杜宗罡，朱成財(cái)，吳 金，單世群，于忻立，史雪梅，符全軍，韓 偉

(西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所，陜西 西安 710100)

火箭煤油降阻技術(shù)研究

杜宗罡，朱成財(cái)，吳 金，單世群，于忻立，史雪梅，符全軍，韓 偉

(西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所，陜西 西安 710100)

對(duì)3種火箭降阻煤油在管路中流阻特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。與火箭煤油相比，試驗(yàn)用降阻煤油的密度相近(20 ℃，0.832 3 g/cm3)，粘度升高(20 ℃，2.17～2.77 mPa·s)。通過(guò)管路流阻特性理論計(jì)算和試驗(yàn)，驗(yàn)證了降阻煤油在流阻測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)各組件時(shí)的實(shí)際降阻效果，并對(duì)影響降阻效果的因素包括降阻煤油類型、直管管徑、流體流速及降阻劑濃度等進(jìn)行試驗(yàn)考察。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用相同降阻煤油，在同樣流量下，直管管徑越小，流速越高，降阻率越高；在同樣管徑下，流速越高，降阻率先快速升高后緩慢降低；使用相同降阻劑，隨著煤油中降阻劑濃度的升高，降阻效率先快速升高后趨于平緩；3種降阻煤油中配方為JZM-7的降阻效率最高，與火箭煤油相比，JZM-7在Φ4直管中流速為54.748 m/s時(shí)降阻率為75.05%。

火箭煤油；降阻劑；流阻；JZM-7

0 引言

目前，隨著我國(guó)新一代運(yùn)載火箭CZ-5,CZ-6及CZ-7陸續(xù)投入使用，火箭煤油已成為我國(guó)航天液體動(dòng)力的主燃料?；鸺河途哂袩o(wú)毒、環(huán)保、性能高及成本低等優(yōu)點(diǎn)，既可作為運(yùn)載火箭主動(dòng)力的燃料，也可用于新型沖壓或組合發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種用途廣泛的推進(jìn)劑。然而，火箭煤油在高速流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)組件時(shí)，受不規(guī)則湍流狀態(tài)作用，管路流阻增大，從而增加泵后負(fù)載，使得渦輪泵和發(fā)生器處于高負(fù)荷工作，影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠性，限制了發(fā)動(dòng)機(jī)性能的進(jìn)一步提升?？赏ㄟ^(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)或者采用火箭降阻煤油以降低系統(tǒng)流阻、提升發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能。

上世紀(jì)80年代末，俄羅斯動(dòng)力機(jī)械科研生產(chǎn)聯(lián)合體已開(kāi)始對(duì)火箭煤油降阻技術(shù)進(jìn)行研究，并取得了較大進(jìn)展[1]。主要研究?jī)?nèi)容包括：煤油降阻劑篩選；煤油復(fù)合降阻劑后對(duì)噴嘴霧化效果的影響；對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)組件液流特性和動(dòng)力性能的影響；對(duì)RD-120和RD-171等發(fā)動(dòng)機(jī)熱試特性的影響評(píng)估以及對(duì)火箭性能貢獻(xiàn)的計(jì)算。研究結(jié)果表明，在火箭煤油中復(fù)合高分子降阻劑后，可較大幅度地降低發(fā)動(dòng)機(jī)煤油輸送管路的流阻(大于20%)、提升渦輪泵效率(大于5%)、降低燃?xì)鉁囟?大于40 ℃)，煤油霧化和傳熱性能卻未發(fā)生明顯變化[2]，從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能。

本文以3組前期篩選出的火箭降阻煤油為研究對(duì)象，開(kāi)展火箭降阻煤油物性測(cè)試和降阻特性試驗(yàn)研究，考察降阻煤油配方、直管管徑、流速等因素對(duì)降阻率的影響[3-4]，從而驗(yàn)證高分子降阻劑用于降低火箭煤油在管路中流阻的可行性。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)用原料與流阻測(cè)試系統(tǒng)

