液體火箭發動機隔板研究綜述

李效斯,黃佳琦,逄 凱,李新艷,王寧飛

(北京理工大學, 北京 100081)

0 引言

在液體火箭發動機的發展歷程當中,燃燒不穩定性始終是繞不開的關鍵課題。早在20世紀40年代左右,美國就率先發現了燃燒不穩定的現象[1]。在此后的幾十年間,歐洲、蘇聯的相關研究機構也都陸續遇到了燃燒不穩定的問題,并對其產生機理和解決方案開展了大量的研究[2]。我國在長征系列運載火箭多個型號的研發中也經歷過不穩定燃燒的相關問題[3-4]。

目前,人們普遍認為燃燒不穩定是由于燃燒過程和系統中流體動態過程或聲學振蕩之間耦合而引起的振蕩燃燒現象,發生時伴隨有燃氣壓力、溫度和速度的周期性振蕩[5-6]。目前針對液體發動機中的不穩定燃燒,主流的分類方式是按照耦合機理進行劃分,由于劃分后的結果在振蕩頻率上存在一定規律,因此最終劃分為了低頻、中頻和高頻(聲不穩定、熱聲耦合)不穩定性,相應的頻率范圍、產生機理如表1所示[7]。

表1 液體火箭發動機不穩定燃燒分類

其中,高頻的不穩定現象被認為是燃燒的熱釋放過程與燃燒室聲學相耦合產生[8-9],具體表現為振蕩的頻率與燃燒室聲學頻率相符。這種燃燒不穩定現象所導致的后果相對來說最為嚴重,輕則造成燃燒室內的局部燒蝕,重則造成整個推進系統爆炸[10]。

由于高頻燃燒不穩定與聲學耦合的產生機理以及更強的破壞性,針對這一現象的抑制方法研究自然受到人們的重視。截止目前,在燃燒室內靠近噴嘴處位置安裝特定形狀的隔板仍是抑制高頻燃燒不穩定的最有效方法[11-12]。

1 隔板基本概念

燃燒不穩定性,依據形成的聲波振蕩的傳播方向,可以劃分為縱向和橫向不穩定性等2類。液體火箭發動機相比于固體火箭發動機,由于其燃燒室結構的長徑比更小,燃燒室更易發生橫向燃燒不穩定現象。在圓柱形的腔室中,橫向不穩定性可進一步劃分為徑向熱聲振蕩和周向熱聲振蕩(切向振蕩)。對于徑向熱聲振蕩來說,壓力和速度脈動的幅值會在燃燒室徑向上出現有規律的模態分布;而對周向熱聲振蕩來說,壓力和速度脈動的幅值會沿圓周方向形成有規律的模態分布。

在實際的發動機燃燒室中,純徑向或純周向的燃燒不穩定幾乎不存在。實際發生的橫向燃燒不穩定現象往往是徑向和周向模態的耦合。圖1分別列出了橫向燃燒不穩定中純切向、純徑向以及組合型的前兩階壓力振型和速度振型[1]。

圖1 橫向不穩定燃燒的部分模態

隔板是橫向高頻不穩定的阻尼裝置,如圖2所示。其主要效果是將發生霧化和蒸發的區域分割,提高燃燒室的固有聲頻率,破壞敏感區域中霧化、蒸發和混合的過程與腔室聲場之間的耦合[11-12]。另外,由于渦脫落現象以及隔板上的氣流分離,燃燒釋放的能量會有一部分耗散,雖然對推進系統的性能有一定影響,但也減小了燃燒過程對熱聲耦合現象的激勵,阻尼效果也隨著渦脫落和流動分離而產生[13]。因此,隔板在抑制高頻不穩定的過程中能夠同時影響聲能的增益和阻尼。

圖2 隔板結構和隔板在燃燒室中的位置[14]

2 隔板分類

2.1 實體隔板

實體隔板是最早應用的隔板種類,其具體形式是在噴注面上通過焊接的方式加入一些具有一定形狀和高度的金屬片。20世紀50年代,蘇聯研制出第1個實體隔板。在隨后的幾十年中,美國在發動機設計中廣泛應用了隔板結構。表2和圖3中給出了一些典型發動機的參數及隔板形式[15]。

表2 典型火箭發動機的參數 Table 2 Parameters of typical rocket engines[15]

