高壓低混合比氫氧預(yù)燃室出口溫度均勻性分析

潘 剛，牛旭東，潘 亮，鄭孟偉，孫紀(jì)國(guó)，丁兆波

(1.北京航天動(dòng)力研究所，北京 100076； 2.航天推進(jìn)技術(shù)研究院，陜西 西安 710100)

0 引言

氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)由于具有高性能、環(huán)保無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外的運(yùn)載火箭中占有重要地位[1-2]。為了滿(mǎn)足載人登月、深空探測(cè)等大型宇航任務(wù)的需求，需要開(kāi)展220 tf級(jí)大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的研制[3-4]。預(yù)燃室作為補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵組件，其出口燃?xì)鉁囟染鶆蛐缘膬?yōu)劣直接影響渦輪泵葉片的工作可靠性[5]。

出口燃?xì)鉁囟染鶆蛐宰鳛轭A(yù)燃室或燃?xì)獍l(fā)生器的關(guān)鍵特性，國(guó)外氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)在研制過(guò)程中對(duì)其極為重視。美國(guó)的J-2氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器采用了擾流環(huán)以及彎頭結(jié)構(gòu)來(lái)保證出口燃?xì)鉁囟鹊木鶆蛐訹6]。SSME(space shuttle main engine)預(yù)燃室主要采用了噴嘴均勻布置的方式來(lái)保證燃?xì)鉁囟鹊木鶆蚍植迹诎l(fā)動(dòng)機(jī)的研制過(guò)程中遇到了大量渦輪葉片斷裂、金屬燒蝕等問(wèn)題，經(jīng)分析該問(wèn)題可能是由于燃?xì)鉁囟确植疾痪鶆驅(qū)е?，為此進(jìn)行多次試驗(yàn)獲取了渦輪入口處的溫度分布情況，結(jié)果表明渦輪葉片處局部存在1 280 K左右的高溫區(qū)，比預(yù)期值高幾百K[7-8]。RS-68氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器采用了彎頭結(jié)構(gòu)來(lái)保證出口燃?xì)鉁囟鹊木鶆蛐裕⑦M(jìn)行了相應(yīng)試驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估[9]。J-2X氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器是基于RS-68發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)而成，并將出口燃?xì)鉁囟染鶆蛐宰鳛樵O(shè)計(jì)指標(biāo)，通過(guò)試驗(yàn)考核了不同噴嘴數(shù)量、燃燒室長(zhǎng)度、出口結(jié)構(gòu)等因素對(duì)燃?xì)鉁囟染鶆蛐缘挠绊慬10-13]。歐洲的VULCAIN/VULCAIN2氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器為了確保出口燃?xì)鉁囟染鶆蛐阅軌蜻_(dá)到±50 K的設(shè)計(jì)要求，采用了擾流環(huán)、彎頭結(jié)構(gòu)，并通過(guò)縮尺試驗(yàn)的方式獲得了不同氫氧噴注速度、氧噴嘴縮進(jìn)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(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)燃室通過(guò)高壓擠壓試驗(yàn)對(duì)出口燃?xì)鉁囟染鶆蛐赃M(jìn)行了評(píng)估，混合比范圍為0.7～0.9，室壓范圍為1～15 MPa，試驗(yàn)結(jié)果表明LE-7預(yù)燃室的出口燃?xì)鉁囟鹊淖兓秶?0 K以?xún)?nèi)[21-22]，并在LE-7預(yù)燃室的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)了LE-7A預(yù)燃室[23]。蘇聯(lián)的RD0120氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)為了確保出口燃?xì)鉁囟染鶆蛐苑弦螅捎昧苏鳀沤Y(jié)構(gòu)，最終出口燃?xì)鉁囟染鶆蛐赃_(dá)到了±70 K左右[5，24-25]。

