氣氧甲烷濺板式層板噴注器燃燒特性試驗(yàn)分析*

尹 亮，劉偉強(qiáng)

(1. 湖南文理學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 湖南 常德 415000； 2. 國防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院， 湖南 長沙 410073)

氣氣燃燒技術(shù)是全流量補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，也是未來可重復(fù)使用液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的重要研究方向[1-2]。氣氣燃燒過程中，推進(jìn)劑首先通過預(yù)燃室轉(zhuǎn)化成氣體狀態(tài)，從渦輪里排出的富氧燃?xì)夂透蝗既細(xì)庠龠M(jìn)入主燃室進(jìn)行補(bǔ)燃。推進(jìn)劑狀態(tài)的不確定會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能、響應(yīng)特性及穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響。適當(dāng)使用低溫推進(jìn)劑氣化方案，進(jìn)而采用氣氣單模式燃燒已成為液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可選方案之一。

氣氣燃燒的關(guān)鍵技術(shù)之一在于噴注器的選擇和設(shè)計(jì)，與液液燃燒和氣液燃燒方式不同，氣氣燃燒不需要考慮推進(jìn)劑的霧化和蒸發(fā)過程，因此對(duì)混合過程的研究變得至關(guān)重要。通過對(duì)目前常用的噴注器進(jìn)行對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，噴注器的設(shè)計(jì)過程主要包括：①確定噴注器類型，采用冷試試驗(yàn)方法獲得噴注器的流量特性及混合特性[3]；②在冷試試驗(yàn)基礎(chǔ)上開展熱試試驗(yàn)研究，考察噴注器燃燒特性、穩(wěn)定性及傳熱性等[4-8]。

對(duì)國內(nèi)外文獻(xiàn)進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，濺板式層板噴注器由于噴注形式的特殊性，推進(jìn)劑在噴注器流道內(nèi)部就開始霧化和混合，能有效縮短燃燒距離，獲得更高的混合效率。因此，有必要對(duì)濺板式層板噴注器混合及燃燒機(jī)理進(jìn)行深入研究，以滿足對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能、熱載性能及穩(wěn)定性的需求[9-10]。國內(nèi)外研究者對(duì)層板式噴注器進(jìn)行了較多的研究：雷凡培等[11]對(duì)濺板式層板噴注單元流量及混合特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲得了擴(kuò)張角及層板相對(duì)厚度對(duì)流量系數(shù)和混合效率的影響，結(jié)果表明，當(dāng)擴(kuò)張角取值為60°～75°時(shí)，流量系數(shù)和混合效率最大；Aerojet公司對(duì)一種小推力發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了研制，該發(fā)動(dòng)機(jī)采用了層板式噴注器技術(shù)，噴注器由300片不銹鋼層板組成，噴注面板上共設(shè)計(jì)了92個(gè)濺板式噴注單元，燃燒室采用耐高溫的錸銥材料并采用液膜冷卻方式進(jìn)行冷卻，其比沖為321.8 s，燃燒效率可達(dá)99%[12-13]；Yin等[9-10,14]對(duì)濺板式層板噴注器霧化及燃燒特性進(jìn)行了大量研究，對(duì)單噴嘴和多噴嘴噴注器氣氣燃燒特性進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，設(shè)計(jì)了一種氣膜冷卻層板式噴注器結(jié)構(gòu)，采用甲烷對(duì)燃燒室壁面及噴注面板進(jìn)行冷卻，分析了不同參數(shù)對(duì)氣膜冷卻效果的影響，并在數(shù)值仿真基礎(chǔ)上開展了氣氧甲烷氣氣流量特性及燃燒特性試驗(yàn)研究。

本文針對(duì)單噴嘴和多噴嘴濺板式層板噴注器燃燒特性開展熱試試驗(yàn)研究。采用氣氧和氣態(tài)甲烷作為推進(jìn)劑，并與數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。通過分析燃燒效率、燃燒室壓力和面板熱載等情況，獲得了不同結(jié)構(gòu)及工況下噴注器的燃燒性能、穩(wěn)定性及熱載性能。

1 試驗(yàn)對(duì)象

1.1 燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

開展氣氧甲烷層板式噴注器燃燒特性仿真及試驗(yàn)的對(duì)比研究，兩者選用的燃燒室結(jié)構(gòu)、尺寸、室壓及流量完全相同。其中燃燒室長度為120 mm，材質(zhì)為不銹鋼，火花塞位于燃燒室末端，測壓孔位置靠近噴注面板附近，如圖1所示?？紤]到試驗(yàn)時(shí)長短，單噴嘴噴注器燃燒室未進(jìn)行冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖1 燃燒室裝配示意Fig.1 Assembly drawing of the combustion chamber

