液氧煤油补燃发动机喷注器高频燃烧不稳定性的试验研究

针对液氧煤油高压补燃循环发动机高频燃烧不稳定性这一突出问题,建立了喷注单元的低压高频燃烧不稳定性模拟试验系统,使用气气推进剂。利用相似准则设计了缩比燃烧室,研究了全尺寸气液同轴式喷注器的结构尺寸和工作参数对燃烧稳定性的影响。结果表明,激发高频燃烧不稳定性时火焰变短,燃烧室压力出现大幅振荡并伴随啸叫;喷注器缩进室长度对燃烧稳定性裕量有很大影响并存在相对最佳值。试验结果可以指导发动机燃烧室的燃烧稳定性设计和评估,在发动机研制初期筛选燃烧稳定性相对最好的喷注器结构。

高频燃烧不稳定性单喷注器燃烧室模拟实验的研究

高频燃烧不稳定性单喷注器燃烧室常压燃烧的模拟实验依据相似理论在大气环境下进行。模拟燃烧室采用与实际燃烧室有相同声学频率的模拟件，喷注器采用实际尺寸喷注器，实验介质为高温富氧空气和蒸气煤油。Ⅱ2=（P。/PF）^0.5（QVo／qvf）作为确定性相似准则，Ⅱ1=v/（Lf）为被确定性相似准则。改变富氧空气流量，调节燃烧室声学振荡和燃烧脉动的相位关系，激励起燃烧室高频不稳定性燃烧。用同轴湍流射流混合流场的经验公式估算燃烧区的特征长度，通过相似准则和燃烧室热力学参数将实验结果换算到实际发动机工况。整套模拟实验系统包括煤油、空气和氧气供应系统，流量控制和测量系统，空气甲烷燃烧器，富氧空气和煤油换热器，模拟燃烧室和喷注器，实验参数采集和处理系统，冷却水供应及控制系统等。发动机实验表明，模拟实验系统和方法是可行的。

大推力液氧煤油补燃发动机高频燃烧不稳定性的控制方法

针对大推力液氧煤油补燃发动机高频燃烧不稳定性问题,讨论了气液同轴式喷嘴、隔板和整流栅等主要控制方法及其控制机理。对喷注单元和隔板进行了声学实验,获得了气喷嘴长度、节流直径以及隔板高度、间隙等结构参数对燃烧室声学特性的影响规律。研究表明,合理设计气液喷嘴和隔板可有效控制高频燃烧不稳定性;对未来重型运载大推力补燃火箭发动机的高频燃烧不稳定性控制方法以隔板和气液喷嘴为主,应采取流强分区、整流栅等技术措施。

高频燃烧不稳定性的试验研究方法及面临的挑战

采用特征时间法分析了液体火箭发动机燃烧子过程的响应特性,指出了高频燃烧不稳定性试验研究的重点。介绍了国内外典型的高频燃烧不稳定性模拟实验方法与试验装置,认为推力室声学、低压燃烧不稳定性模拟试验以及喷嘴动力学试验研究是目前指导工程设计的主要途径,高压燃烧过程试验和光学测量技术是未来充分认识其激励机理的关键。

高频燃烧不稳定性全尺寸头部燃烧室低压燃烧模拟实验的原理及实现

高频燃烧不稳定性一直是液体火箭发动机研制中最困难问题之一,模拟实验是有理论和实际意义的研究方法。全尺寸头部燃烧室低压燃烧模拟实验采用实际燃烧室的头部和身部,用高温空气和气态燃料作介质,在较低的燃烧室压力下进行模拟实验。依据相似理论,选择被确定性相似准则和确定性相似准则,通过改变空气流量、温度、气态燃料的流量以及燃烧室喉部调节锥位置而改变燃烧室声学振荡和燃烧脉动的相位关系,激励起燃烧室高频不稳定性燃烧。通过相似准则和燃烧室热力参数将实验结果换算到实际发动机工况。整套模拟实验系统包括空气加热器、换热器、燃料蒸发器、模拟燃烧室、空气和燃料供应及控制系统、实验参数采集和处理系统、冷却水供应及控制系统等。系统可用于研究特定燃烧室的高频燃烧不稳定性裕度、抗脉动装置的效果、不同喷注器排列方案的相对优劣以及发动机启动阶段的工作特性。

