氣氧/煤油富燃燃?xì)獍l(fā)生器積碳特性試驗(yàn)研究

張 鋒，嚴(yán) 宇，楊偉東，楊尚榮

(1.西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安 710100；2.液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710100)

氣氧/煤油富燃燃?xì)獍l(fā)生器積碳特性試驗(yàn)研究

張 鋒1，2，嚴(yán) 宇1，2，楊偉東1，2，楊尚榮1，2

(1.西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安 710100；2.液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710100)

開(kāi)展了氣氧/煤油富燃燃?xì)獍l(fā)生器在混合比0.25～0.50、室壓1.0～4.0 MPa范圍內(nèi)的燃燒試驗(yàn)，獲得了混合比和室壓對(duì)發(fā)生器碳煙生成及沉積特性的影響規(guī)律。試驗(yàn)表明，在本研究范圍內(nèi)，富燃燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)的燃燒未達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)。當(dāng)混合比小于0.4時(shí)，積碳量隨混合比的增大略有增加，但均不明顯；當(dāng)混合比大于0.4時(shí)，積碳量顯著增加。在室壓1.0～4.0 MPa范圍內(nèi)，室壓對(duì)碳煙的生成具有重要影響，并存在一個(gè)介于1.0～2.0 MPa之間的臨界壓力，當(dāng)室壓低于此臨界壓力時(shí)，燃燒過(guò)程中無(wú)碳煙生成。

煤油；富燃燃?xì)獍l(fā)生器；碳煙；臨界壓力

0 引言

世界各國(guó)現(xiàn)有的液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)主要有補(bǔ)燃循環(huán)和燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)兩種發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)方案。俄羅斯的RD-120和RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)及中國(guó)的YF-100和YF-115發(fā)動(dòng)機(jī)等液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)均采用了補(bǔ)燃循環(huán)[1]，除了發(fā)動(dòng)機(jī)總體比沖性能較高之外，由于采用了富氧燃?xì)獍l(fā)生器，還避免了富燃燃?xì)獍l(fā)生器存在的積碳問(wèn)題。美國(guó)的F1，H1和Merlin系列發(fā)動(dòng)機(jī)和俄羅斯RD-108和RD-111發(fā)動(dòng)機(jī)等液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)則采用了燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)[2-3]，雖然該循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)比沖較低，但由于其系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單、工作更可靠、生產(chǎn)使用成本較低，仍具有一定的生存空間。對(duì)于燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，富燃燃?xì)獍l(fā)生器的積碳問(wèn)題是必須解決的技術(shù)難題，以避免過(guò)多的積碳影響渦輪的正常工作。

上世紀(jì)80、90年代，美國(guó)針對(duì)液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)富燃燃?xì)獍l(fā)生器的積碳問(wèn)題進(jìn)行了大量研究工作。Lawver[4-5]開(kāi)展了液氧/煤油富燃燃?xì)獍l(fā)生器混合比范圍0.238～0.367、室壓范圍8.9～17.5 MPa的積碳試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量安裝在發(fā)生器收斂段前的渦輪模擬件前、后壓差隨試驗(yàn)時(shí)間的變化以推算渦輪模擬件流通面積的變化，進(jìn)而得到模擬件通道壁面上積碳厚度隨時(shí)間的變化。然而，由于渦輪模擬葉片受熱膨脹同樣會(huì)造成渦輪模擬件流通面積的減小，因此，很難通過(guò)渦輪模擬件流通面積的減小準(zhǔn)確確定其壁面的積碳速率。如果將測(cè)量得到的流通面積的減小完全歸因于積碳的話，該試驗(yàn)得到的相同混合比條件下的積碳速率是太陽(yáng)神I發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器積碳速率的2～4倍。Merlyn等人[6]借鑒了Lawver的試驗(yàn)方法開(kāi)展了混合比范圍0.25～1.0、室壓范圍為5～10 MPa的液氧/煤油富燃積碳試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了混合比與室壓對(duì)積碳特性的影響。其試驗(yàn)結(jié)果表明，混合比0.34與0.25時(shí)的積碳速率基本相當(dāng)且均不太明顯，而混合比增大至0.57時(shí)，積碳速率明顯增大；此外，在相同混合比情況下，室壓對(duì)積碳速率的影響不明顯，且無(wú)明顯規(guī)律。隨后，美國(guó)Aerojet公司針對(duì)液氧/煤油、液氧/丙烷和液氧/甲烷富燃燃?xì)獍l(fā)生器的積碳問(wèn)題進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究[7]。其試驗(yàn)結(jié)果表明，在所研究條件范圍內(nèi)(混合比0.2～0.6、室壓5～11.5 MPa)，混合比是影響積碳速率的主要因素，壓力的影響很??；當(dāng)混合比小于0.4時(shí)，液氧/煤油與液氧/丙烷的積碳均不明顯；液氧/甲烷在混合比0.2～0.6范圍內(nèi)均不存在積碳問(wèn)題。上述試驗(yàn)結(jié)果[4-7]均表明，在混合比較低時(shí)，液氧/煤油富燃燃燒過(guò)程由液滴蒸發(fā)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)雙重因素控制，并未達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，受此影響，實(shí)際碳煙生成量與燃?xì)鉁囟群吞卣魉俣纫粯?，均明顯低于化學(xué)平衡模型的預(yù)測(cè)結(jié)果。