圖3 典型液體火箭發動機中的隔板形式

在實體隔板的應用過程中,其冷卻問題和占據噴注面積2個主要缺點日益凸顯。隨著液體火箭技術的發展,實體隔板逐漸被分區隔板噴嘴和再生冷卻隔板替代。

2.2 分區隔板噴嘴

分區隔板噴嘴,顧名思義,就是將噴注器中的一部分噴嘴延長,使其在燃燒室中伸出更長的距離,從而代替傳統意義上的實體隔板。美國的航天飛機主發動機SSME和蘇聯的RD-120、RD-170均采用這種形式的隔板。

相較于實體隔板,分區隔板噴嘴用噴嘴代替實體金屬片,變相增加了可用的噴注面積,有助于減少燃燒室直徑;噴嘴中的氧化劑或燃料在噴注過程中也對噴嘴起到了一定的冷卻作用。在抑制熱聲振蕩方面,使用這種形式的噴嘴相較于實體隔板會出現物理間隙,這種噴嘴間的間隙能夠導致振蕩能量的耗散,增強阻尼效果[16-17]。因此,分區隔板噴嘴成為了目前應用比較廣泛的一類隔板。隔板噴嘴結構如圖4所示。

圖4 隔板噴嘴結構

2.3 再生冷卻隔板

為了解決隔板的冷卻問題,另一種思路是參考發動機再生冷卻技術,對實體隔板進行改進,也就是再生冷卻隔板。這種隔板的冷卻介質與分區隔板噴嘴相同,均是利用燃料進行冷卻。常見的再生冷卻隔板結構如圖5所示[15]。

a,c,e-冷卻液引入點;b,d,f-冷卻液引出點

在工作過程中,一部分燃料從3個入口進入,經隔板內部的溝槽流動,并最終流向3個出口,利用燃料自身相對較低的溫度實現冷卻功能。由于燃料不僅實現了對徑向及周向隔板的冷卻,也在后續參與了燃燒過程,因此被稱作再生冷卻。

2.4 縱向肋隔板

縱向肋隔板是用于特定工況下的隔板形式。目前只有蘇聯的聯盟號運載火箭上的第3級RD-0110發動機使用[18]。RD-0110是一種液氧煤油火箭發動機,在開發和驗收測試期間,出現高頻燃燒不穩定性現象,振蕩頻率約為4 kHz,且僅在起動過程中出現[19-20]。出現不穩定燃燒現象時,發動機現有結構已經滿足了工作性能需求,因此需要尋找一種保留現有噴注器設計和啟動程序的方法。最終提出了一種由易燃材料(如工業氈)做成,可粘接在燃燒室內壁高度適中的縱向肋片狀隔板結構[21]。這種可燃隔板能夠在發動機啟動初期有效抑制不穩定燃燒現象,并在后期燃燒消失,不影響發動機正常工作階段,肋隔板結構及其在燃燒室中位置如圖6所示。

圖6 肋隔板結構及其在燃燒室中位置 Fig.6 Structure of the rib and its position in combustion chamber

3 隔板阻尼機理

液體火箭發動機燃燒最劇烈也是最容易發生燃燒不穩定性的區域是在靠近推進劑噴注面的區域[22],而隔板安裝和起到阻尼作用的位置也在此。由于在噴注面附近劇烈而復雜的燃燒反應和高壓高溫的極端環境,早年間對于隔板作用機理的研究進展較為緩慢。目前,主流的隔板阻尼機理有以下3種[23-24]:① 改變燃燒室聲學特性,如振蕩頻率和波形;② 限制隔板葉片之間流體的非定常流動;③ 通過渦脫落和氣流分離等流動過程耗散能量、抑制振蕩。對于分區隔板噴嘴來說,特有的噴嘴間隙會帶來額外的阻尼效果,其主要原因是相鄰的噴嘴在它們的間隙位置處產生了邊界層,邊界層內的粘性力導致了聲能的耗散[17]。

Crocco在1969年提出了關于隔板機理的幾點假設[25]:① 隔板通過限制橫向速度分量和噴注面附近混合區的相關位移來減小燃燒不穩定性的增益;② 隔板的存在阻礙了氣流的通過,最終造成了氣流分離和能量耗散;③ 腔室幾何形狀的改變導致了腔室頻率的改變,當燃燒不穩定性的耦合過程對頻率敏感時,通過特定結構的隔板使腔室聲頻率遠離敏感頻率范圍,就會起到阻尼作用。另外,Crocco還提出了一個隔板設計的關鍵性結論:葉片數為奇數相較于偶數具有更好的阻尼效果。Crocco使用的幾種隔板形式如圖7所示。

