林明东;胡凡;张为华;麻震宇
【摘 要】Injection tube system of water ramjet was researched in this paper. A two level water injection tube system was modeled and the pressure loss equations were given. Based on the thermodynamic calculation method, optimal water-fuel ratios of magnesium and aluminium based fuel were obtained. Water specific impulse was proposed for convenient estimation of the water flow required by the motor which shows that the injected water is mainly proportional to the design thrust rather than the fuel type. The pressure loss of the tube system was mostly caused by the diffluent tube and the local parts. Designing principle was established for better understanding of the water injection system. In order to achieve less pressure loss, the tube size of the system should be enlarged as more as possible.%对水冲压发动机进水管路系统设计进行了建模与分析,建立了冲压进水管路系统的设计方法与流程.根据水冲压发动机进水方案特点,建立了两级进水管路系统模型,给出其流动过程分析计算方程.基于发动机热力计算方法,分析了镁基与铝基燃料水冲压发动机理论最佳水燃比,提出水冲压
发动机水比冲概念,并建立进水量计算模型.该模型分析结果表明,不同燃料体系的水冲压发动机所需进水量仅与其设计推力大小相关.基于试验设计抽样方法,对不同尺寸与构型的管路系统进行了总压损失分析.结果表明,管路系统设计在满足航行体布局要求的前提下,应尽可能增大各级管路总通流截面,并减少管路部件.
发动机进水怎么办【期刊名称】《固体火箭技术》
【年(卷),期】2012(035)006
【总页数】5页(P742-746)
【关键词】水冲压发动机;水燃比;进水管路;压力损失
【作 者】林明东;胡凡;张为华;麻震宇
【作者单位】国防科学技术大学航天与材料工程学院,长沙410073;国防科学技术大学航天与材料工程学院,长沙410073;国防科学技术大学航天与材料工程学院,长沙410073;国防科学技术大学航天与材料工程学院,长沙410073
【正文语种】中 文
【中图分类】V432
0 引言
采用高金属含量固体燃料的水冲压发动机属于喷气式推进系统，具有能量密度大、结构简单、可靠性高等优点，是超空泡航行体的理想动力［1－3］。近年来，水冲压发动机的研究取得了显著进展，在其能量特性、燃烧机理、发动机构型设计等方面，进行了大量的理论与试验研究，取得了大量有意义的成果。然而，在冲压进水管路系统的研究尚十分缺乏［4－6］。
超空泡航行体在航行过程中，需由头部空化器摄水，经管路流动后注入燃烧室。因此，进水管路系设计将直接关系到发动机的工作性能，是水冲压发动机进行系统集成并走向实用化所亟需解决的关键技术。对于航速100 m/s左右的超空泡航行体而言，管路系统的进水口总压局限于一定范围，为满足发动机水下工作要求，应尽可能提高燃烧室压强，这使得进水管路系统的压降指标设计区间十分有限。缪万波等最早对进水管路的压降损失特征与流量系数进
行了理论分析与数值仿真，得到了管路压降与来流总压及发动机燃烧室压强的定性关系，为水冲压发动机工作参数设计提供了依据［7］。
