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氧氣/醇類燃?xì)獍l(fā)生器啟動過程試驗研究

2010-10-15 09:59李清廉王振國
火箭推進(jìn) 2010年1期
關(guān)鍵詞:燃燒室時序氧氣

李清廉,李 慶,王振國

(國防科技大學(xué)航天與材料工程學(xué)院,湖南長沙410073)

0 引言

目前,世界上多個國家對燃?xì)獍l(fā)生器開展了大量的研究工作,所研制的燃?xì)獍l(fā)生器用于泵壓式液體火箭發(fā)動機(jī)、真空模擬系統(tǒng)、激光器的壓力恢復(fù)系統(tǒng)、軟著陸氣囊充氣裝置等多個領(lǐng)域[1~3]。由于啟動過程在燃?xì)獍l(fā)生器整個動態(tài)工作過程中最關(guān)鍵,國內(nèi)外許多學(xué)者針對燃?xì)獍l(fā)生器的啟動過程開展了相關(guān)研究工作。其中Morgan[4]將燃?xì)獍l(fā)生器的部分噴嘴設(shè)計成混合比接近化學(xué)當(dāng)量比的高溫噴嘴,高溫噴嘴噴霧燃燒形成的高溫區(qū)可以作為火焰穩(wěn)定區(qū)域,有效解決了燃?xì)獍l(fā)生器啟動過程中點火困難的問題。田章福[5]開展了過氧化氫燃?xì)獍l(fā)生器試驗,研究了余氧系數(shù)、流量密度、過氧化氫噴注壓降及其部分催化分解對啟動過程中點火性能的影響,并利用高速攝影拍攝了啟動過程中火焰的發(fā)展過程。王愛玲[6]開展了氣氧/煤油火箭發(fā)動機(jī)啟動過程的數(shù)值模擬和試驗研究,對氣液燃?xì)獍l(fā)生器的啟動過程也具有較大的借鑒意義。在對自主研制的氧氣/醇類燃?xì)獍l(fā)生器進(jìn)行試驗研究,并在此基礎(chǔ)上對氧氣/醇類燃?xì)獍l(fā)生器的啟動過程進(jìn)行了描述和分析,研究了啟動過程的影響因素。

1 試驗系統(tǒng)

燃?xì)獍l(fā)生器熱試試驗采用擠壓式供應(yīng)方案,試驗系統(tǒng)如圖1所示。

供應(yīng)系統(tǒng)包括氧氣供應(yīng)系統(tǒng)和燃料供應(yīng)系統(tǒng)。推進(jìn)劑供應(yīng)管路中,氧氣供應(yīng)管路中安裝音速噴嘴,當(dāng)音速噴嘴喉部靜壓與上游入口總壓之比小于臨界壓力比,氣流在喉部達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲?,通過的流量只與上游壓力有關(guān)而與下游壓力無關(guān)。燃料供應(yīng)管路中安裝文氏管,當(dāng)液體流經(jīng)文氏管喉部發(fā)生氣蝕時,通過的流量只與上游壓力有關(guān)而與下游壓力無關(guān)。音速噴嘴和文氏管作為氣體管路和液體管路的限流部件,它們都工作在臨界狀態(tài),可以準(zhǔn)確控制氧氣及燃料的流量,從而保證二者以設(shè)計的混合比完成燃燒過程,同時它們還可以起到隔離壓力波動、減小供應(yīng)管路水擊的作用。

試驗測量參數(shù)主要包括氧氣及燃料流量、供應(yīng)系統(tǒng)壓力(包括各儲箱壓力及管路壓力)、燃?xì)獍l(fā)生器各部位壓力(包括集氣腔、集液腔、身部及喉部)及燃燒室溫度。主要測量設(shè)備如下:

(1)供應(yīng)系統(tǒng)壓力和燃?xì)獍l(fā)生器各部位壓力采用壓阻式壓力變送器,頻率響應(yīng)大于20kHz,測量精度為0.5%FS;

(2)燃?xì)獍l(fā)生器燃燒室溫度測量采用鎳鉻鎳硅熱電偶,測量精度為1.5%FS;

