环槽式过氧化氢牒油气液喷注器研究.pdf

第 3 8 卷 第 3期 2 0 1 2年 6月 火箭推 进 J 0URNAL O F ROCK ET P RO P UL S I ON Vo 1 3 8 3 J u n 2 0 1 2 环槽式过氧化氢牒 油气液喷注器研究 潘亮，聂嵩，刘业奎 ( 北京航 天动力研究所 ，北京1 0 0 0 7 6 ) 摘 要：对环槽式过氧化氢 煤油气液喷注器进行 了理论分析和数值仿真计算。介绍 了环 槽式过氧化氢 煤油气液喷注器热试车情况，试验燃烧室压力 l 2 M P a ，混合比7 9 ，获得 了 燃烧效率、点火性能、燃烧稳定性、喷嘴特性及混合比等重要参数。 关键词 ：过氧化氢 煤油；喷注器 ；数值模拟；试验 中图分类号 ：V 4 3 4 3 3 4 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 6 7 2 9 3 7 4( 2 0 1 2 )0 3 0 0 2 3 0 6 I n v e s t i g a t i o n o f c i r c u l a r s l o t h y d r o g e n p e r o x i d e k e r o s e n e i n j e c t o r PAN Li a ng ， NI E S o n g， LI U Ye - k ui ( B e ij i n g Ae r o s p a c e P r o p u l s i o n I n s t i t u t e ， B e ij i n g 1 0 0 0 7 6 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e c i r c u l a r s l o t h y d r o g e n p e r o x i d e k e r o s e n e i n j e c t o r i s a n a l y s e d t h e o r e t i c a l l y a n d mo d e l e d n u me ri c a l l y i n t h i s p a p e r T h e h o t t e s t s o f t h e h y d r o g e n p e r o x i d e ke r o s e n e i n j e c t o r a r e p r e s e n t e d ， i n wh i c h t h e c h a mb e r p r e s s u r e i s 1 - 2 SP a a n d t h e mi x tur e r a t i o i s 7 - 9 S o me k e y p a r a me t e r s s u c h a s c o mb u s t i o n e ffi c i e n c y ， i g n i t i o n c h a r a c t e ris t i c s ， c o mb u s t i o n s t a b i l i t y ， n o z z l e c h a r a c t e ris t i c s a n d mi x t u r e r a t i o we r e o b t a i n e d Ke y w o r d s ：h y dro g e n p e r o x i d e ke r o s e n e ； i n j e c t o r ； n u me r i c a l s i mu l a t i o n ； t e s t 0 引言 在上世纪 3 0 4 0年代过氧化氢开始被应用于 液体火箭发动机I l _ ，进人 9 O年代后 ，过氧化氢发 动机因其具有高密度比冲 、绿色环保 、常温可贮 存及操作安全方便等优 2 1 ，再次引起 世界 的广 泛关 注 ，知名 的有俄罗斯 的 P H一 1 6 1 1 7发动 机 、 诺思罗普 格鲁曼公司的 T R 1 0 8发动机3 1 、A e r o j e t 公司为美国空军研制的 A R R E发动机以及 N A S A 提出的 U S F E上面级发动机 】。