1.2 噴注器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2和圖3所示為單噴嘴和多噴嘴噴注器結(jié)構(gòu)示意。從結(jié)構(gòu)上來看，該類型噴注器主要包括：氧化劑及燃料入口、頂層法蘭、分流層板和噴注面板。通過擴(kuò)散焊技術(shù)將噴注器焊接成型，各分流層層板厚度為1 mm，多噴嘴噴注器噴注面板厚度為2.5 mm。圖4給出了單噴嘴噴注器噴注面板示意，考慮到出口層噴嘴寬度及擴(kuò)張角對(duì)噴注器燃燒性能影響最大，這里分別取擴(kuò)張角為30°和60°，對(duì)應(yīng)的出口層寬度為2.89 mm、1.45 mm、2.7 mm、1.3 mm進(jìn)行試驗(yàn)，將各噴注器結(jié)構(gòu)分別標(biāo)記為SP1、SP2、SP3、SP4。

圖2 單噴嘴濺板式層板噴注器結(jié)構(gòu)Fig.2 Single-element splash platelet injector structure

圖3 多噴嘴濺板式層板噴注器結(jié)構(gòu)Fig.3 Multi-elements splash platelet injector structure

(a) SP1 (b) SP2

(c) SP3 (d) SP4圖4 單噴嘴層板式噴注器噴注面板結(jié)構(gòu)Fig. 4 Faceplate of single-element injector

1.3 測量及點(diǎn)火裝置

所有試驗(yàn)均在國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院氣氣燃燒試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。測量參數(shù)主要包括：氧化劑及燃料供應(yīng)系統(tǒng)壓強(qiáng)、流量及溫度，燃燒室壓強(qiáng)等。其中，壓力傳感器采用PT301型壓力變送器，測量范圍為-0.1～5 MPa，精度等級(jí)為0.2；流量計(jì)采用科里奧利質(zhì)量流量計(jì)，最大量程為40 g/s，精度等級(jí)為±0.5%[15]。所有試驗(yàn)均采用高能火花塞式點(diǎn)火器?；鸹ㄈ惭b于燃燒室身部后端，距噴管出口距離為85 mm。該點(diǎn)火器能對(duì)推進(jìn)劑進(jìn)行有效著火且工作穩(wěn)定可靠，能夠滿足試驗(yàn)研究需要。

1.4 試驗(yàn)系統(tǒng)及方案

試驗(yàn)對(duì)象為100 N氣氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)頭部采用層板式噴注器，混合比為3.20，燃燒室設(shè)計(jì)壓力為PC=0.85 MPa，單對(duì)噴嘴流量為m=5.5 g/s，燃燒室直徑為Dc=24.28 mm，喉部直徑為Dt=10.86，收縮比ε=5，燃燒室長度L=120 mm，表1列出了氣氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

試驗(yàn)供應(yīng)及測控系統(tǒng)包括氮?dú)夤?yīng)系統(tǒng)、甲烷供應(yīng)系統(tǒng)、氧氣供應(yīng)系統(tǒng)、壓力傳感器、氣體流量計(jì)、壓力表和溫度傳感器等，如圖5所示。

圖5 燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)組成Fig.5 Schematic diagram of experimental system

2 結(jié)果及分析

2.1 氣氣流量特性

在進(jìn)行熱試試驗(yàn)之前，首先對(duì)氣氣流量特性進(jìn)行研究，以獲得閥門的響應(yīng)時(shí)間、管路損失、系統(tǒng)壓力與流量之間的關(guān)系。目前國內(nèi)對(duì)氣氧甲烷氣氣流量特性研究較少，一般采用空氣代替燃料和氧化劑，所得結(jié)果對(duì)于熱試試驗(yàn)參考價(jià)值不大。氣氣流量特性主要影響推進(jìn)劑流量及供應(yīng)系統(tǒng)響應(yīng)，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性及穩(wěn)定性[15]。

氣氣流量特性測量數(shù)據(jù)主要包括：甲烷路噴前壓力及流量計(jì)前壓力、氧氣路噴前壓力及流量計(jì)前壓力、推進(jìn)劑入口溫度及質(zhì)量流量、燃燒室壓力。圖6(a)為試驗(yàn)獲得的甲烷和氧氣路噴前壓力及流量計(jì)前壓力，圖6(b)分別給出了甲烷和氧氣路噴前壓力和流量之間的關(guān)系。從圖6中可以得到，甲烷和氧氣質(zhì)量流量均隨著噴前壓力的增大而增大，且在選取的壓力范圍內(nèi)呈線性分布。為了保證所需混合比，壓力-流量曲線上甲烷和氧氣壓力點(diǎn)的選取值不同。

