反壓條件下Y型噴嘴的變工況試驗(yàn)

陳鵬飛，王 丹，王 玫，李龍飛

（西安航天動(dòng)力研究所液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710100）

反壓條件下Y型噴嘴的變工況試驗(yàn)

陳鵬飛，王 丹，王 玫，李龍飛

（西安航天動(dòng)力研究所液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710100）

針對(duì)燃燒室的變工況需求，利用反壓試驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展了Y型噴嘴變工況試驗(yàn)，獲得了噴嘴在不同反壓環(huán)境下的噴注剛性、平均流速及霧化質(zhì)量。試驗(yàn)結(jié)果表明，在常壓環(huán)境中，Y型噴嘴通過(guò)摻混氣體的方式顯著改善了低工況下的噴注剛性和霧化效果，噴嘴具有較寬的工況調(diào)節(jié)范圍；在反壓環(huán)境中，隨著反壓升高，摻混氣體對(duì)提高低工況下噴嘴噴注剛性的作用減弱，然而受摻混氣體的影響，噴嘴的平均流速和霧化質(zhì)量明顯改善，并且在不同流量工況下獲得了良好的一致性。在模擬燃燒室工作時(shí)，Y型噴嘴在較寬的流量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)都具有良好的噴注剛性和霧化質(zhì)量，其有效的流量調(diào)節(jié)范圍遠(yuǎn)大于直流噴嘴。

變工況試驗(yàn)；Y型噴嘴；反壓試驗(yàn)；試驗(yàn)研究；霧化特性

0 引言

變推力技術(shù)在地面試驗(yàn)設(shè)備和液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上具有廣泛的應(yīng)用前景。對(duì)于噴注面積固定的噴注器，通過(guò)改變噴嘴壓降的方式獲得的工況變比一般小于3:1，進(jìn)一步增加變工況范圍將導(dǎo)致噴嘴在低工況下壓降變小、流速變低、霧化變差等問(wèn)題[1]。通過(guò)在推進(jìn)劑中吹入氣體的方式來(lái)改變氣液混合物密度，可以使低工況下的噴注速度和壓降維持在可以接受的量級(jí)之上，從而實(shí)現(xiàn)大范圍工況調(diào)節(jié)[2]。Rivard采用這種方法研究了雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)的推力調(diào)節(jié)范圍[3]；劉景華等人提出了部分催化過(guò)氧化氫的變推力方案，采用自擊預(yù)混式噴嘴控制氣體（或兩相流）吹入量來(lái)實(shí)現(xiàn)推力變化調(diào)節(jié)[4]。上述研究主要從發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)層面關(guān)注變推力技術(shù)，對(duì)噴嘴在工況調(diào)節(jié)過(guò)程中的流量和霧化特性變化關(guān)注較少。針對(duì)地面某試驗(yàn)風(fēng)洞燃燒室的變工況需求，模擬燃燒室內(nèi)壓力變化，開(kāi)展了Y型噴嘴在反壓條件下冷態(tài)試驗(yàn)研究。

Y型噴嘴是一種氣助霧化噴嘴，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、供液量大、調(diào)節(jié)比寬、霧化質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)[5]。針對(duì)Y型噴嘴在大氣環(huán)境中的霧化性能和流動(dòng)特性，已經(jīng)開(kāi)展了大量的試驗(yàn)和仿真研究。例如，Mullinger等人通過(guò)試驗(yàn)研究了Y型噴嘴混合孔內(nèi)的氣液兩相流結(jié)構(gòu)[7]。艾軍等人研究了低壓小流量Y型噴嘴混合段的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)[8]；陳鵬飛等人針對(duì)高壓大流量Y型噴嘴流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真計(jì)算[9]。Bryce等人以燃料油為介質(zhì)研究了Y型噴嘴的霧化特性[10]，Sargean設(shè)計(jì)了多個(gè)Y型噴嘴組合的噴頭[11]。文獻(xiàn) [12]建立了Y型噴嘴霧化粒徑的預(yù)測(cè)模型，文獻(xiàn) [13]～[16]也針對(duì)Y型噴嘴的冷態(tài)霧化特性開(kāi)展了試驗(yàn)研究。然而，關(guān)于Y型噴嘴在反壓環(huán)境中的大范圍變工況特性，尚未見(jiàn)國(guó)內(nèi)外有相關(guān)研究報(bào)道。本文在模擬燃燒室的壓力環(huán)境下開(kāi)展Y型噴嘴大范圍變工況特性試驗(yàn)，獲得了噴嘴壓降、速度和霧化粒徑等變化規(guī)律，為開(kāi)展熱試試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)裝置與測(cè)量方法

