氧/甲烷安全排空裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用

杜永清，劉 飛，巨 樂，吳 亮

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

液氧/甲烷發(fā)動機(jī)是一種新型火箭發(fā)動機(jī)，憑借不易結(jié)焦積碳、冷卻性能好、成本低、無毒環(huán)保等優(yōu)勢，成為可重復(fù)使用運(yùn)載器較為理想的動力選擇之一[1-3]。液氧/煤油新型號發(fā)動機(jī)也進(jìn)入試驗(yàn)考核階段。在發(fā)動機(jī)研制過程中，各個零部組件、整機(jī)需要在地面試驗(yàn)臺上進(jìn)行大量的考核試驗(yàn)。

地面試驗(yàn)臺工作過程中，管路預(yù)冷排放、容器排放、試后介質(zhì)排放等各個排放口會排出液氧/液甲烷或其氣態(tài)。甲烷是一種燃料，常壓下沸點(diǎn)為-161 ℃，氣態(tài)甲烷的爆炸體積百分?jǐn)?shù)為5%～15%，窒息濃度范圍為25%～30%，自動點(diǎn)火溫度為540 ℃，易燃易爆性強(qiáng)[4]。甲烷分子量為16 g/mol，常溫氣態(tài)甲烷密度是空氣的0.57倍，但液氧/甲烷試驗(yàn)臺排放的為低溫甲烷，溫度低于-110 ℃時(shí)密度便比空氣大，若不采取合適的排放方式，則容易在地面沉降集聚形成“重氣云”，遇火源將產(chǎn)生嚴(yán)重的重氣云火災(zāi)[5]。氧是一種強(qiáng)氧化劑，能強(qiáng)烈地助燃，常溫氧氣比空氣重，容易在地面集聚或吸附到衣物上，極易發(fā)生火災(zāi)。同時(shí)，液氧/液甲烷還會發(fā)生低溫凍傷、低溫麻醉、窒息等人員安全事故。為此，必須設(shè)計(jì)一種安全排空裝置，組織氧/甲烷等易燃易爆介質(zhì)的安全排放。

當(dāng)前，關(guān)于易燃易爆介質(zhì)排放的文獻(xiàn)資料較少，文獻(xiàn)[6-7]對低溫甲烷排放的重氣云團(tuán)濃度范圍進(jìn)行了數(shù)值仿真；文獻(xiàn)[8-9]對低溫氫氣的安全排放進(jìn)行了相關(guān)研究。雖然都介紹了排放結(jié)構(gòu)，但是對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程未作詳盡描述，且排放結(jié)構(gòu)大都為各個排放管路接入豎直安裝的大直徑排放管，而后進(jìn)行高空排放。這種排放方式底部沒有收集容器，低溫介質(zhì)直接從排放管排出，結(jié)構(gòu)不太合理。

本文設(shè)計(jì)了一種帶收集箱和氮?dú)鈸交旃δ艿呐趴昭b置，允許密度較大的低溫甲烷或氧氣先沉落在收集箱中，而后與環(huán)境自然換熱后慢慢升溫上升，與氮?dú)鈸交旌髲呐趴胀才懦觥＿@種結(jié)構(gòu)能避免大量低溫介質(zhì)直接排出，提高排放安全性。

1 功能原理及結(jié)構(gòu)組成

本文設(shè)計(jì)的安全排空裝置，結(jié)構(gòu)如圖 1所示，具有低溫甲烷或氧氣收集功能和排放過程摻混氮?dú)夤δ堋?/p>

圖1 排空裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of the emission device

工作原理是將試驗(yàn)臺各個排放接口的低溫甲烷或氧氣先收集匯入排空筒，密度較大的甲烷或氧氣先落入底部的收集箱，密度較小的甲烷摻混氮?dú)夂髲呐趴胀才懦?。大直徑的排空筒降低了排放流速。收集箱?nèi)的低溫甲烷或氧氣與環(huán)境換熱升溫，自然蒸發(fā)密度變小后，再從排空筒排出。