(a) 壓力曲線(a) Pressure curve

(b) 壓力-流量曲線(b) Pressure-flow curve圖6 多噴嘴噴注器壓力-流量曲線Fig.6 Pressure-flow curve of multi-elements injector

圖7給出了單噴嘴噴注器甲烷及氧氣路壓力-流量分布曲線，從圖中可以看到，噴注器結(jié)構(gòu)對(duì)壓力-流量分布曲線有較大影響，流量均隨著噴前壓力的增大而增大且呈線性分布。相同條件下，噴注器SP4中甲烷質(zhì)量流量最大，氧氣質(zhì)量流量最小，其余三種結(jié)構(gòu)壓力流量曲線分布相差不大。

2.2 多噴嘴噴注器燃燒特性試驗(yàn)分析

本小節(jié)對(duì)多噴嘴噴注器燃燒特性開展試驗(yàn)研究，如圖8所示，發(fā)動(dòng)機(jī)有效工作時(shí)間為0.5 s，火花塞點(diǎn)火時(shí)間僅為0.3 s，從圖中可以看出從噴管尾部噴出的火焰為淡藍(lán)色。由于試驗(yàn)時(shí)間短，采集到的壓力流量曲線尚未達(dá)到穩(wěn)定，實(shí)際流量可采用標(biāo)定后的壓力流量曲線通過式(1)換算得到，同時(shí)忽略火花塞對(duì)燃燒效率及噴注面板熱載的影響。

(1)

式中：At為節(jié)流面積；k為絕熱系數(shù)；R為氣體常數(shù)；M為流量；T為溫度。

(a) 甲烷(a) Methane

(b) 氧氣(b) Oxygen圖7 單噴嘴噴注器壓力-流量曲線Fig.7 Pressure-flow curve of single-element injector

圖8 多噴嘴噴注器熱試車照片F(xiàn)ig.8 Photo of multi-elements injector hot test

圖9給出了不同工況下多噴嘴噴注器熱試試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得了不同混合比及燃燒室壓力下噴注器燃燒效率分布情況。其中，工況1、2、3、4所對(duì)應(yīng)的混合比(氧氣/甲烷)分別為2.652、3.098、3.421、3.247，不同混合比下燃燒室壓力分別為1.029 5 MPa、1.042 3 MPa、1.027 5 MPa、0.602 6 MPa。從圖9中可以看出，燃燒效率隨著混合比的增大而增加，隨著燃燒室壓力的減小而降低。四個(gè)工況下燃燒效率最大值約為99.01%。

(a) 壓力(a) Pressure

(b) 質(zhì)量流量(b) Mass flow rate

(c) 混合比(c) Mixing ratio

(d) 燃燒效率(d) Combustion efficiency圖9 多噴嘴噴注器熱試試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.9 Experimental data of multi-elements injector

圖10 多噴嘴噴注器燃燒室試驗(yàn)壓力曲線Fig.10 Pressure curve of multi-elements injector combustion chamber

圖10給出了不同混合比下燃燒室壓力分布，從圖中可以看到，混合比對(duì)燃燒室壓力影響不大。通過對(duì)試驗(yàn)時(shí)序和燃燒室壓力分布曲線分析發(fā)現(xiàn)：點(diǎn)火成功后燃燒室內(nèi)壓力波動(dòng)較大，且在達(dá)到平衡后仍有小幅度的波動(dòng)。這是因?yàn)辄c(diǎn)火初始時(shí)刻火花塞產(chǎn)生大量的熱量，燃燒室內(nèi)壓力迅速上升并達(dá)到穩(wěn)定。燃燒室內(nèi)壓力出現(xiàn)二次下降，第一次出現(xiàn)在點(diǎn)火完成至推進(jìn)劑完全燃燒，第二次出現(xiàn)在吹除完畢，供給系統(tǒng)關(guān)閉后，此時(shí)燃燒室內(nèi)壓力基本接近大氣壓。燃燒室內(nèi)出現(xiàn)壓力波動(dòng)的原因很多，如甲烷和氧氣供應(yīng)系統(tǒng)壓力振蕩、試驗(yàn)時(shí)序設(shè)計(jì)不合理、噴注壓降過大以及燃燒室內(nèi)聲學(xué)振蕩等。為了獲得較為精確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，減小燃燒室內(nèi)壓力振蕩，可以采取以下方法：①減小噴注器噴注壓降；②設(shè)計(jì)合理的試驗(yàn)時(shí)序；③采用火花塞進(jìn)行點(diǎn)火；④合理設(shè)計(jì)文氏管前壓力等。