綜上所述，國(guó)外氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)燃室或燃?xì)獍l(fā)生器一方面在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面保證出口燃?xì)鉁囟染鶆蛐阅軌驖M(mǎn)足要求，另一方面通過(guò)試驗(yàn)的方式對(duì)出口溫度均勻性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估及優(yōu)化。上述研究是針對(duì)特定結(jié)構(gòu)進(jìn)行的，然而相對(duì)于國(guó)外氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器或預(yù)燃室，220 tf級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)燃室在尺寸、流量、壓力等參數(shù)方面均存在變化。為確保220 tf預(yù)燃室的出口燃?xì)鉁囟染鶆蛐詽M(mǎn)足±50 K的設(shè)計(jì)要求，需要開(kāi)展結(jié)構(gòu)參數(shù)、工況參數(shù)等對(duì)出口燃?xì)鉁囟染鶆蛐缘挠绊懷芯?。因此，本文通過(guò)縮尺預(yù)燃室試驗(yàn)方式，研究了縮進(jìn)深度比、擾流結(jié)構(gòu)、工況等因素對(duì)高壓低混合比預(yù)燃室出口燃?xì)鉁囟染鶆蛐缘挠绊?并進(jìn)一步通過(guò)全尺寸預(yù)燃室試驗(yàn)方式驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性。該工作可為大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的研制提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)裝置及系統(tǒng)

為了保證出口燃?xì)鉁囟染鶆?，全尺寸預(yù)燃室采用了擾流環(huán)以及90°拐彎結(jié)構(gòu)。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(shè)計(jì)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(yù)燃室的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了縮尺預(yù)燃室?？s尺預(yù)燃室噴注器由1圈6個(gè)噴嘴組成，噴嘴結(jié)構(gòu)與全尺寸預(yù)燃室保持一致，其中噴注器共有4種方案：3種縮進(jìn)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?？s尺預(yù)燃室同樣采用了擾流環(huán)及拐彎結(jié)構(gòu)，擾流環(huán)的節(jié)流面積比、拐彎的角度均與全尺寸預(yù)燃室保持一致。預(yù)燃室模型及試驗(yàn)時(shí)的照片如圖1所示，噴嘴示意圖如圖2所示?？s進(jìn)深度比α的定義為氧噴嘴縮進(jìn)深度L與氧噴嘴出口內(nèi)徑D的比值，縮進(jìn)深度比α分為0.43、0.64、0.85。

圖1 預(yù)燃室模型及試驗(yàn)

圖2 噴嘴示意圖

為了更好地分析不同影響因素對(duì)燃?xì)鉁囟染鶆蛐缘挠绊懀诳s尺預(yù)燃室不同截面位置均布置了熱電偶傳感器，用于測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中燃燒室內(nèi)燃?xì)獾臏囟龋⑦x取3個(gè)截面的溫度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。擾流環(huán)前截面A、擾流環(huán)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(hào)分別為T(mén)A、TB、TC。熱電偶傳感器的測(cè)點(diǎn)位置示意圖如圖4所示。假設(shè)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(cè)量截面示意圖

圖4 測(cè)點(diǎn)位置示意圖

縮尺預(yù)燃室擠壓試驗(yàn)采用了高壓擠壓試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括氫氧貯箱、氫氧主閥、氫氧泄出閥、點(diǎn)火器、縮尺預(yù)燃室以及測(cè)量系統(tǒng)，試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 縮進(jìn)深度比對(duì)燃?xì)鉁囟染鶆蛐缘挠绊?/h3>

為了更好地評(píng)估縮進(jìn)深度比α的影響，排除擾流環(huán)以及拐彎結(jié)構(gòu)的影響，只對(duì)截面A處的燃?xì)鉁囟染鶆蛐赃M(jìn)行了對(duì)比分析。燃?xì)鉁囟染鶆蛐噪S縮進(jìn)深度比的變化如圖6所示，其中燃?xì)鉁囟染鶆蛐圆捎脺囟炔钪郸來(lái)表征，具體計(jì)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(zhǔn)，溫度差值ΔT表示圍繞基準(zhǔn)值波動(dòng)的范圍。

