大流量低混合比氫氧噴嘴變工況燃燒特性研究

2020-10-13 08:40:46牛旭東丁兆波孫紀國

導彈與航天運載技術 2020年5期

潘剛，牛旭東，丁兆波，孫紀國

（北京航天動力研究所，北京，100076）

0 引言

國外學者對燃氣發生器噴嘴在變工況下的燃燒特性進行了相應試驗研究。Vulcain 發動機研制人員為了優選燃氣發生器的噴嘴結構，設計了縮比燃氣發生器，在室壓5～10 MPa、混合比0.7～1.1、噴嘴流量0.14～0.2 kg/s、超臨界氫進口溫度40 K、液氧進口溫度100 K的條件下獲得了不同噴嘴下的溫度均勻性等參數[2]。LE-7發動機研制人員在混合比0.7～0.9、室壓1～15 MPa條件下獲得了燃氣發生器的溫度均勻性、燃燒穩定性等性能參數[3]。J-2X 發動機研制人員針對61 個噴嘴和43 個噴嘴兩種不同方案的燃氣發生器進行了性能考核試驗，同時也進行了對應發動機推力在1307 kN、1067 kN 工況下的性能考核試驗[4,5]。然而，中國針對用于大推力氫氧發動機燃氣發生器的氫氧噴嘴試驗研究較少，尤其是氫氧噴嘴在變工況下的相應性能試驗研究較為欠缺。

本文針對大流量低混合比氫氧噴嘴，設計了一種燃氣發生器，開展了噴嘴變工況下的燃燒特性試驗研究，獲得了燃燒效率、溫度均勻性、燃燒穩定性、點火特性等重要性能參數。該工作可為具備推力調節功能的大推力氫氧發動機燃氣發生器的研制提供技術指導。

1 試驗系統及試驗工況

燃氣發生器試驗為高壓低溫系統擠壓試驗。燃氣發生器試驗的系統示意如圖1 所示。試驗系統中液氧和液氫來自高壓低溫儲箱，其中液氫流經管路進入燃氣發生器時已變為超臨界狀態。燃氣發生器噴注器共有6 個同軸直流噴嘴，同軸直流噴嘴的結構如圖2 所示。該噴嘴與SSME 預燃室[6]、Vulcain 燃氣發生器[7]噴嘴結構類似，中間為氧噴嘴，外側為氫噴嘴。

圖1 燃氣發生器試驗系統示意Fig.1 Schematic of the Gas Generator Experiment System

圖2 同軸直流噴嘴結構示意Fig.2 Schematic of the Shear Coaxial Injector

燃氣發生器試驗時不同工況下的測量參數如表1所示。由表1 可知，以工況A 為基準，燃氣發生器的室壓變化范圍為50%～100%，噴嘴流量的變化范圍為54%～100%，混合比變化范圍為77%～100%。在工況A 下，燃氣發生器單噴嘴流量達到了0.26 kg/s，遠高于Vulcain 燃氣發生器單噴嘴流量0.141 kg/s[8]，與LE-7 燃氣發生器單噴嘴流量0.241 kg/s[3]、SSME 燃氣發生器單噴嘴流量0.262 kg/s[9,10]水平相當。

表1 試驗工況Tab.1 Experiment Conditions

2 試驗結果及分析

2.1 燃燒效率分析

不同工況下燃氣發生器的燃燒效率如圖3 所示。由圖3 可知，在同一噴嘴結構下，不同工況下的燃燒效率均維持在較高水平，但隨著試驗工況的降低，燃氣發生器的燃燒效率略有降低，由工況A 的0.998 降低到了工況B 的0.986。這主要是因為：相對于工況A，工況B 屬于燃氣發生器的低工況，氧噴嘴壓降顯著降低，液氧的噴注速度降低，霧化性能變差，不利于氫氧間的快速摻混燃燒，因此工況B 下的燃燒效率略有降低。

圖3 不同工況下燃燒效率Fig.3 Efficiency with Different Conditions

2.2 溫度均勻性分析

燃氣發生器一般要保證出口溫度均勻，避免燃氣局部溫度升高，燒蝕渦輪葉片。為了考核燃氣發生器的出口溫度均勻性，在出口截面共布置了6 個溫度傳感器，分為4 種插深，身部傳感器溫度測點位置如圖4所示。

圖4 溫度傳感器位置Fig.4 Schematic of Temperature Sensor Location T1～T6—溫度傳感器

其中，以燃氣發生器出口截面半徑R 為基準，T1的插深為0.09R，測量靠近壁面處的溫度；T2、T3 的插深均為0.39R，周向位置不同；T4、T5 的插深均為0.65R，周向位置不同；T6 的插深為0.99R，測量出口中心處的溫度。

