隔板抑制氫氧推力室不穩定燃燒研究

許曉勇，趙世紅，孫紀國

（北京航天動力研究所，北京，100076）

隔板抑制氫氧推力室不穩定燃燒研究

許曉勇，趙世紅，孫紀國

（北京航天動力研究所，北京，100076）

為了解決某型氫氧推力室高頻不穩定燃燒故障，提高燃燒穩定性工作裕度，在推力室噴注器上設計了一周三徑形式的隔板穩定裝置。冷態聲學試驗表明：加隔板后推力室一階切向振型頻率會降低，一階切向振型的阻尼衰減時間縮短；流量擾動燃燒不穩定數值模擬表明：帶隔板后推力室室壓振蕩幅值顯著降低；帶隔板推力室參加了多次熱試驗，熱試驗結果表明：該試驗成功抑制了不穩定燃燒，隔板穩定裝置工作有效可靠，對推力室燃燒效率無影響。

氫氧推力室；燃燒不穩定；一階切向；隔板

0 引 言

不穩定燃燒是指液體火箭發動機推力室內出現的周期性振蕩燃燒現象。根據室壓振蕩頻率和激發機理分為高頻、低頻和中頻燃燒不穩定，其中高頻不穩定燃燒是推進劑燃燒過程或噴注過程與推力室聲學振型相耦合的結果，在發生的很短時間內會產生強烈的機械振動和傳熱惡化，導致推力室的嚴重破壞和燒蝕。

相比于其他推進劑的火箭發動機，氫氧發動機推力室由于氫氧的燃燒特性和多采用同軸式噴注單元，固有穩定性較高，很少發生不穩定燃燒[1]。中國在研制某型中小推力氫氧發動機時均未發現有不穩定燃燒現象。但根據國外研制經驗，發動機推力越大，推力室尺寸越大，越容易發生不穩定。美國研制的100噸級氫氧發動機J-2和J-2S推力室曾經分別由于低的噴射氫溫和氧路噴注耦合發生過高頻燃燒不穩定，通過采用隔板和聲學錯頻，這些發動機的不穩定現象得到消除，穩定性得到提高。

本文針對某型大推力氫氧發動機推力室發生的高頻不穩定燃燒設計了隔板穩定裝置，并通過冷態聲學試驗和燃燒數值模擬評估了其抑制特性，最終通過熱試驗驗證了隔板穩定裝置的效果。

1 不穩定燃燒現象

某型大推力氫氧發動機為燃氣發生器循環，推力室噴注器采用同軸直流剪切式噴嘴，再生冷卻身部。該推力室在23次全系統熱試車中連續4次發生不穩定燃燒，其中一次熱試車不穩定燃燒發生在關機時刻，推力室壓力如圖1所示。

此時噴前壓力均出現異常波動，同時機械振動及氫氧噴前高頻速變壓力脈動突然大幅增加，噴管火焰突然發亮。推力室試驗后檢查發現噴注器及燃燒室內壁相接處沿周向出現多處燒蝕破壞如圖2所示。

對氫氧噴前高頻速變壓力和機械振動數據進行分頻發現，在此期間存在約2 900 Hz的基頻（突頻）及其倍頻（見圖3）。

該推力室一階切向聲學振型的頻率為2 915 Hz，可見推力室內產生了一階切向高頻不穩定燃燒，與J-2和J-2S的不穩定燃燒比較相似。其原因是推力室的參數如氧噴嘴縮進、氫氧噴注速度比和噴嘴壓降等向燃燒不穩定的方向變化時超出了穩定性區域，燃燒過程或噴注過程與一階切向聲學振型產生了耦合。

2 隔板特性

自從火箭發動機推力室出現高頻燃燒不穩定現象以來，隔板作為一種有效降低或消除橫向燃燒振蕩的阻尼裝置被大量型號的發動機采用。通過在噴注器上安裝隔板，把噴注器分成若干個小區，改變了燃燒室的聲學諧振特性，使隔板小區內的聲振頻率顯著提高，從而增大了激勵振蕩所需的能量。同時，隔板的存在限制了隔板腔內燃氣的聲位移，使切向旋轉振型不可能發生。此外，由于隔板引起的燃氣渦流、分離和摩擦，可增大能量耗散效應[1～3]。國外的 SSME、LE-7和RS-68等氫氧發動機推力室均采用隔板作為燃燒穩定裝置，而中國氫氧發動機推力室尚無應用，圖4為RS-68推力室噴注器采用的隔板[4]。實踐證明，噴注器面的隔板可有效地抑制切向和徑向高頻不穩定燃燒。

3 隔板裝置設計

3.1 聲學振型確定

在常溫靜止空氣條件下對發生不穩定燃燒的推力室進行了冷態聲學試驗，得到了各個聲學振型的頻率，如圖5所示。

根據熱試驗狀態的燃燒室聲速與冷試空氣聲速比，換算得到熱試驗狀態各個聲學振型的頻率如表1所示。

表1 推力室聲學振型頻率

由表1可知，推力室一階切向頻率為2 915 Hz，與燃燒不穩定發生時出現的基頻2 900 Hz吻合。此外，推力室的一階徑向頻率為5 702 Hz，接近基頻2 900 Hz的2倍頻。