在碳煙生成機(jī)理及其仿真研究方面，直到上實(shí)際80年代初，對(duì)于碳煙的反應(yīng)生成路徑仍然是未知的。1984年，F(xiàn)renklach[8-11]通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和理論研究，提出了一套目前被廣泛采用的碳煙生成路徑及機(jī)理，該機(jī)理認(rèn)為，燃燒過(guò)程中碳煙的生成與前驅(qū)物PAH(多環(huán)芳香烴，如芘C16H10)的產(chǎn)率密切相關(guān)。前驅(qū)物PAH相互碰撞而發(fā)生二聚反應(yīng)，并形成初始的碳煙顆粒。乙烯對(duì)初始二聚物的生成起了決定性作用。在該機(jī)理中，碳煙的生成過(guò)程包含了四個(gè)過(guò)程：晶核形成、凝結(jié)、表面生長(zhǎng)和氧化。1992年，Nickerson和Johnson[2，12]在上述碳煙生成機(jī)理基礎(chǔ)上對(duì)TDK計(jì)算程序進(jìn)行了改進(jìn)，并對(duì)可能會(huì)生成碳煙的液氧/烴(煤油、甲烷、丙烷)富燃燃燒室進(jìn)行了性能計(jì)算。結(jié)果表明，改進(jìn)后的程序可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)上述三種推進(jìn)劑組合的富燃燃?xì)獍l(fā)生器的性能參數(shù)和混合比對(duì)燃?xì)庵刑紵熧|(zhì)量含量的影響規(guī)律，碳煙的生成過(guò)程主要取決于溫度和混合比，受壓力的影響較弱。2004年，韓國(guó)的Lee和Yu[13]采用文獻(xiàn)[14]給出的煤油燃燒詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理以及Frenklach提出的碳煙生成機(jī)理發(fā)展出了一套液氧/煤油富燃燃燒非平衡化學(xué)反應(yīng)計(jì)算模型，并對(duì)混合比0.3～0.4范圍內(nèi)碳煙生成情況進(jìn)行了仿真預(yù)測(cè)。其仿真結(jié)果表明，在該混合比范圍內(nèi)，燃?xì)庵刑紵煹捏w積分?jǐn)?shù)小至可以忽略，僅為10-9量級(jí)。該結(jié)果與文獻(xiàn)[2]的計(jì)算結(jié)果一致。

國(guó)內(nèi)有關(guān)液氧/煤油富燃燃燒的研究較少。本文作者開(kāi)展了氣氧/煤油富燃燃?xì)獍l(fā)生器燃燒試驗(yàn)，研究了氣氧/煤油富燃燃?xì)獍l(fā)生器的熱力特性[16]和積碳特性。本文將主要介紹積碳特性方面的研究結(jié)果。

