空氣/煤油燃?xì)獍l(fā)生器技術(shù)研究

金盛宇，許宏博，吉 林

（上?？臻g推進(jìn)研究所，上海201112）

0 引言

燃料無(wú)毒化是某動(dòng)力裝置改進(jìn)發(fā)展方向[1-2]。最初，該動(dòng)力裝置采用單組元肼燃料[3]，系統(tǒng)無(wú)需點(diǎn)火裝置、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、起動(dòng)可靠，但肼燃料有毒，帶來(lái)了生產(chǎn)、貯存、運(yùn)輸、使用條件和地面勤務(wù)操作復(fù)雜、維護(hù)使用成本高等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，美國(guó)多個(gè)類似的型號(hào)經(jīng)大量研究分析對(duì)比后，最終采用了“空氣+煤油”燃料方案[4-5]。我國(guó)也開(kāi)展了空氣/煤油燃?xì)獍l(fā)生器研究，研制成功燃?xì)獍l(fā)生器原理樣機(jī)，并與渦輪進(jìn)行聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能演示。本文介紹該空氣/煤油燃?xì)獍l(fā)生器的研究情況。

1 設(shè)計(jì)方案

空氣/煤油燃?xì)獍l(fā)生器具備富氧和富燃兩種工作模式，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。燃?xì)獍l(fā)生器原理樣機(jī)結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1，主要由噴注器、點(diǎn)火段、身部直筒段、身部折角段以及燃燒室等構(gòu)成。

表1 燃?xì)獍l(fā)生器設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.1 Design characteristics of gas generator

圖1 燃?xì)獍l(fā)生器外形結(jié)構(gòu)Fig.1 Configuration of gas generator

由于空氣/煤油推進(jìn)劑組合屬于非自燃推進(jìn)劑，因此設(shè)置兩路電火花點(diǎn)火器（冗余）。燃?xì)獍l(fā)生器采用雙路燃油噴嘴[6]，以滿足富氧和富燃工況的兩種燃油流量的需求。燃?xì)獍l(fā)生器采用二次燃燒方案，空氣分兩級(jí)進(jìn)入燃燒室，初級(jí)空氣從燃燒室頭部進(jìn)入，通過(guò)旋流器霧化燃油，并在燃燒室內(nèi)形成強(qiáng)旋流，以便穩(wěn)定火焰[7]；次級(jí)空氣從燃燒室中后部進(jìn)入燃燒室，進(jìn)行再次燃燒和摻混，控制燃?xì)鉁囟取?/p>

2 燃?xì)獍l(fā)生器試驗(yàn)

空氣/煤油燃?xì)獍l(fā)生器經(jīng)歷十多輪狀態(tài)調(diào)整及地面熱試車，逐步實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火以及再起動(dòng)點(diǎn)火，點(diǎn)火成功率和性能不斷提高，最終通過(guò)單機(jī)考核。考核表明燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火可靠，燃?xì)鈮毫Α囟群土髁康葏?shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。隨后與渦輪等裝置進(jìn)行地面聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)，考察燃?xì)獍l(fā)生器與渦輪、控制器的工作匹配性和功率輸出特性，驗(yàn)證了系統(tǒng)功能。圖2為燃?xì)獍l(fā)生器單機(jī)試驗(yàn)點(diǎn)火照片，聯(lián)試時(shí)主要測(cè)量參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.2 Picture of gas generator in ignition test

表2 試驗(yàn)測(cè)量參數(shù)表Tab.2 Parameters detected in test

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 富氧模式

燃?xì)獍l(fā)生器實(shí)現(xiàn)富氧模式工作，實(shí)測(cè)燃?xì)鈮毫?.8 MPa，燃?xì)鉁囟葹? 5 0℃，最大輸出功率為1 8kW。圖3為聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)燃?xì)獍l(fā)生器富氧工作模式的試驗(yàn)曲線，試驗(yàn)程序時(shí)間1 5 s，負(fù)載功率由2 0kW下調(diào)到1 5kW，燃?xì)獍l(fā)生器再起動(dòng)1次。從圖3中可見(jiàn)：燃?xì)獍l(fā)生器富氧點(diǎn)火響應(yīng)時(shí)間1.2 s左右，渦輪達(dá)到6 0%額定轉(zhuǎn)速時(shí)間不超過(guò)2 s。另外，燃?xì)獍l(fā)生器富氧模式再起動(dòng)響應(yīng)時(shí)間僅0.1 s左右，可實(shí)現(xiàn)脈沖工作。

圖3 富氧模式試驗(yàn)曲線Fig.3 Test curves of oxidizer-rich mode

3.2 富燃模式

在富燃模式，燃?xì)獍l(fā)生器穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，渦輪輸出功率達(dá)到最大值，而低功率輸出時(shí)，燃?xì)獍l(fā)生器在控制器的控制下，進(jìn)行脈沖模式工作，以保證渦輪轉(zhuǎn)速恒定和功率輸出需求。燃?xì)獍l(fā)生器實(shí)現(xiàn)富燃模式工作，燃?xì)鈮毫?.0M P a，穩(wěn)態(tài)燃?xì)鉁囟? 5 0～9 5 0℃。燃?xì)獍l(fā)生器響應(yīng)快，脈沖工作可靠，與渦輪工作匹配，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定功率輸出。