3.2 隔板設計

由于該推力室發生的是一階切向高頻不穩定燃燒，同時由聲學試驗得知一階徑向頻率與基頻的2倍頻接近，因此隔板采用一周三徑的分布形式，由多個銑槽式氫排放冷卻隔板噴嘴組成。3個徑向隔板均勻排列在噴注器面上，能夠抑制三階以下的駐波形切向振型及所有行波形切向振型；一個周向隔板位于噴注器半徑約1/3處，能夠抑制一階徑向振型[2,5]。

隔板高度應大于初始燃燒區，即隔板高度必須高出高頻不穩定燃燒敏感區才能起作用，過低隔板不起作用，過高會增加隔板的冷卻困難。文獻[2]、[5]認為隔板相對高度（隔板高度與推力室直徑之比）一般取0.2～0.3。聲學試驗表明[6]，當由噴嘴組成的隔板選取恰當的噴嘴間隙時，能在較短的隔板長度上得到較高的阻尼能力。綜合考慮隔板的阻尼作用及熱防護，相對高度選取為0.15。圖6為隔板試件示意。

4 試驗驗證

4.1 冷態聲學試驗

在常溫靜止空氣條件下對帶隔板狀態的推力室進行了聲學試驗。試驗結果表明，增加隔板后推力室一階切向振型頻率降低，同時在隔板區內產生新的較高的特征頻率，但這些頻率對穩定性的影響較小。

推力室主燃燒區一階切向振型頻率為2 827 Hz，比不帶隔板狀態的2 915 Hz降低88 Hz；中心隔板區特征頻率為8 142 Hz，周向3個隔板區特征頻率為 4 407 Hz和5 386 Hz。

采取切斷激勵源法[2]研究隔板對一階切向頻率的阻尼特性，即通過切斷聲學激勵源，分析特征頻率振型的阻尼衰減時間獲得隔板的阻尼特性。試驗結果表明，在輸入功率相同的前提下，帶隔板狀態對一階切向振型的衰減時間（聲壓降低到原始振幅的e-1的時間）為61.28 ms，而不帶隔板狀態的衰減時間為87.63 ms，由此可見帶隔板推力室中的一階切向振型的壓力振蕩能夠更快地得到衰減。圖 7為帶隔板推力室一階切向振型的聲壓衰減試驗曲線。

由圖7可知，推力室增加隔板后一階切向聲學振型頻率降低，一階切向振型的阻尼能力得到增強，激發的一階切向頻率能夠很快得到衰減。

4.2 數值模擬

采用流量擾動模型對隔板狀態推力室進行燃燒不穩定性數值模擬時，應在噴注器某些噴嘴處施加一流量擾動，從而對燃燒區內氫氧分布以及燃燒熱量釋放等造成周期性的影響以模擬橫向振蕩，進而評價燃燒室抑制燃燒振蕩的能力。模擬選取了頻率與基頻相同的2 900 Hz的擾動，針對無隔板和一周三徑隔板兩種狀態對噴注器的內三圈全部噴嘴施加。圖 8為兩種狀態推力室內的壓力振蕩比較。

由圖8可知，帶隔板后壓力振幅從無隔板狀態的約17.4%降到約7.4%，隔板的抑制效果明顯。進一步模擬表明，其他頻率、噴注器不同位置的擾動也有同樣的結論。由此可見，增加隔板能對燃燒振蕩進行有效的抑制。

4.3 熱試驗結果

帶隔板的推力室參加了數十次熱試驗，累計試驗時間20 000余秒。每次熱試車推力室都工作平穩，啟動、關機正常，火焰穩定。試后檢查表明，推力室無任何燒蝕、破壞，隔板噴嘴結構完好、無燒蝕。

4.3.1 隔板的穩定有效性

增加隔板后，推力室全程工作穩定，壓力平穩無異常，啟動、關機以及工況調節時均無異常，氫氧噴前高頻速變壓力相對脈動值均小于±5%。圖9為關機時段氫氧噴前高頻速變壓力曲線。

由圖9可知，氫氧噴前主要頻率為氫氧泵的倍頻，燃燒不穩定時出現的約2 900 Hz的基頻及其倍頻在試驗中都未出現。圖10為氧噴前速變壓力分頻譜圖。

從機械振動來看，熱試驗時推力室全程綜合加速度平穩無異常，振動量級與之前未發生燃燒不穩定的熱試驗一致，啟動、關機以及工況調節時也未出現振動異常增大的現象。對機械振動進行分頻，主要頻率是氫氧泵的倍頻，約2 900 Hz的基頻及其倍頻也未在試驗中出現。