1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)工況

1.1 試驗(yàn)裝置

氣氧/煤油富燃燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)為內(nèi)徑Φ40的熱沉結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)，主要由噴注器、圓柱段、擾流環(huán)、渦輪葉片模擬件、噴管段等部分組成。燃?xì)獍l(fā)生器采用火花塞進(jìn)行點(diǎn)火，火花塞位于噴注器的中心位置，在其周圍安裝有3個(gè)氣氧/煤油同軸直流離心噴嘴。在文獻(xiàn)[16]中已經(jīng)對(duì)噴嘴的主要結(jié)構(gòu)尺寸以及試驗(yàn)中壓力、流量、溫度等參數(shù)的測(cè)量方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，此處不再贅述。

渦輪葉片模擬件安裝在發(fā)生器圓柱段和噴管段之間。隨著試驗(yàn)時(shí)間的延續(xù)，流經(jīng)葉片間燃?xì)馔ǖ赖娜細(xì)庵械奶紵煂⒅饾u在葉片壁面上沉積，隨著碳煙沉積厚度的增大，燃?xì)饬魍娣e不斷減小，模擬件前、后的壓差將逐漸增大，由此可以反推出碳煙厚度隨時(shí)間的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[4-6]均基于此實(shí)現(xiàn)了對(duì)葉片壁面上積碳厚度的測(cè)量。但該方式對(duì)測(cè)量模擬件前、后壓差的壓力傳感器的測(cè)量精度要求很高。本文采用了稱重法，即測(cè)量渦輪模擬件試驗(yàn)前后重量求其差值的方式以獲得各試驗(yàn)工況的渦輪葉片模擬件中的積碳質(zhì)量。

1.2 試驗(yàn)工況

表1 混合比影響試驗(yàn)工況表Tab.1 Operating conditions of Test I

表2 室壓影響試驗(yàn)工況表Tab.2 Operating conditions of Test II

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混合比對(duì)碳煙生成及沉積特性的影響

圖2給出了混合比影響試驗(yàn)(Test I)各工況尾氣排放照片。從圖中可以看出，在室壓3.0 MPa、混合比0.25～0.50范圍內(nèi)，隨著混合比的增大，尾氣的顏色由淺灰色逐漸變?yōu)樯罨疑?，并最后變?yōu)闈夂谏f(shuō)明在此混合比范圍內(nèi)尾氣中均有一定程度的碳煙存在，而且尾氣中的碳煙含量隨著混合比的增大而逐漸增大；這一趨勢(shì)在混合比超過(guò)0.4之后，變化更加明顯。該變化趨勢(shì)與各工況渦輪葉片模擬件的積碳量變化趨勢(shì)也是相互吻合的，如圖3和圖4所示。由圖4可以看出，當(dāng)混合比小于0.4時(shí)，積碳量隨混合比的增大略有增加，但總體相對(duì)較少；當(dāng)混合比大于0.4時(shí)，積碳量顯著增加。這一變化趨勢(shì)與文獻(xiàn)[6]和[7]的試驗(yàn)結(jié)果是一致的，這與基于化學(xué)平衡理論預(yù)測(cè)的變化趨勢(shì)恰恰相反，如圖4所示。這說(shuō)明，在本實(shí)驗(yàn)研究的混合比工況條件下，氧氣與煤油的燃燒反應(yīng)未達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)。

2.2 室壓對(duì)碳煙生成及沉積特性的影響

圖5給出了室壓影響試驗(yàn)(Test II)各工況尾氣排放照片。從圖中可以看出，在混合比0.4的情況下，室壓為2.0 MPa，3.0 MPa和4.0 MPa時(shí)，均呈現(xiàn)出了不同程度的灰色，而且隨著室壓的增大，尾氣顏色逐漸加深，說(shuō)明尾氣中的碳煙含量隨室壓的增大而逐漸增大。然而，室壓為1.0 MPa時(shí)，尾氣則與上述3個(gè)室壓時(shí)的尾氣顯著不同，呈現(xiàn)的完全是“白色蒸氣”狀，絲毫看不出有碳煙的存在。上述4個(gè)工況渦輪葉片模擬件試驗(yàn)前后的重量變化如圖所示，可見(jiàn)積碳量的隨室壓的變化趨勢(shì)與尾氣的變化趨勢(shì)是一致的。由此可以認(rèn)為，在混合比0.4、室壓1.0～4.0 MPa的范圍內(nèi)，室壓對(duì)碳煙的生成有重要影響，存在一個(gè)介于1.0～2.0 MPa之間的臨界壓力，當(dāng)室壓低于此臨界壓力時(shí)，燃燒過(guò)程中無(wú)碳煙生成，而當(dāng)室壓高于此臨界壓力時(shí)，燃?xì)庵械奶紵熀侩S著室壓的增大而增大。由于本文只開(kāi)展了混合比為0.4條件下的室壓對(duì)碳煙生成及沉積特性的影響試驗(yàn)，因此，其它混合比條件下，是否仍存在上述臨界壓力以及臨界壓力值隨混合比如何變化等問(wèn)題需要后續(xù)開(kāi)展進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