圖4給出了聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)富燃模式的典型工作曲線。圖4(a)試驗(yàn)設(shè)定負(fù)載5 3kW，燃?xì)獍l(fā)生器再起動(dòng)8次，波形一致性較好，脈沖工作周期0.5 s左右；圖4(b)試驗(yàn)設(shè)定負(fù)載2 3kW，燃?xì)獍l(fā)生器再起動(dòng)1 2次，脈沖工作周期0.3 s左右，最小間隔時(shí)間小于0.1 s。由此可見(jiàn)，燃?xì)獍l(fā)生器富燃工作模式實(shí)現(xiàn)了5 3～2 3kW的功率輸出，負(fù)載功率需求越小，脈沖工作時(shí)間越短，頻率越高，脈沖最小周期3 0 0 m s。根據(jù)實(shí)際脈沖工作占空比，推算燃?xì)獍l(fā)生器最大可輸出功率達(dá)7 5kW以上。

由于富燃模式采用電火花直接點(diǎn)火方式，燃?xì)獍l(fā)生器再起動(dòng)壓力峰較高，尤其是在負(fù)載功率較小的情況下。試驗(yàn)中通過(guò)優(yōu)化點(diǎn)火時(shí)序，在一定程度上可以降低壓力峰，但是無(wú)法消除。為此，后續(xù)又開(kāi)展了火炬點(diǎn)火方式的研究工作，希望解決再起動(dòng)壓力峰問(wèn)題，確保系統(tǒng)工作的平穩(wěn)可靠。

圖4 富燃模式試驗(yàn)曲線Fig.4 Test curves of fuel-rich mode

3.3 富燃模式火炬點(diǎn)火

燃?xì)獍l(fā)生器單機(jī)試驗(yàn)還驗(yàn)證了富燃模式和富氧模式可相互切換，切換工作中，燃?xì)獍l(fā)生器不熄火。這為富燃模式脈沖工作提供了另一種點(diǎn)火方式，即富燃模式火炬點(diǎn)火方式，也就是燃?xì)獍l(fā)生器富燃模式脈沖工作過(guò)程中，富氧模式一直處于工作狀態(tài)，相當(dāng)于一火炬，從而提高了富燃模式脈沖點(diǎn)火工作的可靠性，降低對(duì)電點(diǎn)火的依賴。

圖5給出了燃?xì)獍l(fā)生器富燃模式火炬點(diǎn)火方式的典型工作曲線。試驗(yàn)設(shè)定負(fù)載5 3kW，工作時(shí)間2 0 s，再起動(dòng)3次（火炬點(diǎn)火）。

圖5 富燃模式火炬點(diǎn)火方式試驗(yàn)曲線Fig.5 Test curves of fuel-rich mode with torch ignition

從曲線分析可見(jiàn)：

1） 富燃模式火炬點(diǎn)火方式實(shí)現(xiàn)功率輸出，系統(tǒng)工作平穩(wěn)可靠，再起動(dòng)無(wú)壓力峰。

2）富燃模式火炬點(diǎn)火方式再起動(dòng)頻率顯著降低。再起動(dòng)周期5 s以上，而原富燃模式脈沖工作再起動(dòng)周期約為0.5 s，兩者相差1 0倍。這主要是因?yàn)榛鹁婀ぷ鲿r(shí)仍維持著小功率燃?xì)廨敵?，?dǎo)致關(guān)機(jī)后渦輪轉(zhuǎn)速下降緩慢（如圖5轉(zhuǎn)速變化曲線），從而整個(gè)再起動(dòng)周期加長(zhǎng)。

3） 富燃模式火炬點(diǎn)火方式下轉(zhuǎn)速控制精度較差（2 0%左右），需進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整控制策略，改善轉(zhuǎn)速控制精度。

4） 富燃模式火炬點(diǎn)火方式的關(guān)機(jī)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)是轉(zhuǎn)速控制精度差的主要原因之一。關(guān)機(jī)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)（300ms以上），導(dǎo)致關(guān)機(jī)后轉(zhuǎn)速繼續(xù)上沖，容易超轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速上限控制困難，控制精度差。

4 結(jié)束語(yǔ)

空氣/煤油燃?xì)獍l(fā)生器具有無(wú)毒、高能、起動(dòng)快、燃料易于獲取等特點(diǎn)。我國(guó)近年開(kāi)展了某動(dòng)力裝置無(wú)毒化論證研究工作，研制成功空氣/煤油燃?xì)獍l(fā)生器原理樣機(jī)，并完成與渦輪的聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，燃?xì)獍l(fā)生器性能初步滿足某動(dòng)力裝置要求。后續(xù)將開(kāi)展工程環(huán)境適應(yīng)性研究工作，考察燃?xì)獍l(fā)生器高空、低溫以及其他工程應(yīng)用環(huán)境下的點(diǎn)火性能及可靠性，實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

[1]黃鐵山.國(guó)外機(jī)載機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)和裝備[C]//中國(guó)航空學(xué)會(huì).中國(guó)航空學(xué)會(huì)航空電器工程第六屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.[出版地不詳]:[出版者不詳],2003:92-96.

[2]范開(kāi)華.軍用飛機(jī)第二動(dòng)力系統(tǒng)[C]//中國(guó)航空學(xué)會(huì).中國(guó)航空學(xué)會(huì)控制與應(yīng)用第十屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.[出版地不詳]:[出版者不詳],2002:105-112.

[3]薛鎮(zhèn)基,李令成.肼混合燃料在飛機(jī)應(yīng)急動(dòng)力裝置中的應(yīng)用[J].黎明化工,1993(1):41-45.

[4]MIKE K.Recent developments in aircraft emergency power,AIAA 2000-2802[R].USA:AIAA,2000.

[5]WEIMER J.Past,present&future of aircraft electrical power systems,AIAA 2001-1147[R].USA:AIAA,2001.

[6]侯凌云,侯曉春.噴嘴技術(shù)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)石化出版社,2007.

[7]侯曉春.高性能航空燃?xì)廨啓C(jī)燃燒技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1995.