法之一，具體的技術(shù)手段主要有兩種：一種是使用波瓣構(gòu)型噴管[3]或尾緣交錯(cuò)分布的隔板[4]增加擾動(dòng)來(lái)增強(qiáng)混合；另一種是通過(guò)多組噴管增加混合面積來(lái)增強(qiáng)混合。目前對(duì)于多噴管超聲速引射器的研究主要集中在軸對(duì)稱噴管構(gòu)型，吳繼平等[1]研究了多噴管超聲速引射器的啟動(dòng)性能，發(fā)現(xiàn)了二次流可作為“助推器”幫助引射器在較低工況下實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)的規(guī)律；劉化勇[5]通過(guò)數(shù)值仿真方法對(duì)多噴管、開(kāi)縫噴管的超聲速引射器流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及引射性能進(jìn)行了研究；任澤斌等[6]使用一維氣體引射器流動(dòng)特性方程設(shè)計(jì)了大引射系數(shù)、低增壓比的多噴嘴引射器。對(duì)于支板引射方案， Lineberry等對(duì)嵌入一個(gè)和兩個(gè)噴管的單支板引射器做了試驗(yàn)研究[7-8]，結(jié)果表明一、二次流的混合長(zhǎng)度與支板火箭數(shù)目、一次流腔壓、噴管出口壓力等參數(shù)有關(guān)，但是并沒(méi)有給出具體的經(jīng)驗(yàn)公式。潘宏亮等[9]對(duì)二元中心支板構(gòu)型的RBCC發(fā)動(dòng)機(jī)引射模態(tài)中進(jìn)氣道、燃燒室進(jìn)行耦合計(jì)算，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)的流動(dòng)燃燒性能。鄒建軍[10]、徐萬(wàn)武[11]等分別對(duì)超聲速環(huán)形引射器的啟動(dòng)、二次流對(duì)真空度的影響等性能進(jìn)行了研究。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于二維噴管構(gòu)型的多支板引射器的研究文獻(xiàn)還很少見(jiàn)。本文針對(duì)二維噴管構(gòu)型的四支板超聲速引射器開(kāi)展試驗(yàn)研究，分析其啟動(dòng)及負(fù)載匹配特性。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

四支板引射試驗(yàn)系統(tǒng)的原理如圖1所示，為保證一、二次流供應(yīng)相互獨(dú)立，選用空氣作為一次流的工質(zhì)，氮?dú)庾鳛槎瘟鞯墓べ|(zhì)。貯箱中的高壓空氣通過(guò)氣調(diào)式減壓器達(dá)到設(shè)定值，通過(guò)DN100的主管路上安裝孔板流量計(jì)對(duì)空氣流量進(jìn)行測(cè)量；DN100主管路在進(jìn)入引射器之前分成兩根DN40的支路，在支路上設(shè)置氣動(dòng)截止閥，其中一根支路的截止閥后安裝DN20的節(jié)流孔板。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)時(shí)序控制關(guān)閉安裝節(jié)流孔板的氣動(dòng)截止閥，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)工況操作。貯箱中的高壓氮?dú)庖来瓮ㄟ^(guò)球閥、氣調(diào)式減壓器、氣動(dòng)截止閥、音速噴嘴進(jìn)入試驗(yàn)段，氮?dú)饬髁客ㄟ^(guò)音速噴嘴調(diào)控。試驗(yàn)段主要由整流段、盲腔(二次流進(jìn)入盲腔前進(jìn)行整流)、引射器、定截面混合室、收縮段、第二喉道、亞聲速擴(kuò)壓段組成。一、二次流通過(guò)試驗(yàn)段后直接排入大氣環(huán)境中。

四支板超聲速引射器截面的尺寸為280 mm×120 mm，二次流通道面積比1-(n×δ)/w為0.686，其中n為支板數(shù)量、δ為單個(gè)支板厚度、w為引射器截面寬度。支板在引射器通道中均勻分布，即支板與支板的間距相同，支板與壁面的間距是支板與支板間距的1/2。定截面混合室長(zhǎng)度為500 mm；收縮段在展向進(jìn)行雙邊收縮，收縮角度為5°(全角)，收縮比為0.7；第二喉道的長(zhǎng)徑比L/D=6.3(D為第二喉道截面的水力直徑)；亞聲速擴(kuò)壓段的面積比為2，四邊擴(kuò)張，擴(kuò)張角均為4°(全角)。