室壓對(duì)積碳特性的上述影響規(guī)律與文獻(xiàn)[6]和[7]的“室壓對(duì)積碳速率的影響不明顯”的研究結(jié)論不一致，但兩者并不矛盾。這是因?yàn)橛捎诒疚呐c后者試驗(yàn)的室壓范圍不同導(dǎo)致的。由圖6可以看出，雖然積碳速率隨著室壓的增大而不斷增大，但增大幅度隨著室壓的增大而逐漸減小，可以預(yù)期，隨著室壓的繼續(xù)增大，其對(duì)積碳速率的影響將變得不再明顯，這將與文獻(xiàn)[6]和[7]的結(jié)論是一致的。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)以氣氧/煤油富燃燃?xì)獍l(fā)生器的積碳試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1)室壓為3 MPa的情況下，當(dāng)混合比小于0.4時(shí)，積碳量隨混合比的增大略有增加，但總體而言相對(duì)較少；當(dāng)混合比大于0.4時(shí)，積碳量顯著增加。

2)在本試驗(yàn)研究范圍內(nèi)，氧氣與煤油的燃燒反應(yīng)未達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，碳煙含量隨混合比的變化趨勢(shì)與化學(xué)平衡理論預(yù)測(cè)結(jié)果相反。

3)混合比為0.4的情況下、在室壓1.0～4.0 MPa的范圍內(nèi)，室壓對(duì)碳煙的生成有重要影響，并且存在一個(gè)介于1.0～2.0 MPa之間的臨界壓力，當(dāng)室壓低于此臨界壓力時(shí)，燃燒過(guò)程中無(wú)碳煙生成；而當(dāng)室壓高于此臨界壓力時(shí)，燃?xì)庵械奶紵熀侩S著室壓的增大而增大，但增大幅度隨著室壓的增大而逐漸減小。

4)后續(xù)將進(jìn)一步開(kāi)展更大混合比范圍內(nèi)及更高室壓條件下的碳煙生成及沉積特性的試驗(yàn)研究。

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Experimental investigation on soot deposition in a fuel-rich GOX/kerosene gas generator

ZHANG Feng1，2，YAN Yu1，2，YANG Weidong1，2，YANG Shangrong1，2

(1. Xi’an Aerospace Propulsion Institute，Xi’an 710100，China； 2. Science and Technology on Liquid Rocket Engine Laboratory，Xi’an 710100，China)

A series of combustion experiments were carried out using a fuel-rich GOX/kerosene gas generator，at mixture ratios from 0.25 to 0.50 and chamber pressures from 1.0 to 4.0 MPa. The effects of mixture ratio and chamber pressure on soot formation and deposition characteristics were obtained. The results showed that the state of chemical equilibrium was not attained in the combustion process. When mixture ratio is smaller than 0.4，soot deposition is not significant and increases with the increase of mixture ratio slightly；when mixture ratio is larger than 0.4，soot deposition increases remarkably. At chamber pressure from 1.0 to 4.0 MPa，soot formation is found to be strongly dependent on chamber pressure. There is a critical pressure for soot formation which is between 1.0～2.0 MPa. If chamber pressure is smaller than the critical pressure，there is no soot formation in the combustion.

kerosene；fuel-rich gas generator；soot；critical pressure

2017-04-25；

2017-07-21

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(61427040101)

張鋒(1981—)，男，碩士，高級(jí)工程師，研究領(lǐng)域?yàn)閲婌F燃燒技術(shù)

V434+.22-34

A

1672-9374(2017)06-0076-06

(編輯：陳紅霞)