Y型噴嘴利用反壓試驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展變工況特性試驗(yàn)。該系統(tǒng)由介質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)、反壓艙、采集和控制系統(tǒng)等組成，工作原理見(jiàn)圖1。反壓艙容積50 L，可以形成0.1～4 MPa的反壓環(huán)境，試驗(yàn)過(guò)程中艙內(nèi)的多余空氣和水由艙體下游出口排出。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)及噴嘴結(jié)構(gòu)Fig.1 Experiment system and structure of Y-shape nozzle

試驗(yàn)介質(zhì)選取壓縮空氣和水。試驗(yàn)過(guò)程中，利用減壓器控制氣、液貯箱的壓力，確保試驗(yàn)介質(zhì)的穩(wěn)定供應(yīng)；氣、液流量通過(guò)科氏力質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量，壓力通過(guò)靜壓傳感器測(cè)量。主要測(cè)量參數(shù)包括反壓艙環(huán)境壓力p0，氣孔入口壓力p1，液孔入口壓力p2，氣貯箱壓力p4，液貯箱壓力p5，氣流量和液流量等。

反壓條件下霧化粒徑采用高速攝影系統(tǒng)獲取。以銅蒸汽激光器發(fā)射高能點(diǎn)光源作為背景光，通過(guò)微距鏡頭拍攝噴嘴下游150 mm處?kù)F場(chǎng)邊區(qū)的粒子圖像，并對(duì)每個(gè)工況的5 000張圖片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從而獲得該處的索特爾平均粒徑，用于衡量噴嘴在不同工況下的霧化效果。

2 噴嘴結(jié)構(gòu)與理論分析

標(biāo)準(zhǔn)Y型噴嘴典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，噴嘴由氣孔、液孔和混合孔組成，氣液在混合孔內(nèi)撞擊摻混。噴嘴液流量的計(jì)算公式為[5]

式中：μ為流量系數(shù)；A2為液孔流通面積，ρ2為液體密度；p3為混合點(diǎn)壓力。

當(dāng)Y型噴嘴氣流量為零時(shí)，由于混合孔直徑大，流速低，內(nèi)部流阻可以忽略，因此

Δp2為液孔入口壓力和環(huán)境壓力之差。

將式（2）代入式（1）可得：

根據(jù)公式（3）可以在氣流量為零的情況下對(duì)液孔的流量系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。獲得流量系數(shù)后，混合點(diǎn)壓力p3可以通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算獲得：

當(dāng)氣流量不為零時(shí)，混合孔處于兩相流狀態(tài)，通過(guò)改變氣孔的工作參數(shù)可以使p3在較大范圍內(nèi)變化，從而實(shí)現(xiàn)液流量的大范圍調(diào)節(jié)。假設(shè)混合孔內(nèi)兩相流為均相流動(dòng)，選取混合點(diǎn)參數(shù)作為描述混合孔流動(dòng)狀態(tài)的特征參數(shù)，用于比較噴嘴在變工況條件下的噴射速度?；旌峡變?nèi)均相流動(dòng)的流體密度表示為

式中ρ1為混合點(diǎn)氣體密度。

混合孔內(nèi)均相流動(dòng)的平均流速表示為

式中A3為混合孔流通面積。

為便于分析計(jì)算，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行無(wú)量綱化處理：

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 常壓環(huán)境中的變工況特性

Y型噴嘴在常壓環(huán)境中的變工況特性如圖 2所示。從圖中可以看出，在常壓環(huán)境中，氣體摻混作用對(duì)噴嘴的流量和霧化特性影響都較大。在10%工況下，氣流量為0 g/s時(shí)，噴嘴的p2*為0.16；氣流量為16 g/s時(shí)，p2*約為2.00，噴嘴在低工況下的噴注剛性顯著增強(qiáng)。從速度變化曲線(xiàn)可以看出，在摻混氣體之后噴嘴的平均流速u(mài)3大幅提高；并且隨著m˙2*減小，u3逐漸增大。從霧化結(jié)果來(lái)看，當(dāng)氣流量為0 g/s時(shí)，噴嘴的霧化粒徑較大，并且在低工況下的霧化質(zhì)量顯著惡化。在摻混氣體之后，噴嘴的霧化效果改善非常明顯，以13%工況為例，在摻混4.5 g/s的氣體之后，粒徑減小至100 μm以下，這與文獻(xiàn) [12-16]的研究結(jié)果一致。

圖2 常壓環(huán)境中噴嘴的流量和霧化特性Fig.2 Flow and atomization characteristics of nozzle in atmosphere

