多排徑向通道直流噴嘴的聲學特性試驗研究

劉 倩，丁兆波，潘 亮，王洋洲，孫紀國

（北京航天動力研究所，北京，100076）

0 引 言

燃燒不穩定性是液體火箭發動機研制過程中經常遇到的重大技術問題。大推力高壓補燃循環發動機燃燒室尺寸顯著增加，燃燒室發生高頻燃燒不穩定的傾向會大大增加。噴注耦合聲學不穩定性是同軸式噴注單元聲學振型的典型特性，如果氧噴嘴的諧振頻率和燃燒室的聲學振型一致，就可能產生不穩定性，其中氧噴嘴決定了振蕩頻率；當噴嘴頻率與燃燒室頻率各振型錯開，可以實現聲學錯頻[1]。

Byoung-Do[2]利用數值手段研究了燃燒室壓力振蕩對同軸直流噴嘴高頻動力學不穩定的影響。吳偉亮[3]等利用CFD方法研究了直流噴嘴內部流場情況，并給出了噴嘴流量隨壓力脈動的變化規律。王楓[4]等研究表明噴嘴長度、縮進室長度和通道節流嘴直徑對高頻燃燒不穩定性裕量有很大影響，并存在相對最佳值。楊立軍等人在巴扎羅夫的研究基礎上，討論了敞口型離心式噴嘴的動態特性[5]，分析了結構參數[6]、切向通 道[7]等對敞口型離心式噴嘴動力學特性的影響。

高壓補燃循環推力室頭腔采用燃氣腔在上、氧腔在中間、氫腔在下的結構，氧噴嘴為多排徑向通道直流噴嘴結構，與傳統直流氧噴嘴結構存在明顯差異。目前，國內外文獻缺乏對補燃循環氫氧發動機中異型結構直流噴嘴的噴嘴聲學特性的相關研究。本文通過試驗技術手段測量和分析噴嘴在靜止常溫空氣條件下的固有聲學頻率、振型及對突出頻率的阻尼系數，研究不同噴嘴結構參數等對噴嘴聲學特性的影響規律，并建立相應的經驗關系式，為抑制噴注耦合不穩定的發生奠定基礎。

1 試驗系統

試驗系統主要包括試驗件、電動氣流揚聲器、號筒、傳聲器、測試導管、數據采集系統、信號控制儀、功率放大器等。為了便于開展試驗研究，將噴嘴成比例放大。噴嘴試驗時，將電動氣流揚聲器和號筒安裝于噴嘴中部徑向位置作為產生聲源的激勵源，用密封條進行密閉處理，揚聲器的控制信號由控制儀產生電信號經功率放大器后輸入。帶有傳聲器的測試導管從噴嘴另一端探入腔體內，保證其在聲腔內可沿軸向、 上下、左右移動。傳聲器感應的脈動壓力信號經傳聲器電源變換為電信號輸入到數據采集系統，完成數據的測試、存儲及分析。試驗時通過改變徑向通道孔徑d、徑向通道數量n、徑向通道長度h、噴嘴長度L（有效長度L′）來進行聲學特性差異性研究，試驗裝置如圖1所示。噴嘴試驗件工況匯總如表1所示。

圖1 噴嘴結構及系統示意 Fig.1 Nozzle Structure and System Diagram

表1 噴嘴試驗件狀態匯總 Tab.1 Status Summary of Test Nozzles

2 試驗結果分析

2.1 噴嘴聲學試驗過程

狀態6的詳細研究過程如圖2所示。結果表明，在噴嘴中僅存在軸向振型，因此，在后續狀態的噴嘴聲學研究中，僅研究噴嘴的軸向振型。

圖2 噴嘴聲學振型圖（狀態6）Fig.2 Acoustic Mode Diagram of Nozzle

續圖2

2.2 噴嘴聲學特性結果分析

噴嘴熱試狀態時的一階軸向頻率計算公式為

式中f熱試為熱試驗時噴嘴聲學頻率；f常溫為常溫試驗時噴嘴試驗件聲學頻率；vfuel為熱試驗時推進劑聲速；vair為常溫試驗時空氣的聲速；N為噴嘴試驗件的放大倍數。