同轴喷嘴自发激励高频燃烧不稳定性试验研究

为增进对液氧煤油火箭发动机同轴离心喷嘴燃烧不稳定性过程的理解,在大气环境下进行了同轴离心喷嘴的自发激励燃烧不稳定性试验。试验采用单喷嘴敞口模拟燃烧室,高温的氧气和空气混合物从同轴喷嘴的直流喷嘴喷注,高温的煤油蒸气从同轴喷嘴的离心喷嘴喷注。通过逐步改变氧化剂流量使模拟燃烧室内产生自发激励高频燃烧不稳定性,使用脉动压力传感器和黑白高速相机记录稳定和不稳定燃烧工况下的脉动压力和火焰。研究发现:气气同轴离心喷嘴的自发激励高频燃烧不稳定过程呈现"滞后"现象;不稳定工况下的火焰均为脱口火焰,火焰特征长度约等于喷嘴出口到脱口火焰团上沿的距离;气气同轴离心喷嘴燃烧不稳定性的发生原因可以被认为是因混合特征时间与声学特征时间相关。

增强大推力火箭发动机燃烧稳定性裕度的方法

针对重型运载大推力液体火箭发动机自发激励高频燃烧不稳定性的技术风险,总结和分析了影响大推力液氧煤油火箭发动机燃烧稳定性裕度的因素,主要包括燃烧室声学固有频率、燃烧室结构和喷嘴几何结构。结果表明:发动机喷注器附近的推进剂燃烧区、燃烧室收敛段对燃烧室声学固有频率有较大影响;燃烧室长度为燃烧室直径的0.205倍或0.205的奇数倍时有相对最好的燃烧稳定性;气液同轴式喷嘴长度为燃烧室一阶切向振荡频率的0.5倍时,能传递最大的振荡能量。最后,提出了一种增强燃烧稳定性裕度、避免出现切向振型高频燃烧不稳定性的燃烧室设计方法。

液氧煤油火箭发动机不稳定燃烧过程的数值分析

采用欧拉-拉格朗日方法对液氧煤油发动机燃烧室内的两相燃烧过程进行数值模拟,在验证模型可靠性基础上,分析无隔板工况下自激1阶切向高频不稳定性燃烧出现的原因。结果表明:喷嘴间雾化锥发生相互干涉使得推进剂空间分布不均,导致脉动释热,同时燃烧室内无隔板时横向压力波阻尼特性降低,使得燃烧室内出现1阶切向燃烧不稳定性;在不稳定燃烧过程中,压力振荡波形和频率与释热波动的波形和频率产生耦合,耦合程度越高,所含释热波峰峰值数量越少,其振荡幅值也将越大。

喷嘴结构对液氧煤油火箭发动机高频燃烧不稳定性的影响

为了筛选高压补燃循环液氧煤油火箭发动机的喷嘴,在喷注单元低压高频燃烧不稳定性模拟实验系统上开展实验,研究了喷嘴结构对燃烧稳定性边界的影响。实验使用气态空气与氧气的混合物作为氧化剂,加热的煤油蒸汽作为燃料;喷嘴为全尺寸气液同轴直流离心式喷嘴,模拟燃烧室与真实燃烧室的固有声学频率相等。根据测量模拟燃烧室内的脉动压力区分大幅振荡、小幅振荡和稳定工作。研究结果表明,喷嘴长度、缩进室长度和入口节流嘴直径对高频燃烧不稳定性裕量有很大影响,并存在相对最佳值。

脉冲放电等离子体控制火箭发动机高频燃烧不稳定性机理

为研究等离子体对火箭发动机高频燃烧不稳定性的影响,提出了一种基于脉冲激励准直流放电等离子体的控制方案,采用数值仿真方法研究了脉冲放电等离子体对燃烧室流场平均参数及动态特征的影响规律。结果表明:脉冲激励下燃烧室平均温度和压力都较定常激励下有所降低,对整个燃烧室的影响可以忽略。与定常激励相似,等离子体可以在一段时间内抑制高频压力振荡,而且在特定控制参数下其对不稳定燃烧的抑制效果优于定常激励方式;从功率谱密度分析可知脉冲激励下燃烧室压力振荡特征频率由燃烧室固有声学频率和脉冲激励频率两者共同决定,提高激励频率则特征频率幅值有所降低。脉冲激励方式与定常激励一样不改变燃烧室压力-释热耦合特征,但是通过降低释热率能够改变压力振荡幅值,进而实现对高频不稳定燃烧的抑制。在所研究工况中,激励频率为50 kHz、占空比为20%的脉冲控制参数下等离子体的抑制效果最佳。