合理的噴注器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性及熱載至關(guān)重要。發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中由于受氣動(dòng)熱及高壓條件的影響，噴注器工作環(huán)境惡劣而影響其正常工作。層板式噴注器由于噴注面板厚度小，燃燒室頭部區(qū)域溫度高，噴注面板更容易發(fā)生燒蝕。同時(shí)，由于其特殊的噴注方式，推進(jìn)劑燃燒后在噴注面板附近產(chǎn)生回流，受燃?xì)饣亓鞯挠绊?，燃燒室頭部局部區(qū)域及噴注面板附近溫度較高。回流區(qū)雖然有利于提高推進(jìn)劑的混合及燃燒效率，但對(duì)于噴注面板的熱防護(hù)是不利的。

從前文圖3可以看出，多噴嘴噴注器采用了氣膜冷卻方式對(duì)燃燒室身部進(jìn)行冷卻，而噴注器面板并未采取冷卻措施。多噴嘴噴注器面板厚度為2.5 mm，面板上共設(shè)計(jì)32個(gè)氣膜冷卻孔、8對(duì)噴注單元，各噴注單元呈圓周均勻排列。受試驗(yàn)條件及燃燒室尺寸等的限制，未對(duì)燃燒室身部及噴注面板溫度進(jìn)行測量。圖11為多噴嘴噴注器噴注面板熱試試驗(yàn)前后對(duì)比照片，從圖中可以看出，熱試試驗(yàn)后噴注面板發(fā)生燃燒變色，氣膜冷卻區(qū)域較噴注面板中心顏色略淺，且均無燒蝕發(fā)生，該結(jié)果表明采用氣膜冷卻方式能一定程度上對(duì)噴注面板進(jìn)行冷卻，該試驗(yàn)條件下多噴嘴噴注器的設(shè)計(jì)是可行的。

(a) 試驗(yàn)前(a) Before the test (b) 試驗(yàn)后(b) After the test圖11 熱試前后多噴嘴噴注器噴注面板照片F(xiàn)ig.11 Photo of multi-elements injector faceplate before and after hot test

2.3 單噴嘴噴注器燃燒特性試驗(yàn)分析

圖12給出了單噴嘴噴注器熱試試驗(yàn)照片。設(shè)計(jì)了四種不同結(jié)構(gòu)的單噴嘴噴注器，從文獻(xiàn)[2]數(shù)值模擬結(jié)果可知，擴(kuò)張角及出口層噴嘴寬度對(duì)單噴嘴噴注器燃燒性能影響最大，其中，擴(kuò)張角主要影響噴注角及噴注方向，出口層噴嘴寬度對(duì)噴注角及噴注速度有較大影響。為了保證噴注器的正常工作，防止由于噴注面板熱載過大而造成噴注面板燒蝕失效，試驗(yàn)中所設(shè)計(jì)的噴注面板厚度為1 mm，與數(shù)值仿真中設(shè)計(jì)的噴注面板厚度為0.3 mm有所不同。

圖12 單噴嘴噴注器熱試車照片F(xiàn)ig.12 Photo of single-element injector hot test

圖13給出了不同混合比及燃燒室壓力下單噴嘴噴注器燃燒特性數(shù)據(jù)情況。從圖13中可以看出，對(duì)于同一結(jié)構(gòu)的噴注器，當(dāng)氧氣質(zhì)量流量保持不變，燃燒效率隨著混合比的增大而增加，燃燒室壓力變化不大。對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的噴注器，相同混合比下燃燒效率略有差別，當(dāng)混合比為3.585時(shí)，SP1噴注器燃燒效率達(dá)99.46%。當(dāng)混合比取值接近理論值3.2時(shí)，所得燃燒效率最大。其余結(jié)構(gòu)噴注器不同工況下的燃燒效率在76.59%～98.63%之間。同時(shí)還可以得到，相同混合比條件下，燃燒效率隨燃燒室壓力的降低而降低。

(a) 壓力(a) Pressure

(b) 質(zhì)量流量(b) Mass flow rate

(c) 混合比(c) Mixing ratio

(d) 燃燒效率(d) Combustion efficiency圖13 單噴嘴噴注器熱試試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.13 Experimental data of single-element injector

