变推力液体火箭发动机中针栓喷注器研究综述

为总结变推力液体火箭发动机中针栓喷注器的研究成果和梳理未来的发展方向,本文综述了该领域的研究进展。首先介绍了针栓喷注器的基本概念和研究意义,然后从设计原理、工程研制、雾化特性和燃烧特性等方面介绍了针栓喷注器的研究历史和现状,最后展望了针栓喷注器的发展趋势及需要研究的一些科学问题。分析表明,液液针栓喷注器、气液针栓喷注器的雾化特性和燃烧特性都还需持续开展研究。雾化特性中特别需要关注的是雾化角、混合特性和下漏率,还要探索针栓喷注器在反压下的雾化特性。燃烧特性中需要深入研究温度分布、火焰结构和燃烧稳定性。     

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。     

气氧／甲烷同轴剪切喷注器燃烧特性数值模拟

对以气氧／甲烷为推进剂的同轴剪切喷注器进行了数值模拟,研究了喷注器设计参数对推进剂掺混燃烧、燃烧室壁面和喷注面板热载的影响。研究结果表明：氧喷注速度增大不利于推进剂的掺混燃烧,降低了燃烧效率,增大了燃烧室壁面和喷注面板的热载：动量比增大提高了推进剂的燃烧效率,缩短了燃烧距离,但增大了燃烧室壁面和喷注面板的热载;中心氧喷嘴管壁厚和氧喷嘴管的缩进,对燃烧效率有影响,但两者对燃烧室壁面和喷注面板热载影响不明显;对燃烧效率而言,特定情况下氧喷嘴缩进存在一最佳值。     

推进剂喷注器动态特性对燃烧稳定性及效率的影响

本论文对推进剂喷注器动态特性及高能燃烧室中喷注器不稳定工作对燃烧稳定性和效率影响的研究结果进行了综合评述。已经发现,燃烧室中的工作过程随喷注器幅频和相频特性变化的响应可以作为认识不稳定机理的判断依据。利用改变喷注器动态特性而不改变喷注和混合过程稳定因素的方法,已逐步发展了一些获得稳定性的计算方法。充分的研究表明,自激的或诱发的喷注器不稳定工作都可导致雾化和混合过程的充分变化,并能提供一个更均匀、可燃烧的混合物,同时也延长了燃烧区。     

基于创新型QC小组活动的新型高效液氧甲烷喷注器研制

为了满足液氧甲烷喷注器不同工况下燃烧效率的研制需求,小组成员以高效喷注燃烧技术为突破口,通过头脑风暴法确定了5种喷注器方案,通过成本、性能及变工况适应性等各方面对比,以及仿真研究手段,对比了流场特性和燃烧特性,优选出了两种方案;最后通过缩比冷态和热态试验确定了最佳方案。在研制过程中,小组成员运用5W1H原则制定实施对策,并充分采用QC方法,攻克了可变推力工作的液氧甲烷喷注器关键技术,成功研制出了新型高效液氧甲烷喷注器,实现了新型高效液氧甲烷喷注器的研制目标值。     

氧压降对气-气喷注器燃烧过程的影响

开展气氢/气氧为推进剂的同轴剪切喷注器的热式试验研究.通过测量燃烧室压力和燃烧室壁面温度,研究在速度比一定的条件下,氧喷嘴压降变化对燃烧位置和燃烧效率的影响.研究结果显示氧压降变小使推进剂的燃烧效率提高,喷注压降变化对气-气推进剂的燃烧位置影响很小;气-气喷注器的设计可以选取小的氧喷注压降.     

鲁泊数和孔径比对直流互击式喷注器性能的影响

设计高性能喷注器、提高发动机比冲性能是发动机设计者一直追求的目标。对于直流互击式喷注器,鲁泊数和孔径比是影响喷注器性能的两个关键参数,而且两者之间有一定关联。为了初步研究鲁泊数和孔径比参数对直流互击式喷注器性能的影响,合理匹配两者的关系,设计了三种状态的喷注器,进行了混合比分布试验和热试车考核。结果表明,兼顾鲁泊数和孔径比才能使氧化剂和燃料达到最佳混合效果,提高燃烧效率。     

隔板喷嘴排列方式对推力室燃烧流场影响研究

针对液氧煤油液体火箭发动机,采用全尺寸六分之一网格,设置周期性边界条件的简化模型,计算得到了喷注器面径向隔板喷嘴交错排列时推力室内三维非稳态两相湍流燃烧流场分布,与全尺寸网格计算结果基本一致,验证了算法与简化模型的有效性,并与喷注器面径向隔板喷嘴直线排列时推力室燃烧流场计算结果进行了对比.结果表明,采用全尺寸六分之一网格,也可较好地数值模拟推力室内燃烧流场;径向隔板喷嘴交错排列,不但有利于延长煤油和氧气的混合时间,使混合更加充分,提高燃烧效率和燃烧室压力,而且可增加喷嘴空间分布的均匀性,使燃烧室中雾化粒子分布更均匀,从而提高温度分布的均匀性.     

