大流量低混合比氫氧噴嘴變工況燃燒特性研究

潘 剛，牛旭東，丁兆波，孫紀(jì)國(guó)

（北京航天動(dòng)力研究所，北京，100076）

0 引 言

國(guó)外學(xué)者對(duì)燃?xì)獍l(fā)生器噴嘴在變工況下的燃燒特性進(jìn)行了相應(yīng)試驗(yàn)研究。Vulcain 發(fā)動(dòng)機(jī)研制人員為了優(yōu)選燃?xì)獍l(fā)生器的噴嘴結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了縮比燃?xì)獍l(fā)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(jìn)口溫度40 K、液氧進(jìn)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(shù)[2]。LE-7發(fā)動(dòng)機(jī)研制人員在混合比0.7～0.9、室壓1～15 MPa條件下獲得了燃?xì)獍l(fā)生器的溫度均勻性、燃燒穩(wěn)定性等性能參數(shù)[3]。J-2X 發(fā)動(dòng)機(jī)研制人員針對(duì)61 個(gè)噴嘴和43 個(gè)噴嘴兩種不同方案的燃?xì)獍l(fā)生器進(jìn)行了性能考核試驗(yàn)，同時(shí)也進(jìn)行了對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)推力在1307 kN、1067 kN 工況下的性能考核試驗(yàn)[4,5]。然而，中國(guó)針對(duì)用于大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器的氫氧噴嘴試驗(yàn)研究較少，尤其是氫氧噴嘴在變工況下的相應(yīng)性能試驗(yàn)研究較為欠缺。

本文針對(duì)大流量低混合比氫氧噴嘴，設(shè)計(jì)了一種燃?xì)獍l(fā)生器，開展了噴嘴變工況下的燃燒特性試驗(yàn)研究，獲得了燃燒效率、溫度均勻性、燃燒穩(wěn)定性、點(diǎn)火特性等重要性能參數(shù)。該工作可為具備推力調(diào)節(jié)功能的大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器的研制提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)工況

燃?xì)獍l(fā)生器試驗(yàn)為高壓低溫系統(tǒng)擠壓試驗(yàn)。燃?xì)獍l(fā)生器試驗(yàn)的系統(tǒng)示意如圖1 所示。試驗(yàn)系統(tǒng)中液氧和液氫來自高壓低溫儲(chǔ)箱，其中液氫流經(jīng)管路進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)生器時(shí)已變?yōu)槌R界狀態(tài)。燃?xì)獍l(fā)生器噴注器共有6 個(gè)同軸直流噴嘴，同軸直流噴嘴的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。該噴嘴與SSME 預(yù)燃室[6]、Vulcain 燃?xì)獍l(fā)生器[7]噴嘴結(jié)構(gòu)類似，中間為氧噴嘴，外側(cè)為氫噴嘴。

圖1 燃?xì)獍l(fā)生器試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic of the Gas Generator Experiment System

圖2 同軸直流噴嘴結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic of the Shear Coaxial Injector

燃?xì)獍l(fā)生器試驗(yàn)時(shí)不同工況下的測(cè)量參數(shù)如表1所示。由表1 可知，以工況A 為基準(zhǔn)，燃?xì)獍l(fā)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?xì)獍l(fā)生器單噴嘴流量達(dá)到了0.26 kg/s，遠(yuǎn)高于Vulcain 燃?xì)獍l(fā)生器單噴嘴流量0.141 kg/s[8]，與LE-7 燃?xì)獍l(fā)生器單噴嘴流量0.241 kg/s[3]、SSME 燃?xì)獍l(fā)生器單噴嘴流量0.262 kg/s[9,10]水平相當(dāng)。

表1 試驗(yàn)工況Tab.1 Experiment Conditions

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 燃燒效率分析

不同工況下燃?xì)獍l(fā)生器的燃燒效率如圖3 所示。由圖3 可知，在同一噴嘴結(jié)構(gòu)下，不同工況下的燃燒效率均維持在較高水平，但隨著試驗(yàn)工況的降低，燃?xì)獍l(fā)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?yàn)椋合鄬?duì)于工況A，工況B 屬于燃?xì)獍l(fā)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?xì)獍l(fā)生器一般要保證出口溫度均勻，避免燃?xì)饩植繙囟壬?，燒蝕渦輪葉片。為了考核燃?xì)獍l(fā)生器的出口溫度均勻性，在出口截面共布置了6 個(gè)溫度傳感器，分為4 種插深，身部傳感器溫度測(cè)點(diǎn)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?xì)獍l(fā)生器出口截面半徑R 為基準(zhǔn)，T1的插深為0.09R，測(cè)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(cè)量出口中心處的溫度。