圖6 縮進(jìn)深度比對(duì)燃?xì)鉁囟染鶆蛐缘挠绊?/p>

(1)

由圖6可知:隨著α的增加，燃?xì)鉁囟染鶆蛐灾饾u提高。這說(shuō)明，在燃燒室長(zhǎng)度相同的情況下，增大α有助于改善出口燃?xì)獾臏囟染鶆蛐?。這主要是因?yàn)檠鯂娮炜s進(jìn)深度增加，增加了氫氧的預(yù)混長(zhǎng)度，使得氫氧的燃燒距離縮短，進(jìn)而增大了燃?xì)獾幕旌暇嚯x，有助于提高燃?xì)鉁囟染鶆蛐浴?/p>

截面A處不同測(cè)點(diǎn)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(xiàn)下降趨勢(shì)，最低溫度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。這也說(shuō)明，在本文的研究工況下，增大α有助于燃燒室內(nèi)燃?xì)鉁囟染鶆蛐缘奶岣?。由圖還可知：同一縮進(jìn)深度比α下，相同插深傳感器測(cè)得的燃?xì)鉁囟却嬖诓町?；不同縮進(jìn)深度比α下，最高溫度、最低溫度的測(cè)點(diǎn)位置不同。這主要是因?yàn)椋和沪料?，相同插深傳感器?duì)應(yīng)的噴嘴分布位置不一樣，同時(shí)縮尺預(yù)燃室中各噴嘴間的噴注特性也不完全一樣，因此導(dǎo)致相同插深傳感器所測(cè)溫度存在一定差異，這與文獻(xiàn)[26-28]的研究結(jié)果類(lèi)似；不同α下，噴嘴出口處氫氧間的著火點(diǎn)不同，同時(shí)噴嘴下游的燃燒場(chǎng)分布也存在一定差異，文獻(xiàn)[29]的試驗(yàn)結(jié)果也表明噴嘴縮進(jìn)深度會(huì)影響下游火焰的分布，而火焰分布與燃?xì)鉁囟确植枷鄬?duì)應(yīng)，因此導(dǎo)致不同α下呈現(xiàn)最高溫度、最低溫度的測(cè)點(diǎn)不同。

圖7 截面A處的溫度值

2.2 擾流結(jié)構(gòu)對(duì)燃?xì)鉁囟染鶆蛐缘挠绊?/h3>

為了保證出口燃?xì)鉁囟染鶆蛐詽M(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，全尺寸預(yù)燃室采用了擾流環(huán)及拐彎結(jié)構(gòu)，并通過(guò)縮尺預(yù)燃室試驗(yàn)方式對(duì)擾流環(huán)和拐彎結(jié)構(gòu)的擾流均溫效果進(jìn)行了考核。圖8給出了不同壓力、混合比下擾流環(huán)和拐彎結(jié)構(gòu)對(duì)出口燃?xì)鉁囟染鶆蛐缘挠绊?。其中，針?duì)不同工況，為了更好地對(duì)比不同結(jié)構(gòu)的均溫效果，引入了無(wú)量綱參數(shù)δ，定義為均溫系數(shù)，如式(2)所示。

圖8 擾流環(huán)與拐彎結(jié)構(gòu)對(duì)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(shù)，表征擾流環(huán)結(jié)構(gòu)的均溫效果；δB-C為截面B到截面C的均溫系數(shù)，表征拐彎結(jié)構(gòu)的均溫效果；δA-C為截面A到截面C的均溫系數(shù)，表征擾流環(huán)與拐彎結(jié)構(gòu)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(shì)線。