試驗(yàn)段的壓力測(cè)點(diǎn)位于下壁面對(duì)稱面位置，采用電子壓力掃描閥Pressure System Inc 9116測(cè)量試驗(yàn)段下壁面靜壓，量程為0.103 MPa，測(cè)量精度為0.05%FS；采用Pt301型壓力傳感器分別測(cè)量引射器、音速噴嘴入口腔壓，其中測(cè)量引射器入口腔壓的傳感器量程為5 MPa，精度為0.5%FS，測(cè)量音速噴嘴入口腔壓的傳感器量程為10 MPa，精度為0.5%FS。壓力掃描閥的參考?jí)毫χ苯勇?lián)通大氣，在試驗(yàn)開(kāi)始前由標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力計(jì)測(cè)定，大氣壓力計(jì)的量程為0.3～110 kPa，精度為0.5%FS。采用Pt100型溫度傳感器對(duì)一次流、音速噴嘴入口腔的氣體測(cè)溫，認(rèn)為測(cè)量的溫度為一、二次流總溫，選用的壓力變送器量程為-50～50 ℃，精度為0.2%FS。

2 參數(shù)計(jì)算

(1)

式中：K為系數(shù)；d為節(jié)流件直徑；ε為膨脹系數(shù)；α為流量系數(shù)；ΔP為實(shí)際壓差；ρ為介質(zhì)工況密度。

(2)

式中，Cd為流量系數(shù)；P01為音速噴嘴入口總壓；At為音速噴嘴喉部面積；T01為音速噴嘴入口總溫；γ為比熱比；R為氣體常數(shù)。

引射系數(shù)(Entrainment Ratio， ER)的計(jì)算如式(3)所示。

圖1 四支板超聲速引射系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic of four-strut supersonic ejector system

(3)

增壓比(Pressure Ratio， PR)的計(jì)算公式為：

PR=Pa/P2

(4)

式中，Pa為環(huán)境壓力；P2為盲腔靜壓。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

不同應(yīng)用領(lǐng)域中對(duì)引射器性能需求各有不同，因此對(duì)引射器性能的評(píng)價(jià)存在差異。地面試驗(yàn)系統(tǒng)中超聲速引射器追求的目標(biāo)是高增壓比，因此認(rèn)為一次流在噴管出口處于欠膨脹狀態(tài)，在混合室內(nèi)繼續(xù)膨脹擠壓二次流，產(chǎn)生氣動(dòng)喉道，二次流受擠壓后收縮加速產(chǎn)生Fabri壅塞，得到極低的盲腔壓力，并且超聲速氣流產(chǎn)生的激波串穩(wěn)定在第二喉道內(nèi)，引射器處于啟動(dòng)狀態(tài)。另外，在超聲速引射器負(fù)載匹配特性研究上，保持一次流入口條件不變，通過(guò)調(diào)節(jié)二次流入口條件可得到增壓比和引射系數(shù)的對(duì)應(yīng)曲線。

3.1 引射器啟動(dòng)性能分析

圖2 引射系統(tǒng)啟動(dòng)特性Fig.2 Start performance of the ejector system

圖2給出了四支板引射系統(tǒng)的啟動(dòng)特性，引射器的啟動(dòng)特性可以分為不啟動(dòng)、臨界啟動(dòng)、啟動(dòng)三種狀態(tài)。在不啟動(dòng)狀態(tài)，二次流通道靜壓高于一次流噴管出口靜壓，噴管處于過(guò)膨脹狀態(tài)，一次流在噴管出口處即受到壓縮，在混合室內(nèi)產(chǎn)生激波結(jié)構(gòu)，因此盲腔壓力較高；隨著引射器入口腔壓的增加，引射器處于臨界啟動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)二次流通道靜壓已經(jīng)低于一次流噴管出口靜壓，但是一次流能量不足以在混合室內(nèi)建立超聲速流場(chǎng)，把激波串推至第二喉道內(nèi)，因此盲腔壓力仍然較高；再次增加引射器入口腔壓，一次流在混合室內(nèi)建立超聲速流場(chǎng)，并把激波串穩(wěn)定在第二喉道內(nèi)，引射器處于啟動(dòng)狀態(tài)。四支板引射器處于啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)，盲腔壓力低于3 kPa。超聲速引射器入口腔壓微小的增加，引射器即從臨界啟動(dòng)狀態(tài)突變至啟動(dòng)狀態(tài)。另外，在引射器啟動(dòng)后關(guān)閉安裝有節(jié)流孔板的氣動(dòng)截止閥進(jìn)行轉(zhuǎn)工況，使引射器在較低壓力工況下保持啟動(dòng)狀態(tài)。由圖可知，四支板超聲速引射啟動(dòng)的臨界壓力為3.77 MPa，轉(zhuǎn)工況后保持啟動(dòng)的臨界壓力為3.17 MPa，遲滯區(qū)與啟動(dòng)狀態(tài)的一次流腔壓比啟動(dòng)狀態(tài)腔壓低15.9%，說(shuō)明四支板超聲速引射器具有較高的啟動(dòng)性能。

