高壓低混合比氫氧預燃室出口溫度均勻性分析

潘 剛，牛旭東，潘 亮，鄭孟偉，孫紀國，丁兆波

(1.北京航天動力研究所，北京 100076； 2.航天推進技術研究院，陜西 西安 710100)

0 引言

氫氧發動機由于具有高性能、環保無污染等優點，在國內外的運載火箭中占有重要地位[1-2]。為了滿足載人登月、深空探測等大型宇航任務的需求，需要開展220 tf級大推力氫氧發動機的研制[3-4]。預燃室作為補燃循環氫氧發動機的關鍵組件，其出口燃氣溫度均勻性的優劣直接影響渦輪泵葉片的工作可靠性[5]。

出口燃氣溫度均勻性作為預燃室或燃氣發生器的關鍵特性，國外氫氧發動機在研制過程中對其極為重視。美國的J-2氫氧發動機燃氣發生器采用了擾流環以及彎頭結構來保證出口燃氣溫度的均勻性[6]。SSME(space shuttle main engine)預燃室主要采用了噴嘴均勻布置的方式來保證燃氣溫度的均勻分布，但在發動機的研制過程中遇到了大量渦輪葉片斷裂、金屬燒蝕等問題，經分析該問題可能是由于燃氣溫度分布不均勻導致，為此進行多次試驗獲取了渦輪入口處的溫度分布情況，結果表明渦輪葉片處局部存在1 280 K左右的高溫區，比預期值高幾百K[7-8]。RS-68氫氧發動機燃氣發生器采用了彎頭結構來保證出口燃氣溫度的均勻性，并進行了相應試驗對其性能進行評估[9]。J-2X氫氧發動機燃氣發生器是基于RS-68發動機設計而成，并將出口燃氣溫度均勻性作為設計指標，通過試驗考核了不同噴嘴數量、燃燒室長度、出口結構等因素對燃氣溫度均勻性的影響[10-13]。歐洲的VULCAIN/VULCAIN2氫氧發動機燃氣發生器為了確保出口燃氣溫度均勻性能夠達到±50 K的設計要求，采用了擾流環、彎頭結構，并通過縮尺試驗的方式獲得了不同氫氧噴注速度、氧噴嘴縮進深度、噴嘴流量、噴嘴壓降、室壓、混合比等條件下的溫度均勻性[14-20]。日本的LE-7氫氧發動機預燃室通過高壓擠壓試驗對出口燃氣溫度均勻性進行了評估，混合比范圍為0.7～0.9，室壓范圍為1～15 MPa，試驗結果表明LE-7預燃室的出口燃氣溫度的變化范圍在70 K以內[21-22]，并在LE-7預燃室的基礎上優化設計了LE-7A預燃室[23]。蘇聯的RD0120氫氧發動機為了確保出口燃氣溫度均勻性符合要求，采用了整流柵結構，最終出口燃氣溫度均勻性達到了±70 K左右[5，24-25]。

綜上所述，國外氫氧發動機預燃室或燃氣發生器一方面在結構設計方面保證出口燃氣溫度均勻性能夠滿足要求，另一方面通過試驗的方式對出口溫度均勻性指標進行評估及優化。上述研究是針對特定結構進行的，然而相對于國外氫氧發動機燃氣發生器或預燃室，220 tf級氫氧發動機預燃室在尺寸、流量、壓力等參數方面均存在變化。為確保220 tf預燃室的出口燃氣溫度均勻性滿足±50 K的設計要求，需要開展結構參數、工況參數等對出口燃氣溫度均勻性的影響研究。因此，本文通過縮尺預燃室試驗方式，研究了縮進深度比、擾流結構、工況等因素對高壓低混合比預燃室出口燃氣溫度均勻性的影響,并進一步通過全尺寸預燃室試驗方式驗證了設計方案的合理性。該工作可為大推力氫氧發動機的研制提供技術指導。

