潘 剛，牛旭東，潘 亮，鄭孟偉，孫紀國，丁兆波

(1.北京航天動力研究所，北京 100076； 2.航天推進技術研究院，陜西 西安 710100)

0 引言

氫氧發(fā)動機由于具有高性能、環(huán)保無污染等優(yōu)點，在國內(nèi)外的運載火箭中占有重要地位[1-2]。為了滿足載人登月、深空探測等大型宇航任務的需求，需要開展220 tf級大推力氫氧發(fā)動機的研制[3-4]。預燃室作為補燃循環(huán)氫氧發(fā)動機的關鍵組件，其出口燃氣溫度均勻性的優(yōu)劣直接影響渦輪泵葉片的工作可靠性[5]。

出口燃氣溫度均勻性作為預燃室或燃氣發(fā)生器的關鍵特性，國外氫氧發(fā)動機在研制過程中對其極為重視。美國的J-2氫氧發(fā)動機燃氣發(fā)生器采用了擾流環(huán)以及彎頭結構來保證出口燃氣溫度的均勻性[6]。SSME(space shuttle main engine)預燃室主要采用了噴嘴均勻布置的方式來保證燃氣溫度的均勻分布，但在發(fā)動機的研制過程中遇到了大量渦輪葉片斷裂、金屬燒蝕等問題，經(jīng)分析該問題可能是由于燃氣溫度分布不均勻?qū)е?，為此進行多次試驗獲取了渦輪入口處的溫度分布情況，結果表明渦輪葉片處局部存在1 280 K左右的高溫區(qū)，比預期值高幾百K[7-8]。RS-68氫氧發(fā)動機燃氣發(fā)生器采用了彎頭結構來保證出口燃氣溫度的均勻性，并進行了相應試驗對其性能進行評估[9]。J-2X氫氧發(fā)動機燃氣發(fā)生器是基于RS-68發(fā)動機設計而成，并將出口燃氣溫度均勻性作為設計指標，通過試驗考核了不同噴嘴數(shù)量、燃燒室長度、出口結構等因素對燃氣溫度均勻性的影響[10-13]。歐洲的VULCAIN/VULCAIN2氫氧發(fā)動機燃氣發(fā)生器為了確保出口燃氣溫度均勻性能夠達到±50 K的設計要求，采用了擾流環(huán)、彎頭結構，并通過縮尺試驗的方式獲得了不同氫氧噴注速度、氧噴嘴縮進深度、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)動機預燃室通過高壓擠壓試驗對出口燃氣溫度均勻性進行了評估，混合比范圍為0.7～0.9，室壓范圍為1～15 MPa，試驗結果表明LE-7預燃室的出口燃氣溫度的變化范圍在70 K以內(nèi)[21-22]，并在LE-7預燃室的基礎上優(yōu)化設計了LE-7A預燃室[23]。蘇聯(lián)的RD0120氫氧發(fā)動機為了確保出口燃氣溫度均勻性符合要求，采用了整流柵結構，最終出口燃氣溫度均勻性達到了±70 K左右[5，24-25]。

綜上所述，國外氫氧發(fā)動機預燃室或燃氣發(fā)生器一方面在結構設計方面保證出口燃氣溫度均勻性能夠滿足要求，另一方面通過試驗的方式對出口溫度均勻性指標進行評估及優(yōu)化。上述研究是針對特定結構進行的，然而相對于國外氫氧發(fā)動機燃氣發(fā)生器或預燃室，220 tf級氫氧發(fā)動機預燃室在尺寸、流量、壓力等參數(shù)方面均存在變化。為確保220 tf預燃室的出口燃氣溫度均勻性滿足±50 K的設計要求，需要開展結構參數(shù)、工況參數(shù)等對出口燃氣溫度均勻性的影響研究。因此，本文通過縮尺預燃室試驗方式，研究了縮進深度比、擾流結構、工況等因素對高壓低混合比預燃室出口燃氣溫度均勻性的影響,并進一步通過全尺寸預燃室試驗方式驗證了設計方案的合理性。該工作可為大推力氫氧發(fā)動機的研制提供技術指導。