圖7 Crocco使用的幾種隔板形式

Combs等[26]提出了2種關于隔板增加燃燒室中聲阻尼的假設:一是認為振蕩的能量被隔板頂端的渦流耗散掉;另一種則認為隔板對流經此處的流體產生阻力,從而增加振蕩能量的耗散。這2種假設從流體運動的角度出發,考慮了渦流、阻力和粘性耗散的效果。Reardon等[1]在研究中也提出了流場相關的觀點,他們認為在噴注過程對速度或位移有較強敏感性的情況下,隔板對橫向振蕩流的保護作用占主導地位。

由于高頻燃燒不穩定的激勵機制與聲學密切相關,有許多研究者針對隔板改變燃燒室聲學特性從而抑制不穩定這一課題開展了大量研究[27-34]。利用數值計算的方法,研究人員分別證實了隔板降低燃燒室內頻率以及改變聲波波形的猜想[35-36]。

關于液體火箭發動機燃燒不穩定性的研究,大部分是在20世紀70年代早期之前取得的,美國和蘇聯在這一時期進行了大量工作[37-38]。但至今在基礎理論方面的研究相對較少[39]。不過得益于數值仿真技術的發展,一系列的猜想通過CFD技術進行了驗證。

Danning You和Vigor Yang進一步細化了隔板阻尼機制的范圍。基于如圖8所示的發動機結構,仿真結果表明,主燃區域(無隔板區域)中的橫波在隔板隔間內轉為縱向的,如果噴注器面附近的流動與燃燒過程對壓力的橫向變化敏感,這可以使燃燒與振蕩運動分離;隔板間的速度受到嚴重限制,較大的速度值和大的速度變化量均發生在隔板的下游。而聲速對燃燒過程有很大影響,例如霧化過程、局部混合比和相鄰噴注器元件的相互作用都對速度變化敏感,這一現象在噴注器面附近尤其明顯(一般是距離噴嘴2～3 mm的位置)[27]。

圖8 Danning仿真所用的帶隔板燃燒室[11]

值得注意的是,隔板結構不僅對燃燒不穩定性現象有阻尼效果,在特殊結構下,也存在增益效果。Quinlan等[40]于2009年發現無粘性隔板結構使推進系統更易發生失穩現象。Danning等[27]也發現隔板存在至少一種可能激發不穩定燃燒的因素,例如噴注面附近聲壓的集中。Kirkpatrick[41]通過仿真發現,與無粘性的隔板相比,粘性隔板導致的能量耗散提高了系統整體的燃燒穩定性,進一步證實了粘性耗散是隔板阻尼的主要機理之一。

Lioi、Vigor Yang等[42]對富氧的分級燃燒室的主燃燒室進行了全面的線性聲學分析,采用的理論基礎是聲波方程導出的守恒方程,物理模型是RD-170的主燃燒室,考慮了所有幾何結構的影響,其中包括隔板噴嘴對燃燒室聲學特性的影響。通過文中建立的理論方程展開了數值計算,并對有無隔板的計算結果進行了比較。結果表明,隔板的加入降低了振蕩的頻率,并導致噴注器面附近出現了聲壓的集中和聲波的縱向化。

國內針對隔板的研究集中于2個方向:一類是隔板對燃燒過程的影響,另一類則是隔板的結構尺寸(隔板數量、隔板分布、隔板長度、隔板厚度等)對聲學特性的影響,也取得了一系列的研究成果[43-51]。但在針對隔板阻尼機制的研究上,仍有許多空白。

尕永婧[23]使用如圖9所示的燃燒室模型展開CFD仿真研究。結果發現,隔板可以有效抑制燃燒室內的高頻壓力振蕩過程,它的作用機理并非消除“振源”,而是通過影響可燃氣體的局部混合并遮蔽“振源”區之間的相互耦合作用來降低“振源”的發聲頻率,或通過與隔板壁面的碰撞來衰減由“振源”產生的“壓力峰”的傳播過程;隔板的加入改變了燃燒室的聲學特性,增大了激勵燃燒不穩定所需的能量,因而能夠抑制高頻燃燒不穩定性。

圖9 尕永婧等使用的燃燒室模型[7]

許曉勇等[44]通過CFD技術模擬了隔板對氫氧推力室不穩定燃燒的抑制作用,針對無隔板和一周三徑隔板2種狀態,通過在噴嘴處施加流量擾動模擬不穩定燃燒的壓力振蕩。計算結果發現,帶隔板后壓力振幅從無隔板狀態的17.4%降低到7.4%,預測了隔板對燃燒振蕩的抑制作用,其機理為增加隔板后推力室的一階切向聲學振型發生改變,從而對一階切向振型的阻尼能力改變。

