多排徑向通道直流噴嘴的聲學(xué)特性試驗研究

劉 倩，丁兆波，潘 亮，王洋洲，孫紀(jì)國

（北京航天動力研究所，北京，100076）

0 引 言

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

Byoung-Do[2]利用數(shù)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(xué)不穩(wěn)定的影響。吳偉亮[3]等利用CFD方法研究了直流噴嘴內(nèi)部流場情況，并給出了噴嘴流量隨壓力脈動的變化規(guī)律。王楓[4]等研究表明噴嘴長度、縮進室長度和通道節(jié)流嘴直徑對高頻燃燒不穩(wěn)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(chǔ)上，討論了敞口型離心式噴嘴的動態(tài)特性[5]，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)[6]、切向通 道[7]等對敞口型離心式噴嘴動力學(xué)特性的影響。

高壓補燃循環(huán)推力室頭腔采用燃?xì)馇辉谏稀⒀跚辉谥虚g、氫腔在下的結(jié)構(gòu)，氧噴嘴為多排徑向通道直流噴嘴結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)直流氧噴嘴結(jié)構(gòu)存在明顯差異。目前，國內(nèi)外文獻缺乏對補燃循環(huán)氫氧發(fā)動機中異型結(jié)構(gòu)直流噴嘴的噴嘴聲學(xué)特性的相關(guān)研究。本文通過試驗技術(shù)手段測量和分析噴嘴在靜止常溫空氣條件下的固有聲學(xué)頻率、振型及對突出頻率的阻尼系數(shù)，研究不同噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)等對噴嘴聲學(xué)特性的影響規(guī)律，并建立相應(yīng)的經(jīng)驗關(guān)系式，為抑制噴注耦合不穩(wěn)定的發(fā)生奠定基礎(chǔ)。

1 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)主要包括試驗件、電動氣流揚聲器、號筒、傳聲器、測試導(dǎo)管、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、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(chǎn)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(chǎn)生電信號經(jīng)功率放大器后輸入。帶有傳聲器的測試導(dǎo)管從噴嘴另一端探入腔體內(nèi)，保證其在聲腔內(nèi)可沿軸向、 上下、左右移動。傳聲器感應(yīng)的脈動壓力信號經(jīng)傳聲器電源變換為電信號輸入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)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(shù)量n、徑向通道長度h、噴嘴長度L（有效長度L′）來進行聲學(xué)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?cè)绫?所示。

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)示意 Fig.1 Nozzle Structure and System Diagram

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

2 試驗結(jié)果分析

2.1 噴嘴聲學(xué)試驗過程

狀態(tài)6的詳細(xì)研究過程如圖2所示。結(jié)果表明，在噴嘴中僅存在軸向振型，因此，在后續(xù)狀態(tài)的噴嘴聲學(xué)研究中，僅研究噴嘴的軸向振型。

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

續(xù)圖2

2.2 噴嘴聲學(xué)特性結(jié)果分析

噴嘴熱試狀態(tài)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(xué)頻率；f常溫為常溫試驗時噴嘴試驗件聲學(xué)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(shù)。

2.2.1 噴嘴結(jié)構(gòu)對聲學(xué)特性的影響

當(dāng)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(shù)量相應(yīng)減少，由圖3a可知，一階軸向頻率有變化，在徑向通道數(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)的影響 Fig.3 Influence of Different Oxygen Nozzle Structures

2.2.2 影響規(guī)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(shù)量下，通道孔徑越大，噴嘴聲學(xué)頻率越高。結(jié)合圖3c可知，在一定的徑向通道孔徑和數(shù)量下，徑向通道長度越長，噴嘴聲學(xué)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(xué)頻率的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。

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(shù)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(guān)，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(xué)頻率的另一關(guān)鍵參數(shù)。

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(guī)律如圖5所示，根據(jù)試驗結(jié)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(shù)經(jīng)驗關(guān)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(shù)的關(guān)系 Fig.5 Relationship between Frequency and Dimensionless Parameters

續(xù)圖5

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

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

3 結(jié) 論

通過試驗研究了常溫狀態(tài)下多排徑向通道直流噴嘴的聲學(xué)特性，并對噴嘴進行了聲模態(tài)測試以及聲學(xué)阻尼分析，研究了徑向通道孔徑d、徑向通道數(shù)量n、徑向通道長度h及噴嘴長度L對噴嘴聲學(xué)特性的影響規(guī)律。結(jié)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(xué)頻率逐漸降低；隨著徑向通道數(shù)量的增加，噴嘴聲學(xué)頻率逐漸升高；

b）影響噴嘴頻率的關(guān)鍵參數(shù)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(jīng)驗關(guān)系式，為徑向通道直流噴嘴的聲學(xué)頻率預(yù)估提供依據(jù)，為噴嘴的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。