多排径向通道直流喷嘴的声学特性试验研究

刘 倩，丁兆波，潘 亮，王洋洲，孙纪国

（北京航天动力研究所，北京，100076）

0 引 言

燃烧不稳定性是液体火箭发动机研制过程中经常遇到的重大技术问题。大推力高压补燃循环发动机燃烧室尺寸显著增加，燃烧室发生高频燃烧不稳定的倾向会大大增加。喷注耦合声学不稳定性是同轴式喷注单元声学振型的典型特性，如果氧喷嘴的谐振频率和燃烧室的声学振型一致，就可能产生不稳定性，其中氧喷嘴决定了振荡频率；当喷嘴频率与燃烧室频率各振型错开，可以实现声学错频[1]。

Byoung-Do[2]利用数值手段研究了燃烧室压力振荡对同轴直流喷嘴高频动力学不稳定的影响。吴伟亮[3]等利用CFD方法研究了直流喷嘴内部流场情况，并给出了喷嘴流量随压力脉动的变化规律。王枫[4]等研究表明喷嘴长度、缩进室长度和通道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。杨立军等人在巴扎罗夫的研究基础上，讨论了敞口型离心式喷嘴的动态特性[5]，分析了结构参数[6]、切向通 道[7]等对敞口型离心式喷嘴动力学特性的影响。

高压补燃循环推力室头腔采用燃气腔在上、氧腔在中间、氢腔在下的结构，氧喷嘴为多排径向通道直流喷嘴结构，与传统直流氧喷嘴结构存在明显差异。目前，国内外文献缺乏对补燃循环氢氧发动机中异型结构直流喷嘴的喷嘴声学特性的相关研究。本文通过试验技术手段测量和分析喷嘴在静止常温空气条件下的固有声学频率、振型及对突出频率的阻尼系数，研究不同喷嘴结构参数等对喷嘴声学特性的影响规律，并建立相应的经验关系式，为抑制喷注耦合不稳定的发生奠定基础。

1 试验系统

试验系统主要包括试验件、电动气流扬声器、号筒、传声器、测试导管、数据采集系统、信号控制仪、功率放大器等。为了便于开展试验研究，将喷嘴成比例放大。喷嘴试验时，将电动气流扬声器和号筒安装于喷嘴中部径向位置作为产生声源的激励源，用密封条进行密闭处理，扬声器的控制信号由控制仪产生电信号经功率放大器后输入。带有传声器的测试导管从喷嘴另一端探入腔体内，保证其在声腔内可沿轴向、 上下、左右移动。传声器感应的脉动压力信号经传声器电源变换为电信号输入到数据采集系统，完成数据的测试、存储及分析。试验时通过改变径向通道孔径d、径向通道数量n、径向通道长度h、喷嘴长度L（有效长度L´）来进行声学特性差异性研究，试验装置如图1所示。喷嘴试验件工况汇总如表1所示。

图1 喷嘴结构及系统示意 Fig.1 Nozzle Structure and System Diagram

表1 喷嘴试验件状态汇总 Tab.1 Status Summary of Test Nozzles

2 试验结果分析

2.1 喷嘴声学试验过程

状态6的详细研究过程如图2所示。结果表明，在喷嘴中仅存在轴向振型，因此，在后续状态的喷嘴声学研究中，仅研究喷嘴的轴向振型。

图2 喷嘴声学振型图（状态6）Fig.2 Acoustic Mode Diagram of Nozzle

续图2

2.2 喷嘴声学特性结果分析

喷嘴热试状态时的一阶轴向频率计算公式为

式中f热试为热试验时喷嘴声学频率；f常温为常温试验时喷嘴试验件声学频率；vfuel为热试验时推进剂声速；vair为常温试验时空气的声速；N为喷嘴试验件的放大倍数。

2.2.1 喷嘴结构对声学特性的影响

当保持喷嘴径向通道总面积不变时，随着径向通道孔径增加，径向通道数量相应减少，由图3a可知，一阶轴向频率有变化，在径向通道数量减少时，随着径向通道孔径增加，一阶轴向频率降低，衰减时间变长，一阶轴向振型的阻尼能力有所降低。由图3b可知，随着径向通道数量的增加，喷嘴的一阶轴向频率升高，且增加基本呈线性变化。由图3c可知，随着径向通道长度的加长，一阶轴向频率降低，而衰减时间也减小，由此可见随着径向通道长度的增加，一阶轴向频率阻尼能力有所提高。由图3d可知，随着喷嘴长度加长，一阶轴向频率降低。

图3 不同氧喷嘴结构的影响 Fig.3 Influence of Different Oxygen Nozzle Structures

2.2.2 影响规律分析

图4为不同径向通道孔径的对比，其中等孔径中径向通道孔径尺寸均为18 mm，变孔径中从左到右径向通道孔径尺寸分别为 25.5 mm、18 mm、14.7 mm、12.7 mm。从图4中可知，在一定的径向通道孔长度和数量下，通道孔径越大，喷嘴声学频率越高。结合图3c可知，在一定的径向通道孔径和数量下，径向通道长度越长，喷嘴声学频率越低。由此可知，喷嘴径向通道的长度h和直径d均为影响喷嘴声学频率的关键结构参数。

图4 不同径向通道孔径的对比 Fig.4 Comparison of Different Radial Channel Diameters

由图3b可知，在喷嘴长度一定、径向通道长径比相同的情况下，随着径向通道数量的增加，喷嘴频率逐渐升高。由此可以推断，喷嘴频率不仅受喷嘴实际长度的影响，同时与径向通道距喷嘴出口的折合距离有关，这是由于径向通道为开口端，可看作敞开边界，这将减小喷嘴的有效管长。靠近喷嘴出口的径向通道轴线距喷嘴出口的距离为喷嘴有效长度L"是影响多排径向通道直流喷嘴声学频率的另一关键参数。

无量纲喷嘴长度、径向通道长径比对直流式喷嘴一阶频率的影响规律如图5所示，根据试验结果，建立了无量纲喷嘴长度、径向通道长径比与喷嘴频率f间的函数经验关系式：

式中L*为无量纲喷嘴长度，L*=L"/L；h*为径向通道长径比，h*=h/d。

图5 频率与无量纲参数的关系 Fig.5 Relationship between Frequency and Dimensionless Parameters

续图5

利用式（2）对不同喷嘴频率进行计算并与试验结果对比，见表2。由表2可知，计算结果与试验结果误差较小，可用于多排径向通道直流喷嘴频率的预估。

表2 计算结果与试验结果对比 Tab.2 Comparison between the Calculated Results and the Experimental Results

3 结 论

通过试验研究了常温状态下多排径向通道直流喷嘴的声学特性，并对喷嘴进行了声模态测试以及声学阻尼分析，研究了径向通道孔径d、径向通道数量n、径向通道长度h及喷嘴长度L对喷嘴声学特性的影响规律。结论如下：

a）随着径向通道孔径、径向通道长度和喷嘴长度的增加，喷嘴声学频率逐渐降低；随着径向通道数量的增加，喷嘴声学频率逐渐升高；

b）影响喷嘴频率的关键参数分别为径向通道长径比和有效喷嘴长度；

c）建立了无量纲喷嘴长度和径向通道长径比与喷嘴一阶频率间的经验关系式，为径向通道直流喷嘴的声学频率预估提供依据，为喷嘴的设计奠定了基础。