試驗(yàn)用煤油為液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車用火箭煤油，3種添加有高分子降阻劑的火箭降阻煤油為實(shí)驗(yàn)室制備。分別測(cè)定火箭煤油和3種不同配方火箭降阻煤油在常溫(20 ℃)下的密度和動(dòng)力粘度。采用美國(guó)魯?shù)婪駾DM 2911型密度計(jì)測(cè)定樣品密度，該密度計(jì)具有測(cè)量精度高、響應(yīng)快且重現(xiàn)性好等特點(diǎn)?；鸺底杳河偷膭?dòng)力粘度使用Ф0.8玻璃毛細(xì)管粘度計(jì)(粘度系數(shù)為0.031 52 mm2/s2)測(cè)定。流阻試驗(yàn)在自建的流阻測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展。圖1為流阻測(cè)試用試驗(yàn)系統(tǒng)，由1臺(tái)高壓儲(chǔ)箱，1臺(tái)回收儲(chǔ)箱、2臺(tái)流量計(jì)及7個(gè)壓力傳感器組成。

1.2 管路流阻特性研究

1.2.1 直管中煤油流阻特性計(jì)算

分別選擇Φ4和Φ8的兩種直圓管，計(jì)算不同流速下煤油的雷諾數(shù)和流阻數(shù)據(jù)。將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證計(jì)算數(shù)據(jù)的可靠性。表1為計(jì)算用相關(guān)參數(shù)，具體計(jì)算過(guò)程如下：

表1 計(jì)算用相關(guān)參數(shù)Tab.1 Calculation parameters

1.2.1.1 雷諾數(shù)計(jì)算

雷諾數(shù)計(jì)算公式：

(1)

式中：ρ為密度，kg/m3；μ為動(dòng)力粘度，Pa·s；d為管徑，m；v為流速，m/s。

1.2.1.2 直圓管流阻計(jì)算

采用不可壓縮粘性流體在光滑管內(nèi)定常流動(dòng)時(shí)壓強(qiáng)降公式，即D-W公式[5]：

(2)

式中: λ為摩擦系數(shù)(顧毓珍公式(1)：λ=0.005 6+0.500/Re0.32；顧毓珍公式(2)：λ=0.012 27+0.754 3/Re0.38)；l為圓管長(zhǎng)度，m。

1.2.2 降阻煤油流阻特性試驗(yàn)研究

通過(guò)試驗(yàn)考察煤油和3種降阻煤油在不同流速(量)下的沿程流阻和局部流阻損失特性，比較火箭降阻煤油與煤油的降阻效果，煤油流阻試驗(yàn)工藝流程見(jiàn)圖2。采用高壓氮?dú)鈹D壓儲(chǔ)箱中煤油，使煤油依次經(jīng)過(guò)渦輪流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、Φ8直管(長(zhǎng)1.93 m)、Φ4直管(長(zhǎng)2.10 m)和限流孔板(Φ4)，分別測(cè)定質(zhì)量流量計(jì)、Φ8直管、Φ4直管、手動(dòng)截止閥和限流孔板兩側(cè)的流阻變化，獲取各部件在不同介質(zhì)、不同流速(量)下的流阻數(shù)據(jù)。

本文所提降阻率是指與煤油相比，火箭降阻煤油在流動(dòng)過(guò)程中管路兩端流阻(壓降)的降低幅度，如公式(3)所示：

(3)

具體試驗(yàn)過(guò)程如下：

1)先用煤油對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，確保流量計(jì)、各類傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正常工作；

2)測(cè)定煤油在不同流速(量)、不同組件中的流阻數(shù)據(jù)；

3)選擇具有代表性的3種降阻煤油，測(cè)定流阻數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 降阻煤油密度與粘度測(cè)試

根據(jù)公式(2)和公式(3)，流體的密度和粘度是影響流體流阻特性的重要參數(shù)。從7種降阻煤油中選擇具有代表性的3組樣品(JZM-1,JZM-4及JZM-7)，進(jìn)行密度和動(dòng)力粘度測(cè)試。從表2可以看出，降阻煤油的密度與煤油相近，而動(dòng)力粘度升高。

