一種抑制汽蝕工況中低頻燃燒不穩定的方法與流程
2024-04-13 18:59:05 2
1.本發明屬於液體火箭發動機技術領域，具體涉及一種抑制汽蝕工況中低頻燃燒不穩定的方法。
背景技術：
2.液體火箭發動機通過將燃料和氧化劑噴入燃燒室，經過噴注、霧化、燃燒反應後生成高溫高壓燃氣，並經噴管迅速膨脹加速噴出，產生與排氣方向相反的推力。但是燃燒過程中產生的推力並非固定不變，而會產生振蕩形成一定頻率的壓力波，當推進劑流量供應頻率與壓力波頻率產生諧振時，會產生頻率範圍大約20～1000hz的中低頻燃燒不穩定現象(流量)，一旦燃燒不穩定，就會顯著增加振動量級，損害敏感的制導元件、有效載荷甚至出現結構件破壞和壽命損耗，加劇傳熱，導致熱力組件燒蝕破壞，降低發動機效率，增加發生故障的可能性。在液體火箭發動機中採用汽蝕文氏管作為流量穩定調整元件時，汽蝕文氏管往往與發動機中導管裝配在一起，同時作為推進劑供應輸送系統。發動機導管往往容易在發動機自身及外界激勵下發生振動，對導管內部流動狀態產生影響，使流動參數發生振蕩。當汽蝕文氏管作為流量穩定調整元件，受到導管振動影響時，可能會使發動機流量穩定調節功能產生異常，甚至促使或加劇發動機中低頻燃燒不穩定現象的發生。
技術實現要素：
3.本發明的目的在於克服上述缺陷，提供一種抑制汽蝕工況中低頻燃燒不穩定的方法，解決了液體火箭發動機汽蝕工況下中低頻燃燒不穩定的技術問題，本發明能夠實現中低頻燃燒不穩定的抑制。
4.為實現上述發明目的，本發明提供如下技術方案：
5.一種抑制汽蝕工況中低頻燃燒不穩定的方法，包括：
6.s1將噴注器等效成彈簧振子系統，得到噴注器的等效頻率f；所述彈簧振子系統包括噴注器的彈簧和由噴注器的運動件等效成的振子；
7.s2獲取燃燒室的燃燒不穩定頻率f0；
8.s3計算燃燒不穩定頻率f0和噴注器的等效頻率f的差值；
9.當所述差值≥預設值δf，調整噴注器的彈簧或運動件的參數並返回步驟s1；
10.當所述差值＜預設值δf，利用包含當前參數的彈簧和運動件的噴注器實現低頻燃燒不穩定的抑制。
11.進一步的，步驟s2中，通過對燃燒室壓力測量數據進行分析，獲取燃燒室的燃燒不穩定頻率f0。
12.進一步的，步驟s1中，將噴注器等效成彈簧振子系統，根據如下公式得到噴注器的等效頻率f：
所說明的任何實施例不必解釋為優於或好於其它實施例。儘管在附圖中示出了實施例的各種方面，但是除非特別指出，不必按比例繪製附圖。
36.本發明在針對工況可調節的變噴注面積發動機在汽蝕工況出現中低頻燃燒不穩定的情況下，通過特殊調節手段，抑制或消除燃燒不穩定問題，或者在發動機設計中採用一些設計手段，避免或減弱中低頻燃燒不穩定現象。也可推廣用於抑制或消除變噴注面積液體火箭發動機汽蝕振蕩問題和非汽蝕中低頻燃燒不穩定問題。
37.在出現中低頻不穩定燃燒問題後，此時往往已能從試驗中提取出燃燒不穩定的特徵頻率，採用的調節手段包括：採用彈簧振子數學模型計算可變噴注面積噴注器頻率，改變噴注器運動彈簧剛度和可運動件(比如對針栓式噴注器，運動件可以是針閥或者中心筒)重量從而調節可變噴注面積噴注器頻率,保證控制可變噴注面積噴注器頻率使其遠離汽蝕振蕩頻率；調節發動機中汽蝕管的參數，包括出口壓力、錐形面、擴張角等，改變汽蝕管中推進劑的流動特性，保證避開燃燒不穩定頻率；調節導管直徑、長度、壁厚等尺寸，或者增設支撐結構如卡箍改變導管支撐狀態，採用有限元模態計算獲取導管固有頻率數值，控制導管固有頻率避開燃燒不穩定頻率。
38.在設計過程中，未出現燃燒不穩定問題時，可採用以下方法儘可能預防燃燒不穩定問題的發生：在汽蝕管出口處設置壓力測點時注意設置在特定及方位，避免測量因素放大振蕩；在汽蝕管出口處繼續設置節流元件增加振蕩阻尼，抑制參數的不穩定情況。
39.具體的，本發明一種抑制汽蝕工況中低頻燃燒不穩定的方法包括：
40.(1)將可變噴注面積噴注器等效成彈簧振子系統，可有效計算噴注器的固有振動頻率。其中,將推力室噴注器中所有調節過程中所使用的運動件等效為彈簧振子，運動件本身質量(不包括彈簧質量)等效為彈簧振子質量，運動過程中採用的彈簧實際剛度等效為彈簧振子剛度,則可變噴注面積噴注器等效頻率計算公式為
[0041][0042]
式中k為實際彈簧剛度，m為調節過程所有運動件總質量(不包括彈簧質量)，f為噴注器的等效頻率；
[0043]
通過增加實際彈簧剛度或減輕運動件總質量可提高等效頻率f。
[0044]
(2)調節汽蝕管出口壓力、調節出口錐型面或汽蝕管擴張角、調節出口管路長徑比從而改變可調汽蝕管頻率，根據試驗保證可調汽蝕管頻率與燃燒不穩定頻率互相避開。
[0045]