燃烧室声学特性模拟实验及应用

介绍了补燃循环液体火箭发动机燃烧室声学特性模拟实验原理、方法和在发动机高频燃烧不稳定性研究中的应用。模拟实验系统包括激励源、模拟燃烧室和声学特性测量系统等。激励源为扬声器或者喷嘴气流。模拟燃烧室是依据高频燃烧不稳定性特征设计、与实际燃烧室有相同固有频率的缩尺件。声学特性测量系统包括麦克风、频谱分析仪和示波器等。模拟实验主要用于研究特定燃烧室的声学特性，研究给定燃烧室结构下喷嘴和隔板的优化设计，研究高频燃烧不稳定性的机理。

声学扰动对燃烧室声学特性的影响研究

针对利用旋转齿轮对燃烧过程施加高频声学扰动的方法,为获得其对同轴离心喷嘴燃烧室声学特性的影响,设计了一种带辅喷管的单喷嘴扁平燃烧室,分别在冷试和热试工况下研究了旋转齿轮声学扰动装置对燃烧室声学特性的影响。冷试中当扰动频率等于燃烧室某振型的特征频率时燃烧室内出现驻波特征振荡。热试重点关注了煤油蒸气/富氧空气燃烧过程对声学扰动的响应,改变扰动装置的位置可改变声压波节线的方向,实现推进剂喷入位置为声压波腹或声压波节。研究表明,一阶切向声学振荡对同轴离心喷嘴与声压波腹的相对位置敏感,煤油蒸气/富氧空气燃烧过程易受声压波动的影响,推测液氧煤油补燃循环发动机内的高频燃烧不稳定性可能易被声压波动激发。

液氧煤油气液同轴直流离心式喷嘴的声学模拟实验研究

气液同轴直流离心式喷嘴对补燃发动机燃烧室高频燃烧稳定性有显著影响。为研究气液同轴直流离心式喷嘴的声学特性,在大气环境条件下进行了单喷嘴声学模拟实验。通过安装在模拟燃烧室外侧的扬声器激发声学振荡,利用声学探针测量燃烧室内的声压,获得了喷嘴长度、节流嘴直径对燃烧室声学特性的影响规律,确定了喷嘴长度与节流嘴直径的选取原则。

补燃循环火箭发动机气液同轴式喷嘴声学特性研究

基于经典声学和振动理论,运用流体动力学基本方程描述燃气通道内气体的波动现象,建立了双组元同轴直流离心式气液喷嘴声学特性分析的物理、数学模型,采用四端网络方法进行了计算。对单喷嘴声学模拟试验结果进行了分析。结果表明,所建声学特性分析模型用于分析喷嘴波动过程是可行的;合适的通道长度和节流嘴直径对液氧／煤油补燃循环发动机高频燃烧不稳定性有明显的阻尼作用。

隔板对燃烧室压力高频自激振荡的抑制作用

隔板在抑制液体火箭发动机高频燃烧不稳定性方面具有重要作用。该文研究隔板对液体火箭发动机中自激高频燃烧不稳定性的抑制作用机理。在初边值条件不施加任何激励的情况下,首先对无隔板的液氧/煤油模型发动机中的气液两相非稳态燃烧过程进行数值模拟,获得的燃烧室压力和流向平均速度与实验结果相符,并得到了燃烧室中的压力自激振荡。研究了隔板对这种压力自激振荡的抑制作用,并分析了压力波随时间的传递与演化过程。结果表明:无隔板燃烧室中发生了高频不稳定燃烧,频谱分析显示其具有1阶横向振型与2阶纵向振型;引入隔板后,燃烧室中的压力振荡减弱,且其横向振型消失,只有2阶纵向振型。结合燃烧室中压力波的传递和演化过程进行分析可知,压力自激振荡源主要出现在头部附近的区域,隔板的加入可以有效抑制压力波的横向传播,并提高激发不稳定燃烧所需的能量,从而抑制燃烧不稳定性的发生。