基于碳氫燃料裂解工作的ATR發(fā)動機性能分析

張留歡，劉 嬿，張蒙正

（1.西安航天動力研究所,陜西西安710100；2.中國運載火箭技術(shù)研究院,北京100076）

基于碳氫燃料裂解工作的ATR發(fā)動機性能分析

張留歡1，劉 嬿2，張蒙正1

（1.西安航天動力研究所,陜西西安710100；2.中國運載火箭技術(shù)研究院,北京100076）

提出了一種基于碳氫燃料裂解氣體驅(qū)動渦輪工作的ATR發(fā)動機方案，并對特定裂解氣成分的碳氫ATR發(fā)動機性能進行計算，獲得了裂解氣中烷/烯比對發(fā)動機性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，在同一飛行條件下，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升，推力逐漸上升，比沖基本呈減小趨勢；在同一轉(zhuǎn)速下，碳氫燃料裂解氣中烷/烯比越大，發(fā)動機比沖越高。在烷/烯比4、轉(zhuǎn)速百分比70%條件下，發(fā)動機比沖最高達到約7 644 m/s；隨著烷/烯比逐漸升高，裂解氣比熱容逐漸升高。

碳氫燃料；裂解；ATR發(fā)動機；烷/烯比；發(fā)動機性能

0 引言

空氣渦輪火箭發(fā)動機作為一種組合循環(huán)發(fā)動機，將火箭發(fā)動機推力室與渦輪噴氣發(fā)動機進行有機組合[1-2]，將渦輪入口氣流參數(shù)與飛行工況解耦，拓寬了發(fā)動機工作高度、速度范圍。

根據(jù)熱力循環(huán)方式不同，ATR發(fā)動機主要分為燃氣發(fā)生器循環(huán)和膨脹循環(huán)2種方案[3-7]。燃氣發(fā)生器循環(huán)ATR發(fā)動機多使用雙組元（液氧/液氫、液氧/甲烷、H2O2/煤油等） 作為推進劑[8-9]，這種方式發(fā)動機自帶氧化劑，且推進劑低溫或熱穩(wěn)定性差；膨脹循環(huán)ATR發(fā)動機（Air-Turbo-Ram Expander cycle，ATREX）使用液氫作為推進劑[10-11]，其做功能力強，燃燒熱值高，但密度低，儲存容積大且對材料性能要求高，操作性較差[12]。

碳氫燃料在吸氣式發(fā)動機領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。目前，國內(nèi)外對于碳氫燃料的研究多集中在吸熱型碳氫燃料再生冷卻方面[13-15]。碳氫燃料通過受熱或催化等方式裂解為小分子烷烴、烯烴等氣相物，過程吸熱，可對發(fā)動機壁面進行冷卻[16-21]。同時，碳氫燃料熱穩(wěn)定性良好，方便使用，從推進劑選擇方面有利于ATR發(fā)動機應(yīng)用?；诖?，本文提出了一種基于碳氫燃料裂解工作的ATR發(fā)動機（下文簡稱碳氫ATR發(fā)動機）方案，詳細闡述了該發(fā)動機工作原理，并進行了發(fā)動機性能計算，研究了碳氫燃料裂解成分對發(fā)動機性能的影響規(guī)律，可為后續(xù)吸氣式組合發(fā)動機方案研究提供新的思路。

1 工作原理及性能

碳氫ATR發(fā)動機主要包括進氣道、壓氣機、氣體發(fā)生裝置、渦輪、燃燒室、尾噴管及換熱裝置等組件。碳氫ATR發(fā)動機的特點主要是其氣體發(fā)生裝置利用碳氫燃料裂解產(chǎn)生小分子烴類氣相物的特性。在發(fā)動機工作過程中，首先采用單獨設(shè)計安裝的燃氣發(fā)生器產(chǎn)生高溫高壓富燃燃氣驅(qū)動發(fā)動機短暫工作，之后高壓超臨界碳氫燃料進入發(fā)動機，通過換熱裝置實現(xiàn)升溫裂解（同時冷卻燃燒室殼體），產(chǎn)生的高溫高壓氣相物進入氣體發(fā)生裝置，直接驅(qū)動渦輪帶動壓氣機工作，大氣中的空氣經(jīng)壓氣機增壓后直接進入渦輪后的燃燒室，在燃燒室內(nèi)和經(jīng)過渦輪做功后的可燃氣體進行燃燒，生成的高溫燃氣通過噴管膨脹產(chǎn)生推力。