常壓環(huán)境下的試驗(yàn)結(jié)果表明，在常壓環(huán)境中，Y型噴嘴在低工況下噴注剛性強(qiáng)，霧化效果好；噴嘴具有較寬的流量調(diào)節(jié)范圍。

3.2 反壓環(huán)境中的變工況特性

通過(guò)改變反壓艙的環(huán)境壓力p0，研究了環(huán)境壓力對(duì)噴嘴流量特性的影響，如圖3所示。從圖中可以看出，在相同的低工況流量條件下，隨著反壓增大，p2*減小，噴注剛性降低，這與反壓環(huán)境中的氣體密度增大有關(guān)。隨著反壓升高，氣體密度增大、混合孔流速降低，混合點(diǎn)的相對(duì)壓力p3*逐漸降低并趨近于1，這導(dǎo)致了高反壓環(huán)境中摻混氣體對(duì)噴嘴噴注剛性的改善作用比較有限。

圖3 低工況下噴嘴的壓力變化Fig.3 Pressure change of nozzle at low flow rate

圖4 給出了噴嘴在不同反壓環(huán)境中平均流速的變化規(guī)律。從圖中可以看出，當(dāng)反壓較小時(shí)，低工況下的平均流速較高，隨著液流量增大，平均流速減??；當(dāng)反壓較高時(shí)，低工況下的平均流速相對(duì)較低，不同液流量下的平均流速差異較小。從式（6） 可以看出，由于氣體密度較小，氣流量對(duì)平均流速的影響較大。實(shí)驗(yàn)過(guò)程保持氣流量不變，在高反壓環(huán)境中，混合孔內(nèi)的壓力和氣體密度隨液流量變化不大，因此不同工況下的平均流速一致性較好。

圖4 環(huán)境壓力變化對(duì)噴嘴速度的影響Fig.4 Influence of variation of back pressure on flow velocity of nozzle

在相同的反壓環(huán)境中，氣流量變化對(duì)噴嘴流量特性的影響如圖 5所示，圖中對(duì)比了噴嘴在2 MPa反壓環(huán)境中，氣流量分別為0 g/s，16 g/s和32 g/s的流量特性。

圖5 反壓環(huán)境中噴嘴的流量特性Fig.5 Flow characteristic of nozzle at pressure chamber

從圖中可以看出，在較高的反壓下，氣流量增大對(duì)于低工況下噴注剛性的改善作用比較有限。以10%工況為例，氣流量0 g/s，16 g/s和32 g/s對(duì)應(yīng)的p2*分別0.008，0.009，-0.031，p2*為負(fù)值表明液孔入口壓力低于反壓環(huán)境壓力。圖5還給出了氣流量變化對(duì)平均流速的影響。從圖中可以看出，噴嘴在摻混氣體之后，平均流速顯著增大；當(dāng)氣流量為0 g/s時(shí)，平均流速隨著液流量增大呈上升趨勢(shì)；當(dāng)氣流量達(dá)到32 g/s時(shí)，平均流速隨著液流量增大呈下降趨勢(shì)。

圖6對(duì)比了Y型噴嘴在不同氣流量下的霧化特性。當(dāng)氣流量為0 g/s時(shí)，噴嘴的霧化粒徑約500 μm，隨著反壓升高和液流量增大，粒徑均呈減小趨勢(shì)；當(dāng)氣流量為5.5 g/s時(shí)，霧化粒徑約150 μm，隨著反壓升高，粒徑呈增大趨勢(shì)，而液流量變化對(duì)粒徑的影響很小。

圖6 不同反壓條件下的粒徑Fig.6 Atomized partical size in different pressure condition

反壓環(huán)境下的試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著反壓升高，Y型噴嘴在低工況下的噴注剛性變差，摻混氣體對(duì)于提高低工況下噴注剛性的作用有限；然而在摻混氣體的作用下，噴嘴的平均流速和霧化質(zhì)量明顯改善，并且在不同流量工況下的平均流速和霧化粒徑的一致性較好。

3.3 模擬燃燒室工作條件下的變工況特性

在燃燒室喉部面積固定的情況下，燃燒室的壓力隨著推進(jìn)劑流量增大而升高，如圖7所示。圖7還給出了噴嘴在3種不同調(diào)節(jié)方式下的氣流量變化規(guī)律。調(diào)節(jié)方式4#和5#分別維持氣流量8 g/s和16 g/s不變，方式6#維持氣貯箱供應(yīng)壓力不變，噴嘴氣流量隨著液流量增大而減小。