2.2 煤油降阻特性研究

2.2.1 直管中煤油流阻理論計(jì)算

采用公式(3)中的兩個(gè)顧毓珍公式[3]計(jì)算

表2 降阻煤油的密度與粘度Tab.2 Density and viscosity of DRK

摩擦系數(shù)，從而計(jì)算煤油流動(dòng)過(guò)程中直管管徑、流速與雷諾數(shù)及流阻之間的關(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明，隨著流速的升高，不同管徑中煤油的雷諾數(shù)和流阻均不斷升高。當(dāng)流量為0.114～0.629 kg/s時(shí)，Φ4直管中流速10～60 m/s、雷諾數(shù)17 630～94 798、流阻0.625～14.375 MPa，Φ8直管中流速5.162～60 m/s、雷諾數(shù)8 371～93 297、流阻0.325～3.948 MPa。

以Φ4直管為例，分別對(duì)比不同流速下流阻實(shí)測(cè)值與兩個(gè)不同公式的計(jì)算結(jié)果，從而分析理論計(jì)算結(jié)果的可靠性。如表3所示，兩種顧毓珍公式計(jì)算得到的流阻與實(shí)測(cè)流阻均存在偏差。在低流速下(<43 m/s)，顧毓珍公式(1)計(jì)算得到流阻數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)值相近；在高流速下(>43 m/s)，顧毓珍公式(2)計(jì)算得到流阻數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)值相近。分析主要是由于摩擦系數(shù)公式在計(jì)算時(shí)有一定的適用范圍，計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)流體流速選擇不同的計(jì)算公式和參數(shù)。

表3 煤油在Φ4直管中流阻計(jì)算與實(shí)測(cè)值對(duì)比Tab.3 Comparison between calculation and actual test results of flow resistance of kerosene in Φ4 straight pipe

2.2.2 流阻特性試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證降阻煤油在高速流動(dòng)下的管路降阻效果，選擇煤油和3種降阻煤油(JZM-1，JZM-4及JZM-7)，在流阻測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行降阻性能測(cè)試，考察不同流速下4種介質(zhì)的沿程流阻和局部流阻損失，比較降阻煤油與煤油的降阻特性。具體試驗(yàn)結(jié)果如下：

2.2.2.1 系統(tǒng)總流阻

圖3為管路中不同介質(zhì)的系統(tǒng)總流阻與流量的變化趨勢(shì)。測(cè)定儲(chǔ)箱出口與回收箱前的壓力差即為系統(tǒng)總流阻(圖2中P1-P6)。從圖2可以看出，隨著系統(tǒng)中介質(zhì)流量的增大，采用不同介質(zhì)時(shí)系統(tǒng)總流阻均升高。但在相同流量下，JZM-7在管路中的降阻效果明顯優(yōu)于其他兩種降阻煤油及煤油。例如，使用JZM-7在最高流量為0.610 kg/s時(shí)，系統(tǒng)總流阻較煤油可降低52.83%。

2.2.2.2 管路流阻

試驗(yàn)用Φ4直管長(zhǎng)度2.10 m，測(cè)定Φ4直管兩端的流阻，即圖2中P3-P4。Φ4直管中的流速范圍為10～60 m/s，相應(yīng)的雷諾數(shù)范圍16 214～97 285。從圖4(a)可以看出，隨著流速的升高，降阻煤油降阻率均先升高后降低的趨勢(shì)。同樣流速下，JZM-7的降阻率優(yōu)于其他兩種降阻煤油。

試驗(yàn)用Φ8直管長(zhǎng)度1.93 m，測(cè)定Φ8直管兩端的流阻，即圖2中P2-P3。Φ8直管中的流速范圍為5～15 m/s，相應(yīng)的雷諾數(shù)范圍8 371～24 324。在相同流量下，Φ8直管中的流速最高僅為15 m/s，遠(yuǎn)低于Φ4管60 m/s流速。從圖4(b)可以看出，隨著流速的升高，降阻煤油的降阻率逐漸升高；同樣流速下，JZM-7的降阻率優(yōu)于其他兩種降阻煤油。