(3)氧氣及燃料流量測量采用內(nèi)錐式差壓流量計,測量精度為1.0%FS。同時還可以使用經(jīng)過標(biāo)定的音速噴嘴和文氏管對流量進(jìn)行校準(zhǔn)。

2 啟動過程現(xiàn)象與描述

與火箭發(fā)動機(jī)類似,在燃?xì)獍l(fā)生器的動態(tài)工作過程中,啟動過程最為關(guān)鍵。在啟動過程中,燃料與氧化劑在很短的時間內(nèi)被噴射進(jìn)入燃燒室,經(jīng)過霧化、蒸發(fā)、混合和燃燒等一系列極為復(fù)雜的物理化學(xué)變化,燃?xì)獍l(fā)生器工作過程參數(shù)(流量、壓強及溫度)發(fā)生大幅度的變化。在啟動階段,各種動力載荷作用在燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)上,其中包括熱沖擊、壓強及加速度,這對燃?xì)獍l(fā)生器能否正常工作是一個極大的考驗。熱試試驗中壓力曲線如圖2所示。燃?xì)獍l(fā)生器的啟動過程可以分為兩個部分:第一個過程是推進(jìn)劑系統(tǒng)及其容腔中組元的充填與建壓,第二個過程是推進(jìn)劑組元的點火和火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

2.1 充填與建壓過程

推進(jìn)劑系統(tǒng)及其容腔中組元的充填包括氣體組元的充填與建壓,以及液體組元的充填與建壓。充填過程是指推進(jìn)劑逐漸充滿管路及燃?xì)獍l(fā)生器噴注器頭腔的過程。該過程從閥門打開開始,到噴注器頭腔壓力開始上升結(jié)束。建壓過程是指頭腔壓力從開始上升至壓力到達(dá)設(shè)定值的過程。

由圖2中的啟動過程所示,對于氣體組元來說,氣體的擴(kuò)散能力較強,流動速度快,氧氣在100ms以內(nèi)的很短時間內(nèi)就已經(jīng)充滿噴注器集氣腔。但由于氣體的可壓縮性,在充滿集氣腔后,氧氣集氣腔的壓力上升較為緩慢,斜率小,建壓時間可達(dá)1~3s。對于液體組元來說,流動速度較慢,需要較長的時間才能將集液腔充滿,充填過程可能需要1s以上,充填過程中集液腔壓力基本沒有變化。由于液體的不可壓縮性,燃料建壓時集液腔壓力上升陡峭,斜率較大,建壓時間基本在500ms以內(nèi)。

2.2 推進(jìn)劑組元的點火與火焰?zhèn)鞑?/h3>

燃?xì)獍l(fā)生器采用氧氣/Lf80燃料,其中Lf80是一種自制醇類液體燃料。這種燃?xì)獍l(fā)生器的燃燒過程與液/液推進(jìn)劑燃燒有較大差別。氧氣沒有霧化蒸發(fā)的過程,以音速(冷態(tài)情況下)從噴嘴噴出后即迅速膨脹擴(kuò)散到整個燃燒室中,難以與燃料均勻混合。同時為了獲得設(shè)定溫度的燃?xì)?,試驗中燃?xì)獍l(fā)生器采用富燃方案。這使得推進(jìn)劑混合比偏離化學(xué)當(dāng)量比,進(jìn)一步導(dǎo)致燃?xì)獍l(fā)生器的點火困難。為解決點火問題,燃?xì)獍l(fā)生器進(jìn)行了特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計,參見圖3,選用同軸離心式噴嘴,燃料由離心式內(nèi)噴嘴噴入燃燒室,而氧氣由外環(huán)縫噴嘴噴入燃燒室;同時對單噴嘴的流量、噴嘴的數(shù)目及排列方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。試驗中采用推進(jìn)劑流量限制措施,使得啟動時混合比維持在3.15~3.25。同時采用了火炬點火器產(chǎn)生的高溫燃?xì)鈱θ細(xì)獍l(fā)生器主流進(jìn)行點火?;鹁纥c火器可以提供足夠的點火能量、較高的點火溫度并且維持250~500ms的點火時間,能夠滿足燃?xì)獍l(fā)生器的點火要求?;鹁纥c火器產(chǎn)生的高溫氣體首先引燃了附近的可燃混合物,然后火焰逐漸由初始的火團(tuán)傳播到附近的區(qū)域,最后點燃了整個燃燒室。