文獻[52]對液氧煤油火箭發動機當中的隔板噴嘴和實體隔板的阻尼性能進行了研究和比較。對液體火箭發動機的高頻不穩定燃燒進行了數值模擬,分析了高頻不穩定燃燒的機理。結果表明,壓力與熱釋放是同步振蕩的,符合瑞利準則;隔板噴嘴能夠完全抑制壓力振蕩,而其他2種實體隔板則不能。認為隔板噴嘴的額外阻尼效果來源于相鄰2個噴嘴之間的粘性耗散,噴嘴間隙為0.2 mm時可獲得最佳阻尼效果。

綜上所述,在20世紀70年代前后,針對隔板與燃燒不穩定問題的基礎理論研究取得了重要突破。隨著計算機技術與計算流體力學理論的發展,使得對流動、燃燒等復雜過程的數值仿真成為了可能,也使得針對高頻不穩定與隔板阻尼機制的研究重新獲得了關注。

4 隔板結構設計

早期的隔板設計缺少理論支撐,因此極度依賴于熱試車。美國F-1液氧煤油火箭發動機為了解決高頻的燃燒不穩定問題,針對噴注系統和隔板結構進行了2 000次以上的全尺寸熱試車[21]。這種方式極度耗費財力物力,也說明對隔板結構的設計進行研究是十分必要的。

針對隔板的設計,不同的設計參數:葉片高度、葉片數量、葉片長度、葉片厚度、隔板的對稱性等都需要單獨進行分析。

4.1 葉片數量

隔板的特性在很大程度上取決于其改變燃燒室聲學特性的能力,因此隔板葉片的數量主要取決于對應的燃燒室結構最容易觸發的聲振模態。具有奇數個葉片(單個葉片除外)的隔板,對小于該葉片數的聲模態都有很好的抑制效果。這是一個簡化隔板布置所需的最小葉片數原則[1]。不同數量的葉片以及對應的振蕩模態如圖10所示。

圖10 不同數量的葉片以及對應的振蕩模態[1]

有相關研究證明,針對某一特定振型,提高隔板的葉片數目,聲壓振蕩的衰減率會隨之提高[41]。但隔板葉片數目的提高會增加推進系統的整體質量,在實際應用中,應盡量采取較少的葉片數來滿足阻尼需求。葉片數量對振蕩衰減率的影響如圖11所示。

圖11 葉片數量對振蕩衰減率的影響[1]

馬列波等[53]為了分析隔板片數量對燃燒不穩定性的影響,采用歐拉-拉格朗日方法對液體火箭發動機燃燒室內的兩相燃燒過程進行了數值模擬。結果表明:無隔板時最大壓力振蕩幅值達到了燃燒室平均室壓的20%,在1輪轂3徑向、1輪轂4徑向及1輪轂6徑向等3種工況下,隔板均能對無隔板工況下燃燒室中存在的高頻不穩定燃燒進行抑制,燃燒室內最大壓力振蕩幅值分別降為平均室壓的4.5%、5%和5%。在影響燃燒室內壓力振蕩劇烈程度的3種因素中,壓力擾動是否全部處于隔板影響區域之內起到的作用最大,壓力振蕩與釋熱波動之間的相位耦合程度起到的作用次之,壓力擾動的強度起到的作用最小。

4.2 葉片高度

葉片高度指的是隔板葉片沿徑向延伸的距離。從目前的研究來看,隨著葉片高度的提高,一階切向模態的振幅逐漸減小,但其他模態的振幅會隨之增大[40]。在實際應用當中,由于隔板存在冷卻問題,隔板的高度不宜過高。圖12和圖13分別展示了試驗中使用的不同高度隔板和隔板高度對一階切向模態振幅的影響。

圖12 不同高度的隔板葉片[40]

圖13 隔板葉片高度對一階切向模態的影響[40]

4.3 葉片長度

葉片長度指的是隔板葉片從噴注面向噴管方向延伸的距離。如圖14所示,隨著葉片長度的提高,切向振型的頻率和振幅都會隨之下降,其主要機制為切向振型的縱向化,且縱向化趨勢隨葉片高度的增加而加劇[54-55]。不考慮其他因素時,可以認為隔板葉片越長,阻尼效果越好。但在應用過程中,過長的隔板將可能帶來復雜的結構和冷卻問題。

圖14 隔板葉片長度對1L/1T/2T模態聲頻率的影響[3]