不同工況下出口截面處的各測點溫度曲線如圖5所示。由圖5 可知，相對于工況A，由于工況B 下混合比較低，燃氣發生器出口截面處的溫度較低。工況A 下，T2 測點處的溫度最高、T4 測點處的溫度最低；工況B 下，T1 測點處的溫度最高、T2 測點處的溫度最低；同一工況下，相同插深的傳感器測得的燃氣溫度也存在差異，其中工況A 下相同插深傳感器測得的燃氣溫度相對差值較大。這主要是因為：a）不同工況下，噴嘴的流量不同、混合比不同，從而使噴嘴的噴注特性存在差異，同時燃氣在周向方向的湍流流動也存在差異，因此不同工況下燃氣發生器內的溫度分布存在差異；b）同一工況下，雖然傳感器的插深一樣，但對應的噴嘴分布位置存在差異，同時燃氣發生器中各噴嘴間的噴注特性也存在一定差異，因此同一工況下相同插深傳感器測得的溫度存在差異。

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圖5 出口截面溫度變化曲線Fig.5 Temperature Curves of Outlet

為了更好地分析燃氣發生器出口截面處的溫度均勻性水平，選取試驗過程中各溫度測點的平均值進行評估，燃氣發生器出口截面處的溫度均勻性如圖6 所示。由圖6 可知，不同工況下，燃氣發生器出口處的溫度差值均小于30 K，但工況A 下出口截面處的溫度均勻性水平要優于工況B。這可能是因為，相對于工況A，工況B 下推進劑的混合比較低，需要更長的距離進行摻混燃燒。

圖6 出口截面溫度均勻性Fig.6 Temperature Uniformity of Outlet

2.3 燃燒穩定性分析

不同工況下的振動加速度如圖7 所示。由圖7 可知，不同工況下的振動加速度量級相當；但相對于工況A，工況B 下的振動加速度值有所增加，其中軸向振動增加了33.2%，徑向振動增加了24%，切向振動增加了5.7%。

圖7 不同工況下的振動加速度Fig.7 Vibration Acceleration with Different Conditions

不同工況下室壓、氧噴前壓力的相對脈動值如圖8所示。由圖8 可知，不同工況下，室壓的相對脈動值均高于氧噴前壓力相對脈動值；工況A 下，室壓、氧噴前壓力的脈動值小于5%；相對于工況A，工況B 下室壓、氧噴前壓力的脈動值顯著增大，均大于5%，其中室壓相對脈動值增大134%，氧噴前壓力脈動值增大276%。

圖8 不同工況下的脈動值Fig.8 Pulse Value with Different Conditions

圖9～11 分別給出了不同工況下室壓、氧噴前壓力、氫噴前壓力曲線。

圖9 不同工況下的室壓曲線Fig.9 Combustor Pressure Curves with Different Conditions

圖10 不同工況下的氧噴前壓力曲線Fig.10 Oxygen Pressure Curves with Different Conditions

圖11 不同工況下的氫噴前壓力曲線Fig.11 Hydrogen Pressure Curves with Different Conditions

由圖9～11 可知，相對于工況A，工況B 下室壓、氧噴前壓力、氫噴前壓力均存在明顯的規律性脈動，頻率為33 Hz 左右。通過對高頻速變室壓、高頻速變氧噴前壓力頻譜圖分析，室壓、氧噴前壓力均存在明顯的33 Hz 左右的頻率。

綜合以上分析表明，工況A 下，燃氣發生器能夠穩定燃燒，而在工況B 下，燃氣發生器發生了33 Hz左右的低頻不穩定燃燒。這是因為，相對于工況A，工況B 下氧噴嘴的壓降顯著降低，由工況A 下的11.6%降低到4.9%，噴嘴的阻尼特性減小，使得燃氣發生器內的燃燒過程與推進劑供應系統內的流動過程發生了耦合。這說明，對于特定的噴嘴阻尼特性和燃燒室容積設計，超臨界氫/液氧同軸直流式噴嘴存在一個穩定工作的氧噴嘴壓降下限，如果工作環境低于該下限，易激發燃燒不穩定。

2.4 點火定性分析

為了更好地了解超臨界氫/液氧同軸直流式噴嘴在不同工況下的工作特性，對不同工況下的點火延遲時間進行了統計。試驗結果表明：在相同的點火能量下，相對于工況A，工況B 下燃氣發生器的點火延遲了約0.4 s。主要是因為：a）相對于工況A，工況B 下燃氣發生器的流量較小，氫腔和氧腔的填充時間較長；b）在噴嘴幾何結構不變的情況下，工況B 下液氧的流量及壓力均較小，使得液氧的噴注速度較低，導致液氧與氫摻混達到點火混合比的時間較長。