根據(jù)碳氫ATR發(fā)動機工作原理，建立了發(fā)動機工作平衡方程，具體如下。

1）渦輪與壓氣機物理轉(zhuǎn)速平衡：

式中：n為物理轉(zhuǎn)速；下標c為壓氣機；下標t為渦輪。

2） 發(fā)動機流道壓力平衡（不考慮氣體沿程壓力損失）：

式中：p為發(fā)動機截面氣體總壓；π為壓比；下標2，4，7分別為壓氣機入口截面、渦輪入口截面、噴管喉部截面。

3）氣體質(zhì)量流量平衡：

式中m為單位時間通過某截面氣體質(zhì)量流量。

4） 渦輪與壓氣機功率平衡（不考慮機械功損失）：

式中L為功率。

基于上述基本平衡方程，建立了發(fā)動機計算模型，發(fā)動機設(shè)計點（地面狀態(tài)100%轉(zhuǎn)速百分比）推力約10 kN，空氣流量為10 kg/s，壓氣機增壓比2.6，渦輪落壓比16。同時考慮到換熱裝置設(shè)計難度，給定碳氫燃料裂解氣總溫（渦輪前氣體總溫）為1 000 K。發(fā)動機部分組件參數(shù)取值如表1所示。

發(fā)動機燃料采用在火箭煤油基礎(chǔ)上創(chuàng)新配方的新型吸熱碳氫燃料，經(jīng)試驗研究，在1 000 K高溫穩(wěn)態(tài)條件下該碳氫燃料主要裂解氣相產(chǎn)物為甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯及丁烯等（忽略含量較少的碳4以上烯烴）。其中，烷烴類中，甲烷、乙烷、丙烷質(zhì)量比為1.1:1.55:1；烯烴類中，乙烯、丙烯、丁烯質(zhì)量比為2.1:1.7:1。

基于上述發(fā)動機參數(shù)，對典型飛行條件（0 km/0Ma，4 km/0.6Ma，8 km/1.5Ma，12 km/2Ma）碳氫ATR發(fā)動機性能進行了計算。計算過程中，假設(shè)碳氫燃料裂解完全，且組分比例不變[22]。圖2給出了烷/烯比（烷烴與烯烴的質(zhì)量比） 為1時，不同工況下發(fā)動機推力、比沖參數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化結(jié)果。圖2中橫坐標為發(fā)動機轉(zhuǎn)速百分比。圖2顯示，在同一飛行條件下，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升，推力逐漸上升，比沖基本呈減小趨勢。其中，地面條件、70%轉(zhuǎn)速百分比時，發(fā)動機比沖較地面條件其他轉(zhuǎn)速相對較高，其值約為6 374m/s；12 km/2 Ma條件、60%轉(zhuǎn)速百分比時，比沖約為13 000m/s。

2 烷/烯比影響

研究表明，通過在碳氫燃料中加入添加劑，可提高乙烯、丙烯等低碳烯烴的選擇性[23]。對于吸熱型碳氫燃料，其裂解產(chǎn)物中烷/烯比越低，吸熱能力越強[24]。圖4和圖5分別給出了基于上述發(fā)動機組件參數(shù)的碳氫ATR發(fā)動機，在地面條件下燃料流量 、推力、比沖等隨烷/烯比（0.5，1，2，3，4）及轉(zhuǎn)速（60%，70%，80%，90%，100%）等的變化結(jié)果。