為了獲得不同結(jié)構(gòu)下噴注器面板熱載情況，獲得了單噴嘴噴注器噴注面板熱試前后照片，如圖14所示。噴注面板均采用304不銹鋼，其中SP1、SP2、SP3三種結(jié)構(gòu)噴注器進(jìn)行了四次試驗(yàn)，SP4噴注器只進(jìn)行一次試驗(yàn)，用以驗(yàn)證噴注面板燒蝕是由于噴注器多次試驗(yàn)造成。從圖14中可以看到，各噴注器噴注面板燒蝕情況差別較大，四種結(jié)構(gòu)的噴注器中，SP1噴注器噴注面板已發(fā)生嚴(yán)重?zé)g，其余噴注器噴注面板也發(fā)生不同程度的燃燒變色。同時(shí)，各噴注器噴注面板均發(fā)生不同程度的變形，變形區(qū)域位于氧化劑及燃料噴孔之間的位置，由于噴注器內(nèi)部壓力較高，噴注面板向燃燒室一側(cè)凸起。分析其原因：通過對(duì)文獻(xiàn)[14]結(jié)果進(jìn)行分析，擴(kuò)張角對(duì)噴霧錐角及撞擊點(diǎn)距離有較大影響，SP1噴注器中噴霧錐角最大，同時(shí)霧化撞擊點(diǎn)位置距離噴注面板最近，因此燒蝕也越嚴(yán)重。受回流區(qū)域的影響，噴注面板最高溫度位于噴孔之間，當(dāng)燃燒室內(nèi)壓力發(fā)生振蕩時(shí)，勢必影響噴注面板附近的燃?xì)馑俣?，從而影響其溫度分布，這也是噴注器被燒壞的原因之一。

(a) SP1

(b) SP2

(c) SP3

(d) SP4圖14 熱試前后單噴嘴噴注器噴注面板照片F(xiàn)ig.14 Photo of single-element injector faceplate before and after hot test

為了深入分析噴注器頭部燒蝕程度，對(duì)單噴嘴噴注器中間層面板熱試前后燒蝕情況進(jìn)行了對(duì)比分析，如圖15所示，可以看出，高溫高壓燃?xì)饧皣娮毫?duì)中間層面板影響不大。由于高溫區(qū)域位于噴孔之間，當(dāng)擴(kuò)張角為60°時(shí)，撞擊點(diǎn)位置距離噴注面板最近，該區(qū)域溫度最高，但由于中間層面板并未發(fā)生燒蝕，因此不影響噴注器的正常工作。

(a) 擴(kuò)張角60°(a) Expending angle 60°(b) 擴(kuò)張角30°(b) Expending angle 30°圖15 熱試后單噴嘴噴注器中間層面板照片F(xiàn)ig.15 Photo of single-element injector middle plate after the hot test

3 結(jié)論

針對(duì)不同噴注器結(jié)構(gòu)及不同工況對(duì)氣氧甲烷濺板式層板噴注器燃燒特性和熱載情況的影響開展了試驗(yàn)研究，對(duì)比分析了噴注器設(shè)計(jì)參數(shù)、混合比及燃燒室壓力對(duì)燃燒效率以及噴注面板熱載影響的區(qū)域和聯(lián)系，研究結(jié)論如下：

1)單噴嘴和多噴嘴噴注器甲烷和氧氣質(zhì)量流量均隨著噴前壓力的增大而增大，且在選取的壓力范圍內(nèi)呈線性分布。對(duì)于單噴嘴噴注器，相同條件下，SP4噴注器中甲烷質(zhì)量流量最大，氧氣質(zhì)量流量最小，其余三種結(jié)構(gòu)壓力流量曲線分布相差不大。

2)對(duì)于同一結(jié)構(gòu)的單噴嘴噴注器，當(dāng)氧氣質(zhì)量流量保持不變，燃燒效率隨著混合比的增大而增加，燃燒室壓力變化不大。對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的噴注器，相同混合比下燃燒效率略有差別，當(dāng)混合比為3.585時(shí)，SP1噴注器燃燒效率達(dá)99.46%。混合比變化對(duì)多噴嘴噴注器燃燒效率有較大影響，當(dāng)混合比取3.421時(shí)，所得燃燒效率值最大。

3)多噴嘴噴注器由于采用氣膜冷卻方式進(jìn)行冷卻，燃燒室身部及噴注面板均未發(fā)生燒蝕。四種結(jié)構(gòu)的單噴嘴噴注器中，SP1噴注器噴注面板已發(fā)生嚴(yán)重?zé)g，其余噴注器噴注面板也發(fā)生不同程度的燃燒變色和變形。

4)初步提出了氣氧甲烷濺板式層板噴注器的結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)方案，驗(yàn)證了采用電火花塞后置點(diǎn)火的可行性；由于濺板式層板噴注器噴注面板受熱載影響較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理選擇面板厚度。