DOC《[1]或者更低,较低的燃气温度通常是通过极度富油或极度富氧...》

另一种频谱则没有主频或者主频不明显,频谱形态表现为多条峰值点,如图4所示为其中一次粗暴燃烧的压力数据时域、频域图,从图4(a)所示的频谱图上可以看出没有明显的主频,振荡分布在一系列频率上,这种非稳态燃烧称之为粗暴燃烧[4].综合所有的非平稳燃烧试验数据,发现压力振荡信号的频率均集中在0-50Hz范畴. (a)室压-时间曲线 (a) Curve of combustion chamber pressure-time (b)室压频谱图 (b) Frequency spectrum of chamber pressure 图3低频不稳定燃烧时域、频域图 Fig.3 Time-domain and frequency-domain plot when chuffing occurs (a)室压-时间曲线 (a) Curve of combustion chamber pressure-time (b)室压频谱图 (b) Frequency spectrum of chamber pressure 图4 粗暴燃烧时域、频域图 Fig.4 Time-domain and frequency-domain plot when rough combustion occurs 依表1非平稳燃烧共出现了64次,依据频谱图将非平稳燃烧分为低频不稳定燃烧和粗暴燃烧两类,统计发现粗暴燃烧为54次,低频不稳定燃烧为10次,如图5所示,在非平稳燃烧试验工况中,粗暴燃烧(Rough Combustion)比例为84%,低频不稳定燃烧比例为16%.可见,该型号燃气发生器的燃烧不稳定属于低频范畴,具体体现为粗暴燃烧和低频不稳定燃烧,其中更大概率上表现为粗暴燃烧.对于部分工况/结构,频谱图形态有一个可以区分出来的主频,同时振荡能量对应的振荡频率分布较宽,可以认为这种燃烧不稳定介于粗暴和低频不稳定之间. (a)平稳燃烧、粗暴燃烧、低频不稳定燃烧比例 (a) Pie chart of stable combustion, rough combustion and chuffing (b)低频不稳定燃烧和粗暴燃烧的比例 (b) Pie chart of chuffing and rough combustion 图5平稳燃烧、非平稳燃烧统计饼图 Fig.5 Pie chart of stable and unstable combustion 非稳态燃烧产生概率分析 从表1可以看出非稳态燃烧次数达到了总热试次数的33%,接近于1/3,需要改进设计和调整工况以进一步减小非稳态燃烧出现的概率.液体火箭发动机系统是一个复杂的动态系统,从供应系统到发动机本体的喷注、雾化、蒸发、混合和燃烧的每一个环节均可能引起发动机燃烧的不稳定,同时各个环节可以相互耦合,燃烧不稳定问题到目前来说仍是一个难题[5, 6].本文从统计分析的角度研究非稳态燃烧/燃烧不稳定,不能探究到非稳态燃烧产生的根本机理,但可以从统计分析的结果推测振荡产生的原因,获得非稳态燃烧产生概率与燃气发生器主要设计参数的相关性,改进设计点参数和试验工况,以减小非稳态燃烧的概率. 余氧系数是燃气发生器设计和试验的重要参数,对出现的非稳态燃烧试验工况在余氧系数上的分布进行了统计分析.图6为出现粗暴燃烧(Rough Combustion)的试验工况在余氧系数上的分布,横坐标为余氧系数,纵坐标为出粗暴燃烧次数/热试次数.可以看出在余氧系数0.53-0.

56、0.63-0.

66、0.68-0.72三个分布段热试次数较多,其中在余氧系数0.53-0.56分布段内粗暴燃烧出现次数较少,具体来说这个分布段共有热试32次,其中出现粗暴燃烧2次,概率为6.25%,余氧系数0.53-0.56分布段是粗暴燃烧低发区域;