圖3顯示，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升，發(fā)動機消耗的碳氫燃料質(zhì)量流量逐漸升高。發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高，意味著渦輪輸入功需要提高，在碳氫燃料裂解氣物性不變的條件下，其質(zhì)量流量必然增加。另外，隨著裂解氣中烷/烯比提高，同一轉(zhuǎn)速下發(fā)動機所需的碳氫燃料質(zhì)量流量逐漸減小。在發(fā)動機推力基本不變的情況下，燃料流量減小，則比沖增大（見圖4），即在同一轉(zhuǎn)速下，碳氫燃料裂解氣中烷/烯比越高，發(fā)動機比沖越大。其中，烷/烯比4、轉(zhuǎn)速百分比70%條件下，發(fā)動機比沖最高達到約7 644 m/s。

圖5給出了1 000 K溫度條件下碳氫燃料裂解 氣 比 熱 容 Cp隨 烷/烯 比 變 化 的 結(jié) 果（SUPERTRAPP[25]計算）。圖5中顯示，隨著烷/烯比逐漸升高，裂解氣比熱容逐漸升高。由于渦輪等熵膨脹功CT=mf·Cp·ΔT[26]，在相同的膨脹功條件下，渦輪前裂解氣的Cp越高，需要供應(yīng)的碳氫燃料流量mf越小，發(fā)動機比沖越高。

3 結(jié)論

提出了一種基于碳氫燃料裂解工作的ATR發(fā)動機方案，并對特定裂解氣成分的碳氫ATR發(fā)動機性能進行計算，研究了烷/烯比對發(fā)動機性能的影響規(guī)律，獲得結(jié)論如下：

1） 在同一飛行條件下，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升，推力逐漸上升，比沖基本呈減小趨勢；

2）在同一轉(zhuǎn)速下，碳氫燃料裂解氣中烷/烯比越高，發(fā)動機比沖越大；

3）隨著烷/烯比逐漸升高，裂解氣比熱容逐漸升高。

基于碳氫燃料裂解氣驅(qū)動渦輪工作的ATR發(fā)動機方案原理可行，但發(fā)動機比沖等性能仍有提升空間。后續(xù)應(yīng)在改善碳氫燃料熱/催化裂解技術(shù)，提高碳氫燃料裂解氣烷/烯比，增大裂解氣做功能力等方面開展進一步工作，以進一步提高發(fā)動機性能。

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（編輯：馬 杰）

Performance analysis of ATR engine working with cracking gas of hydrocarbon fuel

ZHANG Liuhuan1,LIU Yan2,ZHANG Mengzheng1
（1.Xi’an Aerospace Propulsion Institute,Xi’an 710100,China; 2.China Academy of Launch Vehicle Technology,Beijing 100076,China）

A new scheme about ATR(air turbo rocket)engine driven by cracking gas of hydrocarbon fuel is presented in this paper.The performance of ATR engine working w ith specific cracking gas components is calculated.The influence law of alkane/alkene ratio from cracking gason engine performancewasobtained.The results show that the thrust increasesand the specific impulse has a degressive trend basically as the rotating speed of the engine increases under the same flight condition,and the higher the alkane/alkene ratio of cracking gas rises,the higher the specific impulse becomesatthe same rotating speed.The specific impulseof theengine can reach about7644m/swhile alkane/alkene ratio is 4 and its rotating speed is 70%.The specific heat capacity of cracking gas increasesgraduallyw ith the riseofalkane/alkene ratio.

hydrocarbon fuel;cracking;ATR engine;alkane/alkene ratio;engine performance

V439-34

A

1672-9374(2017)03-0001-05

2016-10-21；

2017-02-01

航天支撐技術(shù)項目（617010406）

張留歡（1986—），男，工程師，研究領(lǐng)域為組合推進系統(tǒng)氣動熱力技術(shù)