2.2.1 噴嘴結構對聲學特性的影響

當保持噴嘴徑向通道總面積不變時，隨著徑向通道孔徑增加，徑向通道數量相應減少，由圖3a可知，一階軸向頻率有變化，在徑向通道數量減少時，隨著徑向通道孔徑增加，一階軸向頻率降低，衰減時間變長，一階軸向振型的阻尼能力有所降低。由圖3b可知，隨著徑向通道數量的增加，噴嘴的一階軸向頻率升高，且增加基本呈線性變化。由圖3c可知，隨著徑向通道長度的加長，一階軸向頻率降低，而衰減時間也減小，由此可見隨著徑向通道長度的增加，一階軸向頻率阻尼能力有所提高。由圖3d可知，隨著噴嘴長度加長，一階軸向頻率降低。

圖3 不同氧噴嘴結構的影響 Fig.3 Influence of Different Oxygen Nozzle Structures

2.2.2 影響規律分析

圖4為不同徑向通道孔徑的對比，其中等孔徑中徑向通道孔徑尺寸均為18 mm，變孔徑中從左到右徑向通道孔徑尺寸分別為 25.5 mm、18 mm、14.7 mm、12.7 mm。從圖4中可知，在一定的徑向通道孔長度和數量下，通道孔徑越大，噴嘴聲學頻率越高。結合圖3c可知，在一定的徑向通道孔徑和數量下，徑向通道長度越長，噴嘴聲學頻率越低。由此可知，噴嘴徑向通道的長度h和直徑d均為影響噴嘴聲學頻率的關鍵結構參數。

圖4 不同徑向通道孔徑的對比 Fig.4 Comparison of Different Radial Channel Diameters

由圖3b可知，在噴嘴長度一定、徑向通道長徑比相同的情況下，隨著徑向通道數量的增加，噴嘴頻率逐漸升高。由此可以推斷，噴嘴頻率不僅受噴嘴實際長度的影響，同時與徑向通道距噴嘴出口的折合距離有關，這是由于徑向通道為開口端，可看作敞開邊界，這將減小噴嘴的有效管長。靠近噴嘴出口的徑向通道軸線距噴嘴出口的距離為噴嘴有效長度L"是影響多排徑向通道直流噴嘴聲學頻率的另一關鍵參數。

無量綱噴嘴長度、徑向通道長徑比對直流式噴嘴一階頻率的影響規律如圖5所示，根據試驗結果，建立了無量綱噴嘴長度、徑向通道長徑比與噴嘴頻率f間的函數經驗關系式：

式中L*為無量綱噴嘴長度，L*=L"/L；h*為徑向通道長徑比，h*=h/d。

圖5 頻率與無量綱參數的關系 Fig.5 Relationship between Frequency and Dimensionless Parameters

續圖5

利用式（2）對不同噴嘴頻率進行計算并與試驗結果對比，見表2。由表2可知，計算結果與試驗結果誤差較小，可用于多排徑向通道直流噴嘴頻率的預估。

表2 計算結果與試驗結果對比 Tab.2 Comparison between the Calculated Results and the Experimental Results

3 結 論

通過試驗研究了常溫狀態下多排徑向通道直流噴嘴的聲學特性，并對噴嘴進行了聲模態測試以及聲學阻尼分析，研究了徑向通道孔徑d、徑向通道數量n、徑向通道長度h及噴嘴長度L對噴嘴聲學特性的影響規律。結論如下：

a）隨著徑向通道孔徑、徑向通道長度和噴嘴長度的增加，噴嘴聲學頻率逐漸降低；隨著徑向通道數量的增加，噴嘴聲學頻率逐漸升高；

b）影響噴嘴頻率的關鍵參數分別為徑向通道長徑比和有效噴嘴長度；

c）建立了無量綱噴嘴長度和徑向通道長徑比與噴嘴一階頻率間的經驗關系式，為徑向通道直流噴嘴的聲學頻率預估提供依據，為噴嘴的設計奠定了基礎。