余氧系数0.64-0.66和0.68-0.71两个分布段同时粗暴燃烧出现次数较多,其中0.64-0.66余氧系数分布段粗暴燃烧出现概率(样本中概率为33.3%)高于0.68-0.71分布段(31.5%). 图7为低频不稳定燃烧试验工况在余氧系数上的分布,低频不稳定燃烧出现次数较少,较粗暴燃烧出现概率较低,其在余氧系数上的分布规律性不是很强. 基于上述统计,绘制粗暴燃烧发生概率与总流量、余氧系数关系云图,如图8所示,云图上有3个明显的粗暴燃烧高发区,分别记为1-3号特征区,特别值得注意的是2号特征区,在这个区域,粗暴燃烧发生概率随着流量的增大而减小,即可以在不用改动发动机结构的情况下通过增大流量的方式来抑制粗暴燃烧的发生.对于低频不稳定燃烧,如图9所示,在余氧系数为0.70-0.74且流量较小时相对较易发生低频不稳定燃烧. 综上,基于现有的试验样本统计分析,发现粗暴燃烧的产生概率与余氧系数的大小呈现一定的相关性,余氧系数0.53-0.56为粗暴燃烧低发区域,余氧系数0.64-0.66为粗暴燃烧相对高发区域,发生概率为33.3%.低频不稳定燃烧出现概率较低. 图6 所有热试及粗暴燃烧在余氧系数上的分布 Fig.6 The distribution of excess oxidizer coefficient when rough combustion occurs 图7 所有热试及低频不稳定燃烧在余氧系数上的分布 Fig.7 The distribution of excess oxidizer coefficient when chuffing occurs 图8 粗暴燃烧发生概率与总流量、余氧系数关系云图 Fig.8 Cloud map of the relationship between the occurrence probability of rough combustion and mass rate/ excess oxidizer coefficient 图9 低频不稳定燃烧发生概率与总流量、余氧系数关系云图 Fig.9 Cloud map of the relationship between the occurrence probability of chuffing and mass rate/ excess oxidizer coefficient 非稳态燃烧产生原因分析 该燃气发生器热试中出现的非稳态燃烧其振荡频率均在50Hz以内,在火箭发动机领域这属于低频范畴,经典理论认为,液体火箭发动机低频范畴的燃烧不稳定和推进剂供应系统与燃烧室压力的相互作用有关[4],而喷嘴是连接推进剂供应系统和燃烧室的 纽带 ,非稳态燃烧/燃烧不稳定与喷嘴动力学也紧密相关[7-9].本文通过对非稳态燃烧试验喷前压力和室压数据的分析,推测粗暴燃烧和低频不稳定燃烧具有不同的产生机制. 图10为低频不稳定燃烧的燃料喷前压力与室压的频谱,发现燃料喷前压力和室压的振荡频率完全一致,但是振幅有所差异,室压振幅要强于燃料喷前,室压振幅与燃料喷前比值为: 1) 粗暴燃烧的室压和燃料喷前压力频谱如图11所示,因为粗暴燃烧没有明显的主频,选取两个特征频率,燃料喷前振幅与对应频率的室压振幅比值为: 2) 可见对于粗暴燃烧,室压振幅要弱于燃料喷前振荡,同时不同频率对应的室压振幅与燃料喷前振幅比值各不相同. (a)燃料喷前压力频谱 (a) Spectrum of fuel manifold pressure (b)燃烧室压力频谱 (b) Spectrum of combustion chamber pressure 图10 发生低频不稳定燃烧时的频谱图 Fig.10 Frequency spectrum of pressure oscillation under chuffing 燃料喷前压力频谱 (a) Spectrum of fuel manifold pressure (b)燃烧室压力频谱 (b) Spectrum of combustion chamber pressure 图11发生粗暴时的频谱图 Fig.11 Frequency spectrum of pressure oscillation under rough combustion 对于低频范畴的振荡,压力振荡的来源主要包括燃烧室和供应管路,这两个部件通过喷嘴联接起来,本文所用的离心式喷嘴具有复杂的动态特性,根据结构参数和工况参数的不同可以起到放大器、衰减器、相位调节器的作用[10, 11].产生于燃烧室的扰动或振荡经过喷嘴可以向供应管路传递,同样管路中的流动扰动或振荡经过喷嘴向燃烧室传递,这两种方式具有不同的传递函数,因此要详细确定压力振荡的来源,须结合喷嘴动力学确定这两个传递函数.图10和图11所示的两种状态是同一喷嘴在相近工况下的试验,因此其动力学特性相似,因此可以推断这两种状态具有不同的振荡产生机制或是来源. 结论 通过本文的研究,可以得出以下结论: 1)该燃气发生器的燃烧不稳定属于低频范畴,且体现为两种压力振荡形态:无序振荡形态(即粗暴燃烧)和有序振荡形态(低频不稳定燃烧),其中更大概率上表现为粗暴燃烧. 2)粗暴燃烧的产生概率与余氧系数的大小呈现一定的相关性:余氧系数0.53-0.56为粗暴燃烧低发区域,发生概率为6.25%;