1 試驗裝置及系統(tǒng)

為了保證出口燃氣溫度均勻，全尺寸預燃室采用了擾流環(huán)以及90°拐彎結構。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計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。在全尺寸預燃室的基礎上，設計了縮尺預燃室。縮尺預燃室噴注器由1圈6個噴嘴組成，噴嘴結構與全尺寸預燃室保持一致，其中噴注器共有4種方案：3種縮進深度比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。縮尺預燃室同樣采用了擾流環(huán)及拐彎結構，擾流環(huán)的節(jié)流面積比、拐彎的角度均與全尺寸預燃室保持一致。預燃室模型及試驗時的照片如圖1所示，噴嘴示意圖如圖2所示?？s進深度比α的定義為氧噴嘴縮進深度L與氧噴嘴出口內(nèi)徑D的比值，縮進深度比α分為0.43、0.64、0.85。

圖1 預燃室模型及試驗

圖2 噴嘴示意圖

為了更好地分析不同影響因素對燃氣溫度均勻性的影響，在縮尺預燃室不同截面位置均布置了熱電偶傳感器，用于測量試驗過程中燃燒室內(nèi)燃氣的溫度，并選取3個截面的溫度測量數(shù)據(jù)進行分析。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處的傳感器代號分別為TA、TB、TC。熱電偶傳感器的測點位置示意圖如圖4所示。假設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 溫度測量截面示意圖

圖4 測點位置示意圖

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

圖5 試驗系統(tǒng)示意圖

2 試驗結果及分析

2.1 縮進深度比對燃氣溫度均勻性的影響

為了更好地評估縮進深度比α的影響，排除擾流環(huán)以及拐彎結構的影響，只對截面A處的燃氣溫度均勻性進行了對比分析。燃氣溫度均勻性隨縮進深度比的變化如圖6所示，其中燃氣溫度均勻性采用溫度差值ΔT來表征，具體計算方式如式(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，溫度差值ΔT表示圍繞基準值波動的范圍。

圖6 縮進深度比對燃氣溫度均勻性的影響

(1)

由圖6可知:隨著α的增加，燃氣溫度均勻性逐漸提高。這說明，在燃燒室長度相同的情況下，增大α有助于改善出口燃氣的溫度均勻性。這主要是因為氧噴嘴縮進深度增加，增加了氫氧的預混長度，使得氫氧的燃燒距離縮短，進而增大了燃氣的混合距離，有助于提高燃氣溫度均勻性。

截面A處不同測點溫度值如圖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，最低溫度呈現(xiàn)上升趨勢。這也說明，在本文的研究工況下，增大α有助于燃燒室內(nèi)燃氣溫度均勻性的提高。由圖還可知：同一縮進深度比α下，相同插深傳感器測得的燃氣溫度存在差異；不同縮進深度比α下，最高溫度、最低溫度的測點位置不同。這主要是因為：同一α下，相同插深傳感器對應的噴嘴分布位置不一樣，同時縮尺預燃室中各噴嘴間的噴注特性也不完全一樣，因此導致相同插深傳感器所測溫度存在一定差異，這與文獻[26-28]的研究結果類似；不同α下，噴嘴出口處氫氧間的著火點不同，同時噴嘴下游的燃燒場分布也存在一定差異，文獻[29]的試驗結果也表明噴嘴縮進深度會影響下游火焰的分布，而火焰分布與燃氣溫度分布相對應，因此導致不同α下呈現(xiàn)最高溫度、最低溫度的測點不同。