(3)調節導管直徑、長度、壁厚等尺寸，或相應增設剛性支撐如卡箍來改變導管的總體支撐狀態，可調節導管本身的固有頻率並減小導管受迫振動振幅。通過有限元模態計算獲取導管固有頻率數值從而準確避開燃燒不穩定的頻率並減小導管對燃燒不穩定激勵的響應。控制導管固有頻率、噴注器的等效頻率f和燃燒不穩定頻率f0三者之間差異不小於100hz，從而抑制或消除汽蝕工況下中低頻燃燒不穩定問題。
[0046]
(4)在汽蝕管下遊系統中設置了節流元件，如單孔或多孔節流圈。可採用固定節流圈或可拆裝節流圈，布置在汽蝕管出口附近，該部位為壓力波節部位，因此可產生振蕩阻尼，抑制中低頻燃燒不穩定情況。
[0047]
(5)汽蝕管出口處即節流圈的下遊圓柱端布置壓力測嘴時，保證壓力測點布置方
向與導管彎曲方向垂直，即與呈彎曲狀態的導管軸線所在平面垂直。壓力測嘴布置靠近汽蝕管出口而不是遠離汽蝕管出口，可避免在壓力測點位於壓力波峰處並對振蕩產生放大的風險。
[0048]
實施例1：
[0049]
本例以針栓式噴注器為例，可變噴注面積針栓式噴注器中的彈簧一端連接固定結構，另一端連接運動件(本例為針閥)，推進劑在不同工況下對針閥產生不同推力，推動彈簧上下移動，改變噴注面積，實現不同流量噴注特性調節，在一種具體的噴注器結構中，運動件可以為針閥也可以是中心筒，或者是其他影響發動機噴注特性的零件。
[0050]
當在某次試驗中汽蝕工況某路推進劑與噴注器耦合出現中低頻燃燒不穩定現象時，通過試驗中的燃燒室壓力測量數據分析結果可以得到燃燒不穩定頻率值f0，通過組件相關測試可測量噴注器彈簧9剛度k及噴注器運動件10質量m，利用公式(1)可計算出噴注器的等效頻率f。
[0051]
對比燃燒不穩定頻率f0和噴注器的等效頻率f，改變噴注器彈簧9剛度或噴注器運動件10質量，使噴注器的等效頻率f與燃燒不穩定頻率f0避開一定帶寬頻率，可有效抑制某路推進劑與噴注器耦合出現的中低頻燃燒不穩定現象。
[0052]
本實施例中汽蝕工況氧化劑路與噴注器耦合出現中低頻燃燒不穩定抑制：
[0053]
(1)噴注器彈簧9剛度為4000n/mm，噴注器運動件2重量為0.5kg，採用公式計算出噴注器的等效頻率f為450hz，即在該頻率下現出現了低頻燃燒不穩定現象；
[0054]
(2)不同剛度的噴注器彈簧9和不同重量的噴注器運動件10組成的噴注器的等效頻率f計算結果見表1：
[0055]
表1不同彈簧剛度和運動件重量下的可變面積噴注器頻率
[0056]
彈簧剛度n/mm運動件重量kg可變面積噴注器頻率30000.635635000.638440000.641145000.643650000.645930000.539035000.542140000.545045000.547750000.550330000.443635000.447140000.450345000.453450000.4563
[0057]
(3)試驗中出現了中低頻燃燒不穩定頻率為450hz，採用提高可變面積噴注器頻率的方式，改進後彈簧剛度5000n/mm，運動件重量0.4kg，可變面積噴注器頻率563hz，達到了頻率差異不小於100hz的改進目標，因此可抑制或消除燃燒不穩定問題。
[0058]
實施例2：
[0059]
本實施例中設置特定位置壓力測點及節流圈來儘可能避免燃燒不穩定問題：
[0060]
如圖1和圖2所示，可調節的變面積噴注器發動機包括可調汽蝕管安裝基座1，調節錐2，汽蝕管3，管路套接法蘭4，管路縮徑段5，導管8，噴注器彈簧9，噴注器運動件10，其中，可調汽蝕管安裝基座1用於支撐汽蝕管3，汽蝕管3通過可調汽蝕管安裝基座1與導管8相連，調節錐2設於汽蝕管3小端(入口)，用於調節汽蝕管3流量，管路縮徑段5為導管8的下遊段，通過導管8將燃料或氧化劑輸送至推力室中的噴注器，噴注器將燃料和氧化劑噴注至推力室中的燃燒室，燃料和氧化劑在燃燒室進行燃燒，密封結構11設於汽蝕管3和可調汽蝕管安裝基座1之間，提供密封作用，保證推進劑在汽蝕管中正常流動。
[0061]
(1)在汽蝕管下遊系統中設置節流元件6，如單孔或多孔節流圈。可採用固定節流圈或可拆裝節流圈，布置在下遊壓力波節部位，見圖1；
[0062]
(2)在測量系統設計時，壓力測點7布置在汽蝕管出口處即節流圈的下遊圓柱端，而不是在導管中段或出口部位，可避免在壓力測點位於壓力波峰處並對振蕩產生放大的風險，且保證壓力測點布置方向與導管彎曲方向垂直，見圖2。
[0063]
以上結合具體實施方式和範例性實例對本發明進行了詳細說明，不過這些說明並不能理解為對本發明的限制。本領域技術人員理解，在不偏離本發明精神和範圍的情況下，可以對本發明技術方案及其實施方式進行多種等價替換、修飾或改進，這些均落入本發明的範圍內。本發明的保護範圍以所附權利要求為準。
[0064]
本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。