圖8為噴嘴在不同調(diào)節(jié)方式下的流量和霧化特性。從p2*的變化規(guī)律可以看出，在模擬燃燒室工作時(shí)，Y型噴嘴在較寬的流量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)噴注剛性超過(guò)0.2。采用方式5#和6#調(diào)節(jié)時(shí)，在6%工況下對(duì)應(yīng)的p2*已經(jīng)較高，分別為0.73和1.05；方式4#在6%工況下的p2*小于零，當(dāng)工況增大至12%時(shí)，p2*增大至0.22，噴注剛性變強(qiáng)。在高工況條件下，液流量和反壓均較大，三種調(diào)節(jié)方式對(duì)應(yīng)的p2*都在1.2左右，差異不大。從混合孔的平均流速變化趨勢(shì)可以看出，平均流速隨著液流量增大呈減小趨勢(shì)；調(diào)節(jié)方式變化對(duì)低工況下的平均流速影響較大，對(duì)高工況的平均流速影響較小。

由于反壓條件下霧化數(shù)據(jù)的獲取難度較大，本文僅對(duì)比了氣流量為0 g/s和4.5 g/s時(shí)的粒徑變化規(guī)律。從圖中可以看出，當(dāng)氣流量為0 g/s時(shí)，噴嘴霧化粒徑較大，且液流量低于40%工況之后霧化效果顯著惡化；當(dāng)氣流量為4.5 g/s時(shí)，噴嘴霧化粒徑較小，并且不同工況下的粒徑基本保持一致，霧化效果穩(wěn)定。

圖7 噴嘴變工況調(diào)節(jié)方式Fig.7 Regulating method for variable flow of nozzle

圖8 噴嘴在模擬燃燒室內(nèi)的變工況特性Fig.8 Variable-flow characteristics of nozzle in simulated chamber

4 結(jié)論

利用反壓試驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展了Y型噴嘴大范圍變工況試驗(yàn)，對(duì)比了噴嘴在不同反壓環(huán)境和氣流量下變工況特性，得到如下結(jié)論：

1）在常壓環(huán)境中，Y型噴嘴通過(guò)摻混氣體的方式顯著改善了低工況下的噴注剛性和霧化效果，噴嘴具有較寬的工況調(diào)節(jié)范圍。

2）在反壓環(huán)境中，隨著反壓升高，Y型噴嘴在低工況下的噴注剛性逐漸變差，在較高的反壓環(huán)境中通過(guò)摻混氣體來(lái)提高低工況下噴注剛性的作用有限；然而在摻混氣體的作用下，噴嘴的平均流速和霧化質(zhì)量均得到明顯改善，并且在不同流量工況下的平均流速和霧化粒徑的一致性較好。

3）由于模擬燃燒室具有低工況下室壓較低，高工況下室壓較高的特點(diǎn)，Y型噴嘴在較寬的流量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)都具有良好的噴注剛性和霧化質(zhì)量，其流量調(diào)節(jié)范圍遠(yuǎn)大于直流噴嘴。

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（編輯：陳紅霞）

Experimental study on variable-flow performance of Y-shape nozzle at back pressure

CHEN Pengfei,WANG Dan,WANG Mei,LI Longfei
（National Key Laboratory of Science and Technology on Liquid Propulsion Rocket Engine, Xi’an Aerospace Propulsion Institute,Xi’an 710100,China）

In order to meet the demands of variable flow of thecombustor,a variable-flow experiment of Y-shape nozzle was performed with the back pressure testing system to obtain injection rigidity,mean flow velocity and atomization quality in different back pressur environments.The experiment results show that,at normal pressure environment,the passing pattern of mixing gas through Y-shape nozzle has remarkably improved the injection stiffness and atomization effect at low flow rate,and the nozzle has required a wider range of variable flow regulation;at the back pressure environment,the mixing gas effect to improve the injection stiffness of the nozzle at low flow rate decreases with the increase of back pressure,,but the average flow velocity and atomization quality are improved remarkably,and a high consistency has got at different flow rate because of the mixing gas effect.While the simulated combustion chamber works,Y-shape nozzle has perfect injection stiffness and atomization qualityin a wide flow regulation range,whose effective flow regulation rangeis much wider than that ofthe orifice nozzle.

variable-flow experiment;Y-shape nozzle;back pressure test;experimental study; atomization characteristic

V434-34

A

1672-9374(2016)06-0025-06

2016-08-09；

2016-09-13

國(guó)家863項(xiàng)目2012AA7053022

陳鵬飛（1984—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究領(lǐng)域?yàn)榛鸺l(fā)動(dòng)機(jī)噴霧燃燒特性研究