本文通过仿真计 算和试验 ，对环槽式过氧化氢 煤油气液喷注器进 行研究 ，获得 了燃烧效率 、点火性能 、燃烧稳定 性、喷嘴特性及混合比等重要参数。 针对过氧化氢 ：谋油气液喷注器 ，国内多家单 位开展 了相关研究 ：上海某研究所从 1 9 9 3年就 开始对过氧化氢点 火技术进行研究蜘 ；林革和凌 前程等对两股 自击式喷嘴、喷注孑 L 均布直喷式喷 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 1 1 - 1 4 ；修 回 日期 ：2 0 1 1 - 1 2 2 4 基金项 目：国家 “ 8 6 3 ”项 目 ( 2 0 0 6 A A 7 0 5 3 0 8 ) 作者简介：潘亮 ( 1 9 8 0 一) ，女，工程师，研究领域为液体火箭发动机推力室设计 万方数据 火 箭推 进 2 0 1 2年 6月 嘴及喷注孔均布内部带溅板式气液直流喷嘴进行 了点火试验研究同 ；王振国等对撞击内混式喷嘴、 同轴剪切式喷嘴及同轴离心式喷嘴进行了点火试 验研究嘲 ；北京某研究所对过氧化氢 煤油气液喷 注 器 的 研 究 进 行 得 比 较 深 入 ，不 但 进 行 了 3 5 0 0 0 N泵压式发动机 5 0 s 地面全系统热试 车 ， 而且还 进行 了 5 0 0 0 1 1 0 0 0 N变推力发动机 3 5 5 0 s 热试车 ，喷注器最多进行了 6 次起动 ，累 计试车时间达 1 7 3 0 s 。 1 气液喷雾燃烧过程分析 喷注器是推力室最为核心的组件 ，它将推进 剂喷入燃烧室中，使其雾化和混合，实现稳定的 燃烧 。环槽式过氧化氢 煤油气液喷注器为一体式 面板 ，由煤油 自击 喷嘴和过氧化氢燃 气喷孔组 成 ，煤油通过进 口接管嘴进人环形煤油集合器 ， 然后通过多个径向通道由侧 向进入喷注器中，过 氧化氢燃气通过喷注器上 的环槽形喷嘴进入燃烧 室中，与喷人的煤油自 燃燃烧。 液体火箭发动机喷雾燃烧过程是一种极其复 杂的物理化学过程 ，具体到环槽式过氧化氢 煤油 气液 喷注器 ，该过程 主要 包括 ：煤 油的雾化过 程、煤油液滴的蒸发过程、煤油蒸气和过氧化氢 高温分解燃气的混合过程以及化学反应过程。 1 1 雾化过程 推进剂雾化对燃烧的完全性和稳定性有极大 的影 响 ，良好 的雾化有利 于燃料 与氧化剂 的混 合，进而提高燃烧效率，一般推进剂的液滴平均 直径应在 2 5 5 0 0 m之间【9 】 。 本文研究 的煤油 喷嘴为两股 直流 自击式喷 嘴 ，是液体火箭发动机中 比较简单 的喷嘴形式 ， 针对这种喷嘴的液滴直径计算公式有很多，本文 中采用的公式如下【 q ： ， 1 8 3 1 4 -0 00 9 23 8 a 口 3 0 0 3 ( V j ， d j )+ o 0 1 2 5 K 1 (P ) K_ 【 粹 式中：d 加 为液滴体积中径 ， c m； 为煤油射流直 径，c m； ； 和 分别为射流速度和喷射区环境气 体 的速度 ，c n 4 s ；p 和p 耐分别为空气密度和燃烧 室喷注面 附近 的实际燃气密度 ， c m3 ； ， ，P 分别为动力粘度 、表面张力和密度 ；下标 H e p t a n 为庚烷；下标 i 为煤油射流。 由公式 ( 1 )和公式 ( 2 )算得煤油液滴体积 中径约为 1 0 0 m，符合一般推进剂液滴平均直 径的范围，说 明本文研究 的煤油喷嘴雾化符合使 用要求。 相应的喷雾尺寸分布表达式为： 署_ ( d ) e 矗 地 (3 ) 一 I 30 1 2 蒸发过程 煤油液滴不能直接在液态下燃烧 ，实际的燃 烧过程是煤油液滴在高温燃气的扩散和热传导下 不断蒸发 ，其表面被一薄层煤油蒸气包 围，煤油 蒸气不断向外扩散 ，而过氧化氢燃气则不断向里 扩散，在某个扩散半径处形成可燃混合气而开始 燃烧。