排空裝置主要包含以下幾部分：

圖3 收集箱功能設(shè)計(jì)流程Fig.3 Collection box function design process

1)收集箱：用于收集排放的介質(zhì)。

2)排空筒：插入到收集箱，底端承重于收集箱底板，插入的部分是花管結(jié)構(gòu)。收集箱與排空筒的這種連接形式相比較傳統(tǒng)的形式(將排空筒連接于收集箱頂部)，有以下好處：收集箱箱體結(jié)構(gòu)不承重排空筒，降低了對其強(qiáng)度、剛度的設(shè)計(jì)要求；十幾米高的排空筒承重固定于收集箱底部，并與地面連接，提高了裝置整體穩(wěn)定性。

3)排空筒上焊接排放接口、氮?dú)鈸交旖涌诤头烙昝薄?/p>

4)型鋼支座：將收集箱與地面混凝土基礎(chǔ)連接固定，同時(shí)避免混凝土基礎(chǔ)直接接觸低溫介質(zhì)而被凍裂。

2 排空裝置設(shè)計(jì)

以下介紹排空裝置幾個關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)過程。

2.1 收集箱設(shè)計(jì)

2.1.1設(shè)計(jì)流程

圖2給出收集箱的設(shè)計(jì)流程，根據(jù)功能要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后計(jì)算尺寸、強(qiáng)度和剛度校核，最后結(jié)構(gòu)定型，設(shè)計(jì)完成。

2.1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

收集箱應(yīng)具有收納排放介質(zhì)容量、自重輕剛度好、日常清理維護(hù)方便、外形美觀、密封性好，與排空筒對接等功能。

圖2 收集箱設(shè)計(jì)流程Fig.2 Collection box design process

依據(jù)收集箱功能要求進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，流程如圖3所示，橫向是結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)，縱向是功能實(shí)現(xiàn)過程設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

收集箱外表為不銹鋼鋼板，內(nèi)部焊接角鋼骨架，既減輕了重量，又增加了結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性。上板留有人孔結(jié)構(gòu)，便于日常清理維護(hù)，人孔蓋板與箱體之間用低溫橡膠密封條密封，螺栓緊固；上板中心留有帶肋板的圓孔，用于排空筒穿越并與其焊接；側(cè)板下部留有排污口；底板中心帶肋板，與排空筒底端焊接固定。收集箱下部焊接一圈帶螺栓孔的角鋼，用于與型鋼支座連接固定。

2.1.3 尺寸計(jì)算

1)原材料：5 mm厚的304不銹鋼板、寬度60 mm的304不銹鋼熱軋等邊角鋼。

2)外形尺寸：按液甲烷流量1 kg/s、排放總時(shí)長10 min計(jì)算，總排放體積為1.4 m3，并考慮到現(xiàn)場安裝空間，確定收集箱外形尺寸為1.5 m×0.8 m×1.2 m(長寬高)。

圖5 排空筒功能設(shè)計(jì)流程Fig.5 Discharge tube function design process

3)人孔尺寸：尺寸為0.5 m×0.8 m，一般人可自由進(jìn)出。

4)上板圓孔：因排空筒尺寸為219 mm×7 mm，圓孔尺寸定為221 mm。

5)排污口：在側(cè)板底端開孔30 mm，焊接DN32 37°標(biāo)準(zhǔn)接頭。

6)箱體底端固定螺栓：采用四邊共14個M20螺栓與型鋼支座連接。

2.1.4 強(qiáng)度校核

5.7 kPa×2.04/0.029=0.4 MPa

(1)

考慮到焊縫強(qiáng)度，設(shè)箱體鋼板許用拉應(yīng)力為不銹鋼板的80%，取110 MPa。收集箱鋼板拉應(yīng)力0.4 MPa遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力值，安全系數(shù)較高。

