潘 刚，牛旭东，丁兆波，孙纪国

（北京航天动力研究所，北京，100076）

0 引 言

国外学者对燃气发生器喷嘴在变工况下的燃烧特性进行了相应试验研究。Vulcain 发动机研制人员为了优选燃气发生器的喷嘴结构，设计了缩比燃气发生器，在室压5～10 MPa、混合比0.7～1.1、喷嘴流量0.14～0.2 kg/s、超临界氢进口温度40 K、液氧进口温度100 K的条件下获得了不同喷嘴下的温度均匀性等参数[2]。LE-7发动机研制人员在混合比0.7～0.9、室压1～15 MPa条件下获得了燃气发生器的温度均匀性、燃烧稳定性等性能参数[3]。J-2X 发动机研制人员针对61 个喷嘴和43 个喷嘴两种不同方案的燃气发生器进行了性能考核试验，同时也进行了对应发动机推力在1307 kN、1067 kN 工况下的性能考核试验[4,5]。然而，中国针对用于大推力氢氧发动机燃气发生器的氢氧喷嘴试验研究较少，尤其是氢氧喷嘴在变工况下的相应性能试验研究较为欠缺。

本文针对大流量低混合比氢氧喷嘴，设计了一种燃气发生器，开展了喷嘴变工况下的燃烧特性试验研究，获得了燃烧效率、温度均匀性、燃烧稳定性、点火特性等重要性能参数。该工作可为具备推力调节功能的大推力氢氧发动机燃气发生器的研制提供技术指导。

1 试验系统及试验工况

燃气发生器试验为高压低温系统挤压试验。燃气发生器试验的系统示意如图1 所示。试验系统中液氧和液氢来自高压低温储箱，其中液氢流经管路进入燃气发生器时已变为超临界状态。燃气发生器喷注器共有6 个同轴直流喷嘴，同轴直流喷嘴的结构如图2 所示。该喷嘴与SSME 预燃室[6]、Vulcain 燃气发生器[7]喷嘴结构类似，中间为氧喷嘴，外侧为氢喷嘴。

图1 燃气发生器试验系统示意Fig.1 Schematic of the Gas Generator Experiment System

图2 同轴直流喷嘴结构示意Fig.2 Schematic of the Shear Coaxial Injector

燃气发生器试验时不同工况下的测量参数如表1所示。由表1 可知，以工况A 为基准，燃气发生器的室压变化范围为50%～100%，喷嘴流量的变化范围为54%～100%，混合比变化范围为77%～100%。在工况A 下，燃气发生器单喷嘴流量达到了0.26 kg/s，远高于Vulcain 燃气发生器单喷嘴流量0.141 kg/s[8]，与LE-7 燃气发生器单喷嘴流量0.241 kg/s[3]、SSME 燃气发生器单喷嘴流量0.262 kg/s[9,10]水平相当。

表1 试验工况Tab.1 Experiment Conditions

2 试验结果及分析

2.1 燃烧效率分析

不同工况下燃气发生器的燃烧效率如图3 所示。由图3 可知，在同一喷嘴结构下，不同工况下的燃烧效率均维持在较高水平，但随着试验工况的降低，燃气发生器的燃烧效率略有降低，由工况A 的0.998 降低到了工况B 的0.986。这主要是因为：相对于工况A，工况B 属于燃气发生器的低工况，氧喷嘴压降显著降低，液氧的喷注速度降低，雾化性能变差，不利于氢氧间的快速掺混燃烧，因此工况B 下的燃烧效率略有降低。

图3 不同工况下燃烧效率Fig.3 Efficiency with Different Conditions

2.2 温度均匀性分析

燃气发生器一般要保证出口温度均匀，避免燃气局部温度升高，烧蚀涡轮叶片。为了考核燃气发生器的出口温度均匀性，在出口截面共布置了6 个温度传感器，分为4 种插深，身部传感器温度测点位置如图4所示。

图4 温度传感器位置Fig.4 Schematic of Temperature Sensor Location T1～T6—温度传感器

其中，以燃气发生器出口截面半径R 为基准，T1的插深为0.09R，测量靠近壁面处的温度；T2、T3 的插深均为0.39R，周向位置不同；T4、T5 的插深均为0.65R，周向位置不同；T6 的插深为0.99R，测量出口中心处的温度。