1 試驗裝置及系統

為了保證出口燃氣溫度均勻，全尺寸預燃室采用了擾流環以及90°拐彎結構。噴注器采用了同軸直流式噴嘴與同軸離心式噴嘴的組合方案，采用同心圓排列方式，最外圈為同軸直流式噴嘴，其余圈為同軸離心式噴嘴，其中同軸離心式噴嘴的流量設計值為同軸直流式噴嘴的2倍。同軸直流式噴嘴的氧噴嘴為直流型式，同軸離心式噴嘴的氧噴嘴為離心型式，氫噴嘴均為直流型式。在全尺寸預燃室的基礎上，設計了縮尺預燃室。縮尺預燃室噴注器由1圈6個噴嘴組成，噴嘴結構與全尺寸預燃室保持一致，其中噴注器共有4種方案：3種縮進深度比α不同的同軸離心式噴嘴方案和1種同軸直流式噴嘴方案。縮尺預燃室同樣采用了擾流環及拐彎結構，擾流環的節流面積比、拐彎的角度均與全尺寸預燃室保持一致。預燃室模型及試驗時的照片如圖1所示，噴嘴示意圖如圖2所示。縮進深度比α的定義為氧噴嘴縮進深度L與氧噴嘴出口內徑D的比值，縮進深度比α分為0.43、0.64、0.85。

圖1 預燃室模型及試驗

圖2 噴嘴示意圖

為了更好地分析不同影響因素對燃氣溫度均勻性的影響，在縮尺預燃室不同截面位置均布置了熱電偶傳感器，用于測量試驗過程中燃燒室內燃氣的溫度，并選取3個截面的溫度測量數據進行分析。擾流環前截面A、擾流環后-拐彎前截面B、拐彎后截面C，截面位置示意圖如圖3所示。截面A、B、C處的傳感器代號分別為TA、TB、TC。熱電偶傳感器的測點位置示意圖如圖4所示。假設傳感器所處截面的燃燒室半徑為R，TA1、TB1的插深均為0.15R，TA2/3、TB2/3的插深均為0.37R，TA4/5、TB4/5的插深為0.71R，TA6、TB6的插深均為R；TC1的插深為0.09R，TC2/3的插深均為0.39R，TC4/5的插深均為0.65R，TC6的插深為0.99R。

圖3 溫度測量截面示意圖

圖4 測點位置示意圖

縮尺預燃室擠壓試驗采用了高壓擠壓試驗系統，該系統主要包括氫氧貯箱、氫氧主閥、氫氧泄出閥、點火器、縮尺預燃室以及測量系統，試驗系統示意圖如圖5所示。

圖5 試驗系統示意圖

2 試驗結果及分析

2.1 縮進深度比對燃氣溫度均勻性的影響

為了更好地評估縮進深度比α的影響，排除擾流環以及拐彎結構的影響，只對截面A處的燃氣溫度均勻性進行了對比分析。燃氣溫度均勻性隨縮進深度比的變化如圖6所示，其中燃氣溫度均勻性采用溫度差值ΔT來表征，具體計算方式如式(1)所示；本文以截面最高溫度Tmax和截面最低溫度Tmin的平均值為基準，溫度差值ΔT表示圍繞基準值波動的范圍。

圖6 縮進深度比對燃氣溫度均勻性的影響

(1)

由圖6可知:隨著α的增加，燃氣溫度均勻性逐漸提高。這說明，在燃燒室長度相同的情況下，增大α有助于改善出口燃氣的溫度均勻性。這主要是因為氧噴嘴縮進深度增加，增加了氫氧的預混長度，使得氫氧的燃燒距離縮短，進而增大了燃氣的混合距離，有助于提高燃氣溫度均勻性。

截面A處不同測點溫度值如圖7所示。由圖可知:隨著α的增加，截面A處最高溫度呈現下降趨勢，最低溫度呈現上升趨勢。這也說明，在本文的研究工況下，增大α有助于燃燒室內燃氣溫度均勻性的提高。由圖還可知：同一縮進深度比α下，相同插深傳感器測得的燃氣溫度存在差異；不同縮進深度比α下，最高溫度、最低溫度的測點位置不同。這主要是因為：同一α下，相同插深傳感器對應的噴嘴分布位置不一樣，同時縮尺預燃室中各噴嘴間的噴注特性也不完全一樣，因此導致相同插深傳感器所測溫度存在一定差異，這與文獻[26-28]的研究結果類似；不同α下，噴嘴出口處氫氧間的著火點不同，同時噴嘴下游的燃燒場分布也存在一定差異，文獻[29]的試驗結果也表明噴嘴縮進深度會影響下游火焰的分布，而火焰分布與燃氣溫度分布相對應，因此導致不同α下呈現最高溫度、最低溫度的測點不同。