為了研究燃?xì)獍l(fā)生器的啟動性能,定義兩個參數(shù):點火時間ti和著火延遲ts,分別對應(yīng)著點火和火焰?zhèn)鞑ミ^程。如圖4所示,其中點火時間定義為火炬點火器室壓突躍時刻(火炬點火器開始工作)到燃?xì)獍l(fā)生器燃燒室室壓突躍時刻的間隔。參考文獻(xiàn)[7]關(guān)于動態(tài)特性的定義,將著火延遲定義為燃燒室室壓突躍時刻到燃燒室室壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)壓力值的95%之間的間隔。各次試驗的點火時間及著火延遲對比如表1所示,表1中涉及的時序1和時序2分別如圖5和圖6所示。

表1 燃?xì)獍l(fā)生器熱試試驗點火性能比較Tab.1 Comparison ofhot test results

3 啟動過程的影響因素

3.1 流量密度的影響

燃燒室流量密度定義為燃燒室單位橫截面積上的質(zhì)量流量。表1中1、2、3三次試驗的氧氣及燃料流量密度逐漸增大(氧氣及燃料壓降逐漸提高),但混合比基本保持不變,點火時序也完全相同。由試驗結(jié)果可以看出,雖然點火時刻三次試驗的流量密度逐漸增加,但它們的點火時間基本相同。由于三次試驗采用相同的試驗時序,因此在點火瞬間,三次試驗中噴注器的混合比基本相同。由吳晉湘[8]對同軸離心式噴嘴的研究結(jié)果可知,一定范圍內(nèi),在反壓一定、氣液比相同的情況下,隨著氣體噴前壓力的增加,噴嘴的霧化質(zhì)量將有所提高,噴嘴的流強分布也更加均勻,因此氧氣與燃料兩種組元的混合也就越充分。但在噴嘴氣液比相同的情況下,隨著氣體噴前壓力的提高,液體的噴前壓力也在增加,從而導(dǎo)致離心式內(nèi)噴嘴噴出的燃料液膜初始厚度也在增加。因此流量密度增大到一定程度以后,霧化和混合質(zhì)量也有變差的趨勢。最終由試驗結(jié)果可以看出,雖然流量密度增加會引起三次試驗中燃料霧化與兩組元混合質(zhì)量的差異,但最終未對點火時間產(chǎn)生較大影響。

同時,由表1可以看出,1、2、3三次試驗中著火延遲隨著流量密度的增加而逐漸增加。由于三次試驗中可燃混合氣體的化學(xué)性質(zhì)相同,混合比一致,因此著火溫度也相同。隨著燃?xì)獍l(fā)生器流量密度的增加,燃燒室內(nèi)氣流速度不變,但密度增加。由火焰?zhèn)鞑サ臒崃碚摽芍?,在其他因素相同的情況下,火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c可燃混合氣體的密度成反比。因此隨著燃燒室流量密度的增加,火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u降低,火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊慕档脱娱L了火焰?zhèn)鞑ミ^程,從而導(dǎo)致了著火延遲的增加。表1中采用時序2的5~8試驗數(shù)據(jù),驗證了著火延遲隨流量密度增加而增加的規(guī)律。

3.2 時序的影響

為了研究推進(jìn)劑組元進(jìn)入燃燒室時間對啟動性能的影響,在試驗參數(shù)不變的情況下,分別采用兩組不同的時序進(jìn)行了啟動試驗。試驗3采用時序1,啟動過程壓力變化曲線如圖7所示,兩根豎線間區(qū)域放大顯示在圖8中;試驗4采用時序2,啟動過程壓力變化曲線如圖9所示,兩根豎線間區(qū)域放大顯示在圖10中。