单组元催化分解发动机喷注器的设计与研究

阐述了设计喷注器的基本原则与要求,讨论了喷注器压降、推进剂分布、撞击、集液腔容积、喷注器装配、材料相容性对喷注器性能的影响及改进的方法。还介绍了几种典型的喷注器结构及其特点。     

气氢/液氧同轴喷注器变工况燃烧流场相似性

为研究不同室压工况下气氢/液氧燃烧流场的相似性,设计了喷注器试验件,并采用数值仿真和热试验的方法对气氢/液氧喷注器的喷雾燃烧流场进行了研究。数值仿真选取试验件的1/6进行三维稳态计算,其中湍流模型采用SST k-ω模型、化学反应采用考虑氢氧6组分9步反应机理的涡耗散概念模型、液氧液滴采用离散相模型,共进行了2.8～9.8 MPa范围内8种典型工况的数值仿真。热试验采用气氢/液氧推进剂,进行了4.5 MPa、5.4 MPa和6.8 MPa这3种不同室压工况共4次挤压热试验,采用量热式水冷身部对燃烧室壁面热流进行了测量。仿真和试验结果表明：对于气氢/液氧同轴直流喷注器,在混合比、氢氧温度和喷注速度相同的情况下,当室压大于液氧临界压力时的燃烧流场具有相似性;而室压小于液氧临界压力时的燃烧流场与大于临界压力的燃烧流场结构存在差异。     

自击式喷注器喷注孔测量方法研究

发动机喷注器喷注孔撞击精度等几何参数是试车和飞行振动的重要影响因素之一.因此,对加工、装配铆接和钎焊后喷注孔的相关尺寸参数进行准确测量、分析和评价,提高喷注器产品的质量可靠性是亟需解决的问题.通过设计喷注孔自动测量方案,组建测量系统,设计专用定位工装和开发数控测量程序,形成了自击式喷注器喷注孔测量方法,并对测量数据进行了统计分析.结果表明：测量方法可靠,检测效率提高了92％左右.     

壁面孔型对超声速气流中喷注特性的影响

超声速气流中,燃料与来流空气的高效混合是燃烧室实现点火、稳焰及高效燃烧组织的前提。国内外研究者已对比研究了不同壁面孔型对超声速气流中喷注、混合特性的影响,相比于最常见的圆形喷孔,菱形、楔形-半圆、箭形及针形等喷孔用于超声速气流燃料喷注时,不仅有利于降低喷孔前缘边界层的分离,而且也有利于提升射流穿透深度;相比于单孔喷注,组合型喷孔能进一步增强燃料与来流空气在射流远场的混合效果。通过综述各型喷孔的喷注特性,分析提出了适用于超声速燃烧组织的壁面喷注孔型及其工程应用条件。     

单股自由圆射流撞壁雾化实验

利用直流撞击式喷注器组织燃烧的发动机推力室喉部材料耐温极限制约了发动机燃烧效率提升,一种新型高性能直流冷壁式喷注器可以解决这一问题,为了指导这种新型喷注器的设计,从射流撞击雾化实验出发,探索了圆射流撞壁雾化规律。采用高速摄影捕获溅射雾化场整体形态,利用收集法测量溅射雾化率,选用PDA和PIV分别测量溅射液滴粒径及速度矢量。研究结果表明:射流撞壁后存在溅射,溅射液滴局部呈现螺旋状,液滴粒径为几十微米量级,溅射雾化率随撞击距离的变化规律可分为4个典型阶段:初始段、发展段、稳定段、衰减段,湍流动能为溅射雾化率的决定因素。     

氢氧同轴式喷嘴燃烧性能试验研究

为了研究氢氧直流同轴式喷嘴的结构参数和工作参数对燃烧性能的影响,进行了热试验和分析,并拟合出了喷嘴缩进深度、速度比和动量比与燃烧效率的关系。研究表明：氧喷嘴缩进深度、氢氧喷射速度比和动量比等是影响氢氧同轴式喷嘴燃烧性能的主要因素,其中喷嘴缩进深度的影响最为显著。     

RBCC推进系统主火箭发动机气氧／煤油推力室研究

为满足RBCC推进系统主火箭发动机对气氧／煤油推力室的要求,对其进行了高燃烧室压力和温度、大范围变工况工作研究。气氧／煤油推力室喷注器采用中心区气液双组元内混式喷嘴和边区直流喷嘴结合结构,身部采用夹层冷却结构。通过对推力室气氧／煤油推进剂的点火及雾化混合技术、推力室喷注器及身部冷却设计技术、推力室的点火启动、稳态工作等关键技术的研究表明,推力室在室压3MPa、5MPa工况下可稳定燃烧。额定推力650N的气氧／煤油推力室方案可靠、点火工作正常,可以满足大范围变工况稳定工作要求。     

在横向气流中直射式喷嘴侧喷雾化细度的试验研究

应用激光散射测雾技术对均匀和不均匀横向气流中单个直射式喷嘴雾化细度作了试验研究。试验得出雾化细度 (索太尔平均直径) 随空气速度、供油压力、喷嘴孔径以及空气速度分布的变化规律。     

气氢/液氧同轴喷注单元细节对燃烧特性的影响

为了研究气氢/液氧同轴直流式喷嘴的结构参数细节对燃烧特性的影响,对单喷嘴燃烧室的燃烧流场进行了数值模拟.重点研究了氧喷嘴缩进深度、氧喷嘴出口壁厚和氢氧喷注速度比3个参数对燃烧效率和稳定性的影响规律.研究表明：上述喷嘴结构参数细节是影响气氢/液氧同轴直流式喷嘴燃烧特性的重要因素,其中适当提高氧喷嘴缩进深度或氢氧喷注速度比对燃烧效率有显著改善,而适当提高氧喷嘴出口壁厚对燃烧稳定性有显著改善.