由圖8可知，在本文的試驗(yàn)工況參數(shù)下，隨著室壓、混合比的升高，δA-B、δA-C均呈現(xiàn)逐漸升高趨勢(shì)，δB-C呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)。說(shuō)明室壓、混合比的升高有助于提高擾流環(huán)結(jié)構(gòu)的均溫效果。由圖還可知：對(duì)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(nèi)，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(shuō)明相對(duì)于單獨(dú)的擾流環(huán)結(jié)構(gòu)，擾流環(huán)與拐彎結(jié)構(gòu)共同作用下的均溫效果更好，可以使得燃燒室內(nèi)的溫度均勻性提高54.8～89。

2.3 工況變化對(duì)燃?xì)鉁囟染鶆蛐缘挠绊?/h3>

圖9 不同工況下的燃?xì)鉁囟染鶆蛐?/p>

(3)

式中：τ為燃?xì)馔Ａ魰r(shí)間，s；V為燃燒室容積，m3；ρ為燃?xì)獾钠骄芏?，kg/m3；q為推進(jìn)劑質(zhì)量流量，kg/s。

2.4 全尺寸預(yù)燃室均勻性分析

在縮尺試驗(yàn)驗(yàn)證全尺寸設(shè)計(jì)方案合理有效的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了全尺寸預(yù)燃室高壓擠壓試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性。全尺寸預(yù)燃室的高壓擠壓試驗(yàn)系統(tǒng)與縮尺預(yù)燃室擠壓試驗(yàn)系統(tǒng)類(lèi)似。不同之處在于，全尺寸預(yù)燃室出口分為氫渦輪側(cè)出口和氧渦輪側(cè)出口。全尺寸預(yù)燃室2個(gè)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?xì)獾臏囟染鶆蛐浴Ｈ叽珙A(yù)燃室進(jìn)行了多次高壓擠壓試驗(yàn)，室壓為7.7～13.4 MPa，混合比為0.61～1.09。試驗(yàn)結(jié)果表明，氫、氧渦輪側(cè)出口的燃?xì)鉁囟染鶆蛐跃凇?0 K范圍內(nèi)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)氧渦輪側(cè)出口的燃?xì)鉁囟染鶆蛐愿鼉?yōu)。

在全尺寸預(yù)燃室高壓擠壓試驗(yàn)指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的情況下，與氫氧渦輪泵組合共同進(jìn)行了半系統(tǒng)試驗(yàn)，進(jìn)一步通過(guò)真實(shí)產(chǎn)品考核了預(yù)燃室的出口燃?xì)馄焚|(zhì)。以室壓為參照，半系統(tǒng)試驗(yàn)預(yù)燃室室壓達(dá)到全系統(tǒng)額定工況的53，超過(guò)歷次高壓擠壓試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，氫氧渦輪葉片完好，未發(fā)生燒蝕等故障。這說(shuō)明，全尺寸預(yù)燃室采取的擾流均溫措施有效，出口燃?xì)鉁囟染鶆蛐阅軌驖M(mǎn)足渦輪泵的工作要求。

3 結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)方式，研究了不同因素對(duì)預(yù)燃室出口溫度均勻性的影響。在本文的研究工況范圍內(nèi)，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1)隨著縮進(jìn)深度比α的增大，燃?xì)鉁囟染鶆蛐灾饾u提高。

2)隨著室壓、混合比的升高，擾流環(huán)結(jié)構(gòu)的均溫效果呈升高趨勢(shì)，但拐彎結(jié)構(gòu)的均溫效果呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；擾流環(huán)和拐彎結(jié)構(gòu)的組合方案可使燃?xì)獾臏囟染鶆蛐蕴岣?4.8～89。

4)當(dāng)采用擾流環(huán)及90°拐彎結(jié)構(gòu)時(shí)，全尺寸預(yù)燃室的出口燃?xì)鉁囟染鶆蛐孕∮凇?0 K，同時(shí)相對(duì)于氫渦輪側(cè)出口，氧渦輪側(cè)出口的燃?xì)鉁囟染鶆蛐愿鼉?yōu)。