不同工况下出口截面处的各测点温度曲线如图5所示。由图5 可知，相对于工况A，由于工况B 下混合比较低，燃气发生器出口截面处的温度较低。工况A 下，T2 测点处的温度最高、T4 测点处的温度最低；工况B 下，T1 测点处的温度最高、T2 测点处的温度最低；同一工况下，相同插深的传感器测得的燃气温度也存在差异，其中工况A 下相同插深传感器测得的燃气温度相对差值较大。这主要是因为：a）不同工况下，喷嘴的流量不同、混合比不同，从而使喷嘴的喷注特性存在差异，同时燃气在周向方向的湍流流动也存在差异，因此不同工况下燃气发生器内的温度分布存在差异；b）同一工况下，虽然传感器的插深一样，但对应的喷嘴分布位置存在差异，同时燃气发生器中各喷嘴间的喷注特性也存在一定差异，因此同一工况下相同插深传感器测得的温度存在差异。

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图5 出口截面温度变化曲线Fig.5 Temperature Curves of Outlet

为了更好地分析燃气发生器出口截面处的温度均匀性水平，选取试验过程中各温度测点的平均值进行评估，燃气发生器出口截面处的温度均匀性如图6 所示。由图6 可知，不同工况下，燃气发生器出口处的温度差值均小于30 K，但工况A 下出口截面处的温度均匀性水平要优于工况B。这可能是因为，相对于工况A，工况B 下推进剂的混合比较低，需要更长的距离进行掺混燃烧。

图6 出口截面温度均匀性Fig.6 Temperature Uniformity of Outlet

2.3 燃烧稳定性分析

不同工况下的振动加速度如图7 所示。由图7 可知，不同工况下的振动加速度量级相当；但相对于工况A，工况B 下的振动加速度值有所增加，其中轴向振动增加了33.2%，径向振动增加了24%，切向振动增加了5.7%。

图7 不同工况下的振动加速度Fig.7 Vibration Acceleration with Different Conditions

不同工况下室压、氧喷前压力的相对脉动值如图8所示。由图8 可知，不同工况下，室压的相对脉动值均高于氧喷前压力相对脉动值；工况A 下，室压、氧喷前压力的脉动值小于5%；相对于工况A，工况B 下室压、氧喷前压力的脉动值显著增大，均大于5%，其中室压相对脉动值增大134%，氧喷前压力脉动值增大276%。

图8 不同工况下的脉动值Fig.8 Pulse Value with Different Conditions

图9～11 分别给出了不同工况下室压、氧喷前压力、氢喷前压力曲线。

图9 不同工况下的室压曲线Fig.9 Combustor Pressure Curves with Different Conditions

图10 不同工况下的氧喷前压力曲线Fig.10 Oxygen Pressure Curves with Different Conditions

图11 不同工况下的氢喷前压力曲线Fig.11 Hydrogen Pressure Curves with Different Conditions

由图9～11 可知，相对于工况A，工况B 下室压、氧喷前压力、氢喷前压力均存在明显的规律性脉动，频率为33 Hz 左右。通过对高频速变室压、高频速变氧喷前压力频谱图分析，室压、氧喷前压力均存在明显的33 Hz 左右的频率。

综合以上分析表明，工况A 下，燃气发生器能够稳定燃烧，而在工况B 下，燃气发生器发生了33 Hz左右的低频不稳定燃烧。这是因为，相对于工况A，工况B 下氧喷嘴的压降显著降低，由工况A 下的11.6%降低到4.9%，喷嘴的阻尼特性减小，使得燃气发生器内的燃烧过程与推进剂供应系统内的流动过程发生了耦合。这说明，对于特定的喷嘴阻尼特性和燃烧室容积设计，超临界氢/液氧同轴直流式喷嘴存在一个稳定工作的氧喷嘴压降下限，如果工作环境低于该下限，易激发燃烧不稳定。

2.4 点火定性分析

为了更好地了解超临界氢/液氧同轴直流式喷嘴在不同工况下的工作特性，对不同工况下的点火延迟时间进行了统计。试验结果表明：在相同的点火能量下，相对于工况A，工况B 下燃气发生器的点火延迟了约0.4 s。主要是因为：a）相对于工况A，工况B 下燃气发生器的流量较小，氢腔和氧腔的填充时间较长；b）在喷嘴几何结构不变的情况下，工况B 下液氧的流量及压力均较小，使得液氧的喷注速度较低，导致液氧与氢掺混达到点火混合比的时间较长。

3 结 论

本文通过试验方式，对大流量低混合比超临界氢/液氧同轴直流式喷嘴在变工况下的燃烧特性进行了研究。试验结果表明：

a）在本文研究的工况范围内，燃烧效率均不低于0.986。

b）在本文研究的工况范围内，燃气发生器出口温度均匀性良好，温度差值小于30 K。

c）对于特定的喷嘴阻尼特性和燃烧室容积设计，超临界氢/液氧同轴直流式喷嘴存在一个稳定工作的氧喷嘴压降下限，如果工作环境低于该下限，易激发燃烧不稳定。

d）在同样的点火能量下，相对于低工况，高工况下点火更加容易。