圖3給出了不同啟動(dòng)狀態(tài)下四支板引射器的下壁面靜壓分布，噴管出口處的軸向坐標(biāo)為0。由圖可知，在啟動(dòng)狀態(tài)和遲滯狀態(tài)下：引射器盲腔壓力較低；在定截面混合室，引射器主流之間相互作用，產(chǎn)生了激波與膨脹波的交互，造成混合室壁面壓力沿程增加、降低；在收縮段，由于壁面收縮造成了超聲速氣流的壓縮，壁面壓力沿程增加；在第二喉道內(nèi)，遲滯狀態(tài)下激波串的位置比啟動(dòng)狀態(tài)靠前，距離收縮段出口處已經(jīng)很近，說(shuō)明引射器保持啟動(dòng)狀態(tài)的一次流總壓已接近極限值。圖3選取的不啟動(dòng)和臨界啟動(dòng)狀態(tài)點(diǎn)中，引射器噴管已經(jīng)達(dá)到滿流狀態(tài)，超聲速主流在定截面混合室內(nèi)就遭遇一道正激波恢復(fù)至亞聲速狀態(tài)，造成了超聲速引射器的不啟動(dòng)。

圖3 不同啟動(dòng)狀態(tài)的下壁面壓力分布Fig.3 Wall pressure distribution in various start status

3.2 負(fù)載匹配特性分析

關(guān)于負(fù)載匹配方面，圖4給出了四支板引射器與文獻(xiàn)[3]中噴管出口為波瓣構(gòu)型的中心引射器的性能對(duì)比。由圖可知，與文獻(xiàn)[3]中的引射器相比，四支板引射器在小引射系數(shù)、大增壓比狀態(tài)下具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，如：當(dāng)引射系數(shù)為0.04時(shí)，增壓比為11.21；當(dāng)引射系數(shù)為0.10時(shí)，增壓比為7.0。四支板引射器具有較大增壓比的同時(shí)，還具有可觀的引射系數(shù)。

圖4 四支板引射器與文獻(xiàn)[3]中引射器的性能對(duì)比Fig.4 Comparison of performances of the four-strut ejector and the ejector in reference [3]

圖5給出了不同引射系數(shù)下壁面壓力分布。由圖可知，隨著引射系數(shù)的增加，盲腔壓力隨之增大，定截面混合室內(nèi)靜壓波動(dòng)沿程減少，說(shuō)明在二次流的隔離作用下，主流的膨脹壓縮過(guò)程減弱，總壓損失減弱。ER=0.10和ER=0.15時(shí)，第二喉道內(nèi)激波串的起始位置明顯后移，說(shuō)明二次流的加入可以減少超聲速氣流的總壓損失，有助于流場(chǎng)的穩(wěn)定，這與軸對(duì)稱噴管構(gòu)型的多噴管引射器中二次流作為“助推器”輔助引射器啟動(dòng)[1]的規(guī)律一致。

圖5 不同引射系數(shù)下壁面壓力分布Fig.5 Wall pressure distribution in different entrainment ratio

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)二維噴管構(gòu)型的四支板超聲速引射器展開(kāi)試驗(yàn)研究，分析啟動(dòng)、負(fù)載匹配特性，得到以下結(jié)論：四支板超聲速引射器啟動(dòng)后盲腔壓力低、遲滯區(qū)較大，具有良好的啟動(dòng)特性；四支板引射器具有較大增壓比的同時(shí)，還具有可觀的引射系數(shù)。因此二維噴管構(gòu)型的多支板超聲速引射器在工程應(yīng)用中具有良好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>