試驗3采用時序1,時序1中于2.1s打開氧氣閥門,3.2s打開燃料閥門,4.4s火炬點火器開始工作。如圖7及圖8所示,當(dāng)火炬點火器開始工作以后,燃燒室與燃料腔出現(xiàn)壓力波動。出現(xiàn)這種波動的主要原因是燃燒室內(nèi)火炬點火器產(chǎn)生的高溫氣體周圍的混合物被點燃,但由于此時燃燒室壓力較低,火團(tuán)無法傳播出去,導(dǎo)致火焰熄滅同時燃?xì)獍l(fā)生器總體當(dāng)量比仍然偏離著火適當(dāng)比,霧化混合質(zhì)量較差,氧氣燃料混合極不均勻,燃燒室內(nèi)混合比值差異較大。部分區(qū)域仍然不滿足著火條件。因此火焰出現(xiàn)了熄滅的現(xiàn)象。隨著充填過程的繼續(xù),氧氣與燃料流量有所增加,霧化和混合進(jìn)一步改善,混合比接近著火適當(dāng)比,最終火焰得到順利傳播。在該時序下,點火時間與著火延遲較長。由此可見,當(dāng)氧氣與燃料進(jìn)入燃燒室的時間差較小時,點火過程會出現(xiàn)著火再熄火的現(xiàn)象,此時點火較為困難。

試驗4采用時序2,時序2中燃料閥門的打開時間以及火炬點火器工作的時間與試驗4中完全相同,但氧氣閥門的打開時間提前了1s。如圖9及圖10所示,可以看出,在3.9s的時刻,氧氣已經(jīng)進(jìn)入燃燒室,燃燒室內(nèi)開始建壓。對比同一時刻圖6中的燃料噴前壓力可以看出,燃料噴前壓力也突然上升。由于時序2只是改變了氧氣閥門打開的時間,并沒有改變?nèi)剂祥y門的打開時間,因此此時燃料噴前壓力突然上升主要是因為提前進(jìn)入燃燒室的氧氣竄入燃料腔造成的結(jié)果。這種情況較為危險,有可能在點火過程中使火焰竄入燃料腔并發(fā)生燒蝕現(xiàn)象。同時,由表1可以看出,采用時序2的試驗點火時間與著火延遲都大大縮短。增大氧氣與燃料進(jìn)入燃燒室的時間差,雖然試驗點火時間與火焰?zhèn)鞑r間大大縮短,但存在氧氣進(jìn)入燃料腔的危險,同時燃燒室內(nèi)會積存大量的氧氣,不利于穩(wěn)定的啟動。

4 結(jié)論

(1)為了研究燃?xì)獍l(fā)生器的啟動性能,依據(jù)啟動過程中壓力曲線的特點,引入點火時間和著火延遲兩個物理參數(shù),分別對應(yīng)著點火和火焰?zhèn)鞑ミ^程。

(2)燃燒室流量密度對啟動過程中的點火過程影響不大,但卻對火焰?zhèn)鞑ミ^程影響較大,流量密度的增加導(dǎo)致著火延遲延長。

(3)時序中組元進(jìn)入燃燒室的時間對啟動過程有較大的影響,氧氣與燃料之間的間隔太短時,點火較為困難,點火時間與著火延遲都較長;但氧氣與燃料間隔太長,又會導(dǎo)致氧氣進(jìn)入燃料腔,產(chǎn)生危險;同時燃燒室積存大量氧氣,不利于穩(wěn)定啟動,點火后可能出現(xiàn)壓力峰和溫度峰。

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[5]田章福,低濃度酒精/過氧化氫燃?xì)獍l(fā)生器噴霧燃燒過程研究[D].國防科技大學(xué)研究生院.2007.

[6]王愛玲,林慶國,吳建軍.運載火箭氣氧/煤油姿控發(fā)動機(jī)技術(shù)研究.上海航天,2006,23(5):6-11.

[7]鄭麗.大流量減壓器的特性研究及內(nèi)部流場動態(tài)仿真[D].國防科技大學(xué)研究生院.2007.

[8]吳晉湘.不同反壓下大流量氣液同軸式噴嘴霧化特性及噴霧兩相流場的試驗和理論研究 [D].國防科技大學(xué)研究生院.1993.

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