不同工況下出口截面處的各測(cè)點(diǎn)溫度曲線如圖5所示。由圖5 可知，相對(duì)于工況A，由于工況B 下混合比較低，燃?xì)獍l(fā)生器出口截面處的溫度較低。工況A 下，T2 測(cè)點(diǎn)處的溫度最高、T4 測(cè)點(diǎn)處的溫度最低；工況B 下，T1 測(cè)點(diǎn)處的溫度最高、T2 測(cè)點(diǎn)處的溫度最低；同一工況下，相同插深的傳感器測(cè)得的燃?xì)鉁囟纫泊嬖诓町?，其中工況A 下相同插深傳感器測(cè)得的燃?xì)鉁囟认鄬?duì)差值較大。這主要是因?yàn)椋篴）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(shí)燃?xì)庠谥芟蚍较虻耐牧髁鲃?dòng)也存在差異，因此不同工況下燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)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(duì)應(yīng)的噴嘴分布位置存在差異，同時(shí)燃?xì)獍l(fā)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(cè)得的溫度存在差異。

任何時(shí)代環(huán)境下女性都是相對(duì)于男性而言更為敏感的群體，她們是時(shí)代社會(huì)發(fā)展的導(dǎo)向標(biāo)。李劼人的《死水微瀾》《暴風(fēng)雨前》和《大波》中女性鮮明地反映了這一特征，她們處在時(shí)代社會(huì)發(fā)展最敏感的地帶，她們受傳統(tǒng)壓迫最嚴(yán)重，卻對(duì)現(xiàn)代社會(huì)最敏銳。她們以自身的身心變化反應(yīng)著時(shí)代社會(huì)的變化發(fā)展。李劼人人筆下的女性有著傳統(tǒng)婦女所沒有的自由獨(dú)立，對(duì)婚姻愛情的執(zhí)著追求，而這些正是當(dāng)代女性身上所體現(xiàn)的品格。她們?cè)跁r(shí)代洪流中具有先導(dǎo)性和先鋒性。

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?xì)獍l(fā)生器出口截面處的溫度均勻性水平，選取試驗(yàn)過程中各溫度測(cè)點(diǎn)的平均值進(jìn)行評(píng)估，燃?xì)獍l(fā)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?xì)獍l(fā)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(yōu)于工況B。這可能是因?yàn)?，相?duì)于工況A，工況B 下推進(jìn)劑的混合比較低，需要更長(zhǎng)的距離進(jìn)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(wěn)定性分析

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

圖7 不同工況下的振動(dòng)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(duì)脈動(dòng)值如圖8所示。由圖8 可知，不同工況下，室壓的相對(duì)脈動(dòng)值均高于氧噴前壓力相對(duì)脈動(dòng)值；工況A 下，室壓、氧噴前壓力的脈動(dòng)值小于5%；相對(duì)于工況A，工況B 下室壓、氧噴前壓力的脈動(dòng)值顯著增大，均大于5%，其中室壓相對(duì)脈動(dòng)值增大134%，氧噴前壓力脈動(dòng)值增大276%。

圖8 不同工況下的脈動(dòng)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(duì)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(guī)律性脈動(dòng)，頻率為33 Hz 左右。通過對(duì)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?xì)獍l(fā)生器能夠穩(wěn)定燃燒，而在工況B 下，燃?xì)獍l(fā)生器發(fā)生了33 Hz左右的低頻不穩(wěn)定燃燒。這是因?yàn)椋鄬?duì)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?xì)獍l(fā)生器內(nèi)的燃燒過程與推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)過程發(fā)生了耦合。這說明，對(duì)于特定的噴嘴阻尼特性和燃燒室容積設(shè)計(jì)，超臨界氫/液氧同軸直流式噴嘴存在一個(gè)穩(wěn)定工作的氧噴嘴壓降下限，如果工作環(huán)境低于該下限，易激發(fā)燃燒不穩(wěn)定。

2.4 點(diǎn)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(duì)不同工況下的點(diǎn)火延遲時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在相同的點(diǎn)火能量下，相對(duì)于工況A，工況B 下燃?xì)獍l(fā)生器的點(diǎn)火延遲了約0.4 s。主要是因?yàn)椋篴）相對(duì)于工況A，工況B 下燃?xì)獍l(fā)生器的流量較小，氫腔和氧腔的填充時(shí)間較長(zhǎng)；b）在噴嘴幾何結(jié)構(gòu)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(dǎo)致液氧與氫摻混達(dá)到點(diǎn)火混合比的時(shí)間較長(zhǎng)。

3 結(jié) 論

本文通過試驗(yàn)方式，對(duì)大流量低混合比超臨界氫/液氧同軸直流式噴嘴在變工況下的燃燒特性進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：

a）在本文研究的工況范圍內(nèi)，燃燒效率均不低于0.986。

b）在本文研究的工況范圍內(nèi)，燃?xì)獍l(fā)生器出口溫度均勻性良好，溫度差值小于30 K。

c）對(duì)于特定的噴嘴阻尼特性和燃燒室容積設(shè)計(jì)，超臨界氫/液氧同軸直流式噴嘴存在一個(gè)穩(wěn)定工作的氧噴嘴壓降下限，如果工作環(huán)境低于該下限，易激發(fā)燃燒不穩(wěn)定。

d）在同樣的點(diǎn)火能量下，相對(duì)于低工況，高工況下點(diǎn)火更加容易。