圖7 截面A處的溫度值

2.2 擾流結構對燃氣溫度均勻性的影響

為了保證出口燃氣溫度均勻性滿足設計要求，全尺寸預燃室采用了擾流環及拐彎結構，并通過縮尺預燃室試驗方式對擾流環和拐彎結構的擾流均溫效果進行了考核。圖8給出了不同壓力、混合比下擾流環和拐彎結構對出口燃氣溫度均勻性的影響。其中，針對不同工況，為了更好地對比不同結構的均溫效果，引入了無量綱參數δ，定義為均溫系數，如式(2)所示。

圖8 擾流環與拐彎結構對出口溫度均勻性的影響

(2)

式中：ΔTS為上游截面的溫度差值；ΔTX為下游截面的溫度差值。

圖中：δA-B為截面A到截面B的均溫系數，表征擾流環結構的均溫效果；δB-C為截面B到截面C的均溫系數，表征拐彎結構的均溫效果；δA-C為截面A到截面C的均溫系數，表征擾流環與拐彎結構共同的均溫效果；LA-B、LB-C、LA-C分別為δA-B、δB-C、δA-C的趨勢線。

由圖8可知，在本文的試驗工況參數下，隨著室壓、混合比的升高，δA-B、δA-C均呈現逐漸升高趨勢，δB-C呈現逐漸下降趨勢。說明室壓、混合比的升高有助于提高擾流環結構的均溫效果。由圖還可知：對于同軸離心式噴嘴方案，在室壓7.7～15.4 MPa、混合比0.6～0.86范圍內，δA-B的變化范圍為29.5～70，δB-C的變化范圍為10.8～63.2，δA-C的變化范圍為54.8～89。這說明相對于單獨的擾流環結構，擾流環與拐彎結構共同作用下的均溫效果更好，可以使得燃燒室內的溫度均勻性提高54.8～89。

2.3 工況變化對燃氣溫度均勻性的影響

圖9 不同工況下的燃氣溫度均勻性

(3)

式中：τ為燃氣停留時間，s；V為燃燒室容積，m3；ρ為燃氣的平均密度，kg/m3；q為推進劑質量流量，kg/s。

2.4 全尺寸預燃室均勻性分析

在縮尺試驗驗證全尺寸設計方案合理有效的基礎上，進行了全尺寸預燃室高壓擠壓試驗，進一步驗證設計方案的合理性。全尺寸預燃室的高壓擠壓試驗系統與縮尺預燃室擠壓試驗系統類似。不同之處在于，全尺寸預燃室出口分為氫渦輪側出口和氧渦輪側出口。全尺寸預燃室2個出口分別布置了不同插深的熱電偶傳感器，用于考核出口燃氣的溫度均勻性。全尺寸預燃室進行了多次高壓擠壓試驗，室壓為7.7～13.4 MPa，混合比為0.61～1.09。試驗結果表明，氫、氧渦輪側出口的燃氣溫度均勻性均在±50 K范圍內，滿足設計要求，同時氧渦輪側出口的燃氣溫度均勻性更優。

在全尺寸預燃室高壓擠壓試驗指標滿足設計要求的情況下，與氫氧渦輪泵組合共同進行了半系統試驗，進一步通過真實產品考核了預燃室的出口燃氣品質。以室壓為參照，半系統試驗預燃室室壓達到全系統額定工況的53，超過歷次高壓擠壓試驗。試驗結果表明，氫氧渦輪葉片完好，未發生燒蝕等故障。這說明，全尺寸預燃室采取的擾流均溫措施有效，出口燃氣溫度均勻性能夠滿足渦輪泵的工作要求。

3 結論

本文通過試驗方式，研究了不同因素對預燃室出口溫度均勻性的影響。在本文的研究工況范圍內，得到以下幾點結論。

1)隨著縮進深度比α的增大，燃氣溫度均勻性逐漸提高。

2)隨著室壓、混合比的升高，擾流環結構的均溫效果呈升高趨勢，但拐彎結構的均溫效果呈現下降趨勢；擾流環和拐彎結構的組合方案可使燃氣的溫度均勻性提高54.8～89。

4)當采用擾流環及90°拐彎結構時，全尺寸預燃室的出口燃氣溫度均勻性小于±50 K，同時相對于氫渦輪側出口，氧渦輪側出口的燃氣溫度均勻性更優。