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，可以得出如下結(jié)論：1)同樣流量下，管徑越小，流速越高，雷諾數(shù)越大，降阻率越高。如在0.572 kg/s流量下，Φ4直管中JZM-7的流速為54.748 m/s時(shí)降阻率75.05%，Φ8直管中流速為13.686 m/s時(shí)降阻率12.26 %；2)同樣管徑下，流速越高，降阻率先升高后逐漸降低。

2.2.2.3 局部流阻

局部流阻主要測(cè)定限流孔板兩端的流阻，即圖2中P5-P6。在本次試驗(yàn)中，未觀察到降阻煤油經(jīng)過(guò)限流孔板時(shí)局部流阻有明顯降低。在試驗(yàn)過(guò)程中，限流孔板兩側(cè)均使用Φ20直管，試驗(yàn)最高流速僅為2.55 m/s，降阻效率不顯著。具體情況有待后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2.2.4 降阻劑濃度對(duì)煤油降阻率影響

選擇JZM-7作為研究對(duì)象，考察不同濃度降阻劑對(duì)降阻率的影響過(guò)程。如圖5所示，使用相同降阻劑，隨著煤油中降阻劑濃度的升高，降阻效率先快速升高后趨于平緩。在C2～C3濃度區(qū)間內(nèi)，降阻率提高幅度不明顯，已趨于平衡。當(dāng)濃度大于C3時(shí)，降阻率不增加，甚至有降低的趨勢(shì)。另外，隨著濃度增加粘度相應(yīng)增加，可能會(huì)影響到傳熱效果。因此，合適的降阻劑濃度選擇C2～C3范圍內(nèi)。

3 總結(jié)與展望

本文對(duì)3種降阻煤油在管路中的降阻效果進(jìn)行試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，配方為JZM-7的降阻效率最高，與煤油相比，JZM-7在Φ4直管中流速為54.748 m/s時(shí)降阻率最高達(dá)75.05 %。影響降阻效果的因素主要是降阻劑種類、降阻劑濃度、管路管徑、流體流速等。后續(xù)將開(kāi)展煤油降阻劑配方優(yōu)化、降阻機(jī)理[6-9]及降阻煤油的流動(dòng)、傳熱、霧化[10]、燃燒特性研究，獲得綜合性能優(yōu)異的降阻煤油。并采用液氧/煤油縮尺件或液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)降阻煤油的綜合性能進(jìn)行驗(yàn)證，完成降阻煤油綜合性能測(cè)試與評(píng)估，為液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)性能提升及進(jìn)一步工程化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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Investigation on drag-reduction technology of rocket kerosene

DU Zonggang， ZHU Chengcai， WU Jin， SHAN Shiqun， YU Xinli， SHI Xuemei， FU Quanjun， HAN Wei

(Xi’an Aerospace Propulsion Test Technique Institute， Xi’an 710100， China)

The characteristics of flow resistance in pipeline of kerosene with three drag reducers was researched by experiments. The density of drag reducing kerosene (DRK) is 0.832 3 g/cm3(20 ℃)， and its viscosity is ranging from 2.17 mPa·s to 2.77 mPa·s (20 ℃). Factors influencing drag reduction， such as types of DRK， concentration of drag reducers， straight pipe diameter， flow velocity， are discussed and evaluated. The results as follows：1) under the condition of same flux， the smaller the diameter of the straight pipe is， the higher the flow velocity and the drag reduction rate become；2) under the condition of same diameter， the drag reduction rate rises fast and then descends slowly as the flow velocity rises higher；3) with the same drag reducer， the drag reduction rate rises quickly and then becomes flatting with the increase of concentration of drag reducer in rocket kerosene；4) JZM-7 has the highest drag reduction rate among the three types of drag reduction kerosene formulas. Compared with pure kerosene， the drag reduction rate of JZM-7 is 75.05% at the flow velocity of 54.748 m/s inΦ4 straight pipe.

rocket kerosene；drag reducer；flow resistance；JZM-7

2016-10-11；

2017-03-23

裝發(fā)聯(lián)合基金項(xiàng)目(6141B06260101)

杜宗罡(1971—)，男，研究員，研究領(lǐng)域?yàn)橐后w推進(jìn)劑

V511-34

A

1672-9374(2017)06-0032-06

(編輯：馬 杰)