針對葉片長度對阻尼效果的影響,也有研究者提出了不同看法。樊曉波[55]利用三維模型展開了有限元分析,證明隔板長度的增加會導致結構振動與聲模態的耦合,使得燃燒室腔內的聲壓頻響在低頻的振幅增大,說明了隔板的長度不宜過長。尕永婧利用圖9所示的燃燒室模型探究了隔板葉片長度對不穩定燃燒的影響。本文中利用長度分別為3、6、10 cm的隔板進行仿真,結果如圖15所示,發現10 cm的隔板室中存在壓力波的橫向傳播,從而證明了葉片長度并非越長越好,而是存在一個最佳長度區間[7]。

圖15 燃燒室內壓力波的傳播(10 cm隔板)[7]

4.4 葉片厚度

葉片厚度對燃燒室聲學的影響相對較小。曹晨等[3]通過數值仿真的方式,發現增大隔板葉片的厚度,一方面會減小燃燒室氣體體積,導致聲學頻率的提高,另一方面由于隔板阻礙了聲波的直接傳播,從而降低了聲學頻率,隔板厚度對聲學的效果是這2個方面共同作用的效果。對于低階振型,兩者效果相當,對于高階振型,聲學頻率降低的效果更為顯著。

4.5 隔板的對稱性

20世紀70年代左右,在美國曾有過隔板對稱性對阻尼效果影響的研究。有試驗證明使用非對稱隔板具有更好的燃燒穩定性,他們認為,不對稱放置的隔板將在更寬的頻率范圍內“分散”產生的能量[56]。然而,后續的一些研究發現,相同葉片數的非對稱隔板和對稱隔板在各種噴嘴的總體穩定性特性方面沒有顯著差異[29]。顯然,在隔板對稱性對不穩定燃燒的確切機理確定之前,還需要進行更多的研究工作。

4.6 噴嘴間隙

噴嘴間隙對燃燒不穩定性現象也具有一定的抑制效果。研究發現,存在一個最優噴嘴間隙使聲阻尼最大。Lee等[57]通過實驗和仿真的方式確定并驗證了最佳的噴嘴間隙在0.1～0.2 mm。

李敬軒[58]通過COMSOL數值仿真方法,從聲能耗散角度研究了熱粘性效應下不同隔板噴嘴間隙、直徑、頻率對聲能耗散的影響規律。結果表明,熱粘性在隔板噴嘴吸聲中起到關鍵性作用;存在最佳隔板噴嘴間隙,使得隔板噴嘴的吸聲效果最好;隨著隔板噴嘴直徑的增加,最佳聲能耗散呈現遞減趨勢,最佳隔板噴嘴間隙呈現遞增趨勢;隨著聲波頻率的增加,最佳聲能耗散和最佳隔板噴嘴間隙均呈現遞減趨勢。隔板噴嘴聲學系統如圖16所示。

圖16 隔板噴嘴聲學系統[10]

在后續研究中,李敬軒[10]通過試驗證明:對于給定的噴嘴間隙,其最大聲吸收率與擾動頻率、噴嘴直徑、環境溫度、環境壓力相關。為便于對最佳噴嘴間隙進行分析和設計,提出了標準化最小間隙和標準化頻率St,指出當標準化頻率St>0.1時,能實現最大聲吸收率的標準化最小間隙為恒定值1.7,這與擾動頻率、噴嘴直徑、環境溫度、環境壓力等無關。

5 結論

截止目前,許多火箭型號當中存在的燃燒不穩定問題依靠隔板得以解決。國內外針對液體火箭發動機中隔板的作用機理、結構形式等進行了廣泛的研究,也取得了一些進展。然而,由于燃燒室內的復雜性以及熱聲耦合的機理尚不明確,關于隔板抑制不穩定燃燒的確切機理仍沒有統一的答案。基于上述問題,本文提出以下幾點展望:

1) 關于隔板噴嘴的最優隔板型式以及噴嘴高度的研究相對較少,隔板噴嘴的設計工作缺乏理論指導;

2) 推力調節過程中工況參數對有隔板結構的推力室聲學特性的影響尚不明確,需要進一步開展相關研究;

3) 隔板的設計缺乏系統方案,很大程度上依賴于大規模熱試車試驗,如何提高仿真的可靠性和準確性,并將仿真與試驗有機結合將是隔板應用研究的關鍵;

4) 隨著計算機技術的高速發展,CFD數值仿真技術將成為研究隔板問題的重要途徑之一,結合理論研究和實驗驗證,理解隔板阻尼作用的確切機理是未來隔板技術發展和成熟應用的關鍵所在。