本文建立了超高速冲压进水管路系统的设计方法与流程。考虑水冲压发动机进水方案特点，建立两级进水管路系统模型;基于水冲压发动机热力计算方法，建立水冲压发动机进水流量模型;基于试验抽样方法，对不同管路系统的压降特性进行对比分析。研究结论对进水管路系统设计具有重要参考意义。
1 设计方法与流程
进水管路系统是以水冲压发动机为动力的超空泡航行体的重要组成部分，其作用是在水下高速运动条件下，将雷体外部的水引入到水冲压发动机燃烧室，为高金属含量固体燃料的燃烧提供氧化剂。因此，其设计约束主要包括3方面:
(1)进水流量约束。为水冲压发动机提供准确稳定的进水是进水管路设计的最根本、最直接的目的。因此，必须根据超空泡航行指标与水冲压发动机的相应工况，确定发动机进水量，并以此作为进水管路系统设计的流量指标下限。
(2)外形尺寸与布局约束。进水管路系统必须根据超空泡航行体摄水状态及水冲压发动机进水要求合理确定管路构型。由于管路系统布置于超空泡航行体内部，其整体构型与相关尺寸还须满足航行体外形及内部分系统尺寸与布局的约束。
(3)管路压降约束。在管路流量达到水冲压发动机的工作要求时，进水管路系统的总压降必须小于航行体外部的来流总压及发动机进水水流的总压之差。
综上所述，水冲压发动机进水管路系统设计需考虑水冲压发动机的进水需求，根据航行体总体及分系统的尺寸与布局来确定管路系统的构型与尺寸，形成能满足管路进水压降指标的系统方案。其设计流程如图1所示。
图1 进水管路系统设计流程Fig.1 Designing flow chart of the water injection tube system
2 管路构型与流动过程分析
2.1 管路系统构型
根据水下超空泡航行的流场特征可知，超空泡航行体仅有头部空化器是稳定沾湿面。因此，
在空化器中央开孔进水是保证从外界稳定摄水的理想方式;水冲压发动机的进水过程应尽可能均匀地将水从燃烧室周围的注水孔沿径向注入。因此，进水管路系统应工作于“一进多出”状态，其构型宜采用主分支两级管路设计，见图2。
图2 超空泡航行体冲压进水管路基本结构Fig.2 Structure of water injection tube system of supercavitating vehicle
冲压管路系统大致可划分为3大部分:
(1)主进水管路。主进水管路是指从空化器头部进水口至管路形成分支结构之前的单路管路部分，可视为均匀直管。
(2)流量控制系统。水冲压发动机对工作过程中的进水总量与2次进水的分配策略有相应要求。因此，需对各条管路的流量进行控制。
(3)分支进水管路。分支进水管路从发动机壳体外部沿直线绕行至雾化喷嘴处，在流动方向发生变化时引入相应弯头。为了简单起见，本文假设所有分支管路流量相等，节点处仅考虑直角弯管情形。
假设整个管路系统为轴对称结构，将流量控制系统抽象为管路分支节点，确定该类型进水管路系统方案时，需定义管路尺寸及任一分支管路相应弯头节点在轴对称面内的位置，具体驱动参数如表1所示。
表1 进水管路系统驱动参数Table 1 Parameters of water injection tube systems变量名 描述N 分支管路数量D0变量名 描述X1主进水管直径D1绕行分支管路距对称轴高度Xw管路分支节点沿对称轴坐标Y1分支管路直径 注水孔沿对称轴位置
2.2 管流总压损失
水流在管路流动过程的总压损失。进水管路内水流的压降与能量损失与管路长度及管内流速成正比。理论上，进水管路尺寸越大越好，从而能降低管内流速和能量损失，然而受航行体尺寸布局限制，管路系统所占据的空间应尽可能小，同时减少对其他系统如控制系统、有效载荷等的布局干扰。
管路流动的压降损失计算主要分为沿程损失与局部损失。均匀圆管流动的沿程损失计算式为［8］
式中 l为管路长度;d为管路直径;λ为压降系数;Q为管内流动的动压。
局部压降损失计算式为
式中 ζ为局部压降系数，与局部管路构型有关。
本文管路系统构型中形成局部损失的因素主要包括冲压进水入口截面突变、两级管路分流变径、流量控制阀门、分支管路弯头，相关压降系数可通过查阅相关手册获取。
3 发动机进水量模型
水冲压发动机通过引入航行体外部的水与燃料中的镁、铝等活泼金属反应释放能量，产生相应的推力。因此，对于采用不同金属含量的固体燃料的水冲压发动机，其工作过程中的进水量要求可能存在差异。
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