蒸发过程主要取决于周围燃烧产物向液滴 的传热强度 。 1 3 混合过程 推进剂的混合过程是液相混合伴随气相混合 的过程 ，因设计 的燃烧室 的长度与直径之 比只有 2 _4 ，而建立稳定的混合比分布型面需要几十倍直 径的长度9 ，因此喷注器的喷嘴排列和基本喷注 单元 的设计对整个混合过程起决定性作用。为了 保证身部传热安全 ，设置了大气量 的边 区气膜 ， 根据分 区流管模型计算 的环槽式过氧化氢 ：噪油气 液喷注器混合比分布效率为 0 9 。 1 4 化学反应过程 对 于煤油和过氧化氢燃气主要包含 C，H及 0 3种化学元素，在进行化学反应热力计算时可 采用化学平衡常数法。计算 的前提条件为 ：推进 剂在燃烧室内燃烧完全 ，是绝热等压过程 ；燃烧 产物是均相混合气，遵守理想气体定律；燃气在 喷管内的膨胀是等熵、极限化学平衡的一元流。 通过编制的热力计算软件计算得到了燃烧产物以 及各组分的分压 。 万方数据 万方数据 万方数据 第 3 8 卷 第 3 期 潘 亮，等：环槽式过氧化氢 煤油气液喷注器研究 2 7 3 2 2 燃烧稳定性 燃烧稳定性是液体火箭发动机研制过程中非 常关注的一个问题 ，通过查看试车录像和分析试 验数据 ，环槽式过氧化氢 煤油气液喷注器在各次 热试车中火焰平稳。表 2中列 出了各次试验室压 粗糙度数据 ，由表 2可知 ，各次试验室压粗糙度 均小于 2 ，室压稳定。图 6为典型变推力试验 振动时域统计 图 ， ， 及 分别是推力 室头部 轴向、径向及切向 3个振动测点 ，推力室振动情 况随工况变化而变化 ，推力大时振动也大 。对变 推力试验各段综合加速度进行统计 ，推力室头部 测得 的均方 根值在 1 0 2 0 g ，发动机机架上测得 的均方根值为 3 8 g ，发动机振动较小。 3 2 3 喷嘴特性 由于环槽式气喷嘴截面积大 ，故过氧化氢气 喷嘴压降很小( 见表 3 ) ，喷嘴流量系数平均值为 0 9 。在变推力试验中煤油喷嘴压降根据煤油流量 变化而变化 ，平均值为 0 6 。 3 2 4 燃烧效率 燃烧效率是发动机重要的性能参数 ，试验结 果 表明 ，在变推 力试车过程 中燃烧 效率在 0 9 0 9 2 间波动 ( 见图 7 ) ，燃烧效率试验值与理论分 析值相符。 表 2 室压粗糙度统计表 T a b 2 Ro u g h n e s s s t a t i s t i c s o f c h a mb e r p r e s s u r e 表 3喷嘴压降统计表 T ab 3 S t a t i s t i c al t a b l e o f n o z z l e p r e s s u r e d r o p 图 6典型变推力试验振动时域统计 F i g 6 Vi b r a t i o n t i me d o ma i n i n t y p i c a l v a r i a b l e t h r u s t t e s t 3 2 5 边 区混合 比 通过再生冷却夹套温升反推得推力室边 区混 图7 典型的变推力试验燃烧效率曲线 F i g 7 C u r v e o f c o mb u s t i o n e ff i c i e n c y i n t y p i ca l v a r i ab l e t hr u s t t e s t 合 比，再根据边区混合比推 出喷注器最外圈喷注 单元计入边 区的百分 比，结果见表 4 。 万方数据 火 箭推 进 2 0 1 2年 6月 表4 边区混合比统计表 Ta b 4 S t a t i s t i c s o f mi x t u r e r a t i o i n b o r d e r a l g a 由表 4可以知 ，热试车时环槽式过氧化氢 煤 油气液喷注器的最外圈喷注单元计人边区的百分 比均小于 2 0 ，根据 以往研制经验该 比例进一步 增加对身部热防护也是安全 的。因此 ，可以通过 调整喷注器