圖11為推力室機械振動分頻譜圖。

由圖10、圖11可知，設計的隔板對抑制一階切向高頻不穩定燃燒非常有效，異常的壓力波動、大的機械振動及高頻速變壓力和機械振動中的突頻都消失了。增加隔板后推力室的抗擾動能力增加，燃燒穩定性得到提高。

4.3.2 隔板可靠性

由于組成隔板的噴嘴突出噴注器面成懸臂梁狀，隔斷了橫向壓力振蕩路徑，因此將承受劇烈的交變載荷沖擊，同時隔板噴嘴伸入高溫燃燒區，并處在非常惡劣的熱環境中，需要組織可靠冷卻，對隔板噴嘴的結構及采取的氫排放冷卻措施的傳熱可靠性提出嚴格要求。

熱試車前對隔板噴嘴及連接結構試件進行冷態振動試驗，振動量級為模擬熱試車最惡劣工況綜合加速度的兩倍，振動時間達20倍工作時間，振動結果表明：振動隔板噴嘴及連接結構沒有發生變化，未見任何變形、裂紋等結構破壞現象。對隔板噴嘴的氫排放冷卻傳熱特性進行了數值模擬，計算結果表明：隔板噴嘴最高溫度約753 K，遠低于隔板噴嘴材料鋯銅的工作溫度上限870 K[3]。

熱試車結果表明：隔板噴嘴經受住了實際熱試驗考核，試驗工況覆蓋額定室壓的84%～115%、額定混合比的70%～118%，單臺推力室的隔板最多參加了15次熱試車累計5 000余秒，結構未出現任何破壞，高溫區部分也未見燒蝕，隔板噴嘴的結構可靠性和傳熱可靠性得到驗證。

4.3.3 燃燒效率

由于隔板突出噴注器面深入燃燒區，對燃燒會造成影響，同時邊區隔板噴嘴也造成局部混合比不均勻，這些可能對燃燒效率造成影響。但對公開的一些發動機的統計數據表明：在噴注器上安裝隔板所引起的性能損失并不顯著[2]。實際熱試車結果與該結論一致，圖12為帶隔板與不帶隔板推力室燃燒效率對比。

由圖12可知，增加隔板對推力室燃燒效率并無明顯影響。

5 結 論

針對發生的一階切向高頻不穩定燃燒，在噴注器上設計一周三徑形式的隔板，并對帶隔板的推力室進行冷態聲學試驗、燃燒不穩定數值模擬以及熱試驗考核，結果表明：

a）推力室增加隔板后一階切向聲學振型頻率會降低，對一階切向振型的阻尼能力得到增強，能對燃燒振蕩取得有效的抑制；

b）增加隔板后推力室進行了多次熱試驗未再發生一階切向高頻不穩定燃燒；

c）隔板噴嘴經受住了熱試驗考核，結構可靠性和傳熱可靠性得到驗證；

d）增加隔板對推力室燃燒效率無明顯影響。

[1] 楊 V, 安德松 W E. 液體火箭發動機燃燒不穩定[M]. 張寶炯, 等譯.北京: 科學出版社, 2001.

[2] 哈杰 D T, 里爾登 F H, 等. 液體推進劑火箭發動機不穩定燃燒[M].朱寧昌, 張寶炯, 譯. 北京: 國防工業出版社, 1980.

[3] 劉國球, 等. 液體火箭發動機原理[M]. 北京: 宇航出版社, 1993.

[4] Frederick E D, Malinzak R M, et al. Development of a low cost 650,000 lbf thrust H2/O2booster engine injector[R]. AIAA 97-3314, 1997.

[5] 朱寧昌. 液體火箭發動機設計(上)[M]. 北京: 宇航出版社, 1994.

[6] 李丹琳, 等. 隔板對燃燒室聲學特性的影響[J]. 航空動力學報, 2012，27(3): 31-35.

Study on the Baffle Suppressed the Combustion Instability of Hydrogen Oxygen Thrust Chamber

Xu Xiao-yong, Zhao Shi-hong, Sun Ji-guo
(Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing, 100076)

In order to solve the high frequency combustion instability and improve the stability margin of hydrogen oxygen thrust chamber, the baffled injectors with one circumferential and three radial models are designed. The results of the acoustic test show, with the thrust chamber baffled injectors the frequency will be reduced, and the damping attenuation time of the first-tangential will be shortened; and the results of the numerical simulation show that the chamber pressure vibration amplitude will decrease significantly. The chamber with baffles has been tested for several times, and the results show that the instability is suppressed successfully. The baffled injectors work reliably and effectively, and have no influence on combustion efficiency of thrust chamber.

Hydrogen Oxygen thrust chamber; Combustion instability; First-tangential; Baffle

V434+.24

A

1004-7182(2017)05-0033-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20170508

2016-03-25；

2017-05-17

許曉勇（1979-），男，高級工程師，主要研究方向為液體火箭發動機推力室設計