圖7 截面A處的溫度值

2.2 擾流結構對燃氣溫度均勻性的影響

為了保證出口燃氣溫度均勻性滿足設計要求，全尺寸預燃室采用了擾流環(huán)及拐彎結構，并通過縮尺預燃室試驗方式對擾流環(huán)和拐彎結構的擾流均溫效果進行了考核。圖8給出了不同壓力、混合比下擾流環(huán)和拐彎結構對出口燃氣溫度均勻性的影響。其中，針對不同工況，為了更好地對比不同結構的均溫效果，引入了無量綱參數(shù)δ，定義為均溫系數(shù)，如式(2)所示。

圖8 擾流環(huán)與拐彎結構對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)結構的均溫效果；δB-C為截面B到截面C的均溫系數(shù)，表征拐彎結構的均溫效果；δA-C為截面A到截面C的均溫系數(shù)，表征擾流環(huán)與拐彎結構共同的均溫效果；LA-B、LB-C、LA-C分別為δA-B、δB-C、δA-C的趨勢線。

由圖8可知，在本文的試驗工況參數(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，δB-C呈現(xiàn)逐漸下降趨勢。說明室壓、混合比的升高有助于提高擾流環(huán)結構的均溫效果。由圖還可知：對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。這說明相對于單獨的擾流環(huán)結構，擾流環(huán)與拐彎結構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 工況變化對燃氣溫度均勻性的影響

圖9 不同工況下的燃氣溫度均勻性

(3)

式中：τ為燃氣停留時間，s；V為燃燒室容積，m3；ρ為燃氣的平均密度，kg/m3；q為推進劑質(zhì)量流量，kg/s。

2.4 全尺寸預燃室均勻性分析

在縮尺試驗驗證全尺寸設計方案合理有效的基礎上，進行了全尺寸預燃室高壓擠壓試驗，進一步驗證設計方案的合理性。全尺寸預燃室的高壓擠壓試驗系統(tǒng)與縮尺預燃室擠壓試驗系統(tǒng)類似。不同之處在于，全尺寸預燃室出口分為氫渦輪側出口和氧渦輪側出口。全尺寸預燃室2個出口分別布置了不同插深的熱電偶傳感器，用于考核出口燃氣的溫度均勻性。全尺寸預燃室進行了多次高壓擠壓試驗，室壓為7.7～13.4 MPa，混合比為0.61～1.09。試驗結果表明，氫、氧渦輪側出口的燃氣溫度均勻性均在±50 K范圍內(nèi)，滿足設計要求，同時氧渦輪側出口的燃氣溫度均勻性更優(yōu)。

在全尺寸預燃室高壓擠壓試驗指標滿足設計要求的情況下，與氫氧渦輪泵組合共同進行了半系統(tǒng)試驗，進一步通過真實產(chǎn)品考核了預燃室的出口燃氣品質(zhì)。以室壓為參照，半系統(tǒng)試驗預燃室室壓達到全系統(tǒng)額定工況的53，超過歷次高壓擠壓試驗。試驗結果表明，氫氧渦輪葉片完好，未發(fā)生燒蝕等故障。這說明，全尺寸預燃室采取的擾流均溫措施有效，出口燃氣溫度均勻性能夠滿足渦輪泵的工作要求。

3 結論

本文通過試驗方式，研究了不同因素對預燃室出口溫度均勻性的影響。在本文的研究工況范圍內(nèi)，得到以下幾點結論。

1)隨著縮進深度比α的增大，燃氣溫度均勻性逐漸提高。

2)隨著室壓、混合比的升高，擾流環(huán)結構的均溫效果呈升高趨勢，但拐彎結構的均溫效果呈現(xiàn)下降趨勢；擾流環(huán)和拐彎結構的組合方案可使燃氣的溫度均勻性提高54.8～89。

4)當采用擾流環(huán)及90°拐彎結構時，全尺寸預燃室的出口燃氣溫度均勻性小于±50 K，同時相對于氫渦輪側出口，氧渦輪側出口的燃氣溫度均勻性更優(yōu)。