2.1.5 剛度考核

用滿水試驗(yàn)考核收集箱剛度。滿水保持30 min，箱體無滲漏無變形，剛度符合要求。

2.2 排空筒設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)流程

排空筒設(shè)計(jì)流程如圖4所示。根據(jù)功能要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尺寸計(jì)算，基于尺寸和常年平均氣候條件進(jìn)行風(fēng)力計(jì)算，利用風(fēng)力求解排空筒固定點(diǎn)的約束力，再進(jìn)行應(yīng)力校核。若應(yīng)力校核不通過，則修改尺寸。最后結(jié)構(gòu)定型，設(shè)計(jì)結(jié)束。

2.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

排空筒應(yīng)具有與試驗(yàn)臺各排氣口對接、與氮?dú)鈸交炜趯?、降低排氣流速、排氣點(diǎn)符合安全要求、剛度穩(wěn)定性好、與收集箱有效連通、防雷防雨雪等功能。

依據(jù)排空筒功能要求進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，流程如圖5所示，設(shè)計(jì)的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

排空筒中部焊接有與試驗(yàn)臺各排氣口和氮?dú)鈸交炜趯拥慕涌?，為減少排氣沖擊力，接口在周向?qū)ΨQ布置；下部插入收集箱的部分是花管結(jié)構(gòu)，與收集箱上下板焊接固定；頂端焊接有防雨帽。排空筒所在位置和高度處于現(xiàn)場防雷區(qū)域內(nèi)。

2.2.3 尺寸計(jì)算

1)排空筒直徑：以排氣速度低于馬赫數(shù)0.2為原則，考慮高空穩(wěn)定性以及標(biāo)準(zhǔn)化系列，選用不銹鋼管Φ219×7 mm制作。

2)花管尺寸：在排空筒壁面上打孔50 mm，圓周方向均布4個，軸向共10排，相鄰兩排間距100 mm，并錯位布置。收集孔總流通面積為785 cm2，遠(yuǎn)大于排空筒直徑流通面積343 cm2，能有效連通收集箱與排空筒，順利排氣。

3)防雨帽尺寸：120°傘形結(jié)構(gòu)，帽沿直徑為排空筒直徑2倍左右，鋼板卷制，內(nèi)有鋼筋骨架，與排空筒頂端焊接，帽沿與排空筒頂端間距300 mm左右。

4)排放接口：DN32，氮?dú)鈸交炜?個，排氣口多個，個數(shù)和高度由試驗(yàn)臺建設(shè)要求確定。

5)排空筒高度：高出附近屋頂2 m以上，符合安全排放要求[10-11]，與屋頂避雷網(wǎng)連接，總長度為12.5 m(不含花管部分)。

2.2.4 風(fēng)力計(jì)算

排空筒風(fēng)力計(jì)算公式[12]

q=K1K2q0fD

(2)

式中：q為管道單位長度所受水平風(fēng)力，N/m；K1為空氣動力系數(shù)，查表取值0.63；K2為風(fēng)振系數(shù)；q0為基本風(fēng)壓值，N/m2，查表取值350；f為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，查表取值1.14；D為管道外徑，為0.219 m。詳細(xì)計(jì)算流程如圖6所示。

2.2.5 彎曲應(yīng)力校核

排空筒所受彎曲應(yīng)力校核流程為：物理模型建立→約束力求解→應(yīng)力圖繪制(剪力和彎矩)→應(yīng)力校核(剪力和彎矩)。

2.2.5.1 物理模型建立

以排空筒為研究對象，建立受力模型，如圖 7所示。為分析方便，將排空筒水平布置，與收集箱連接的O點(diǎn)為固定端，承受支反力FO，支反力偶矩MO，忽略自重力；支架位置A和B簡化為活動鉸支座，分別承受支反力FA和FB。

圖7 排空筒受力模型Fig.7 Discharge tube stress model

2.2.5.2 約束力求解

顯然，其屬于二度超靜定問題。選擇FA和FB為多余支反力，變形協(xié)調(diào)條件為：懸臂梁分別承受q，F(xiàn)A，F(xiàn)B時(shí)在A和B處的合成撓度[13]為0，即

(3)

(4)

式中：ωA為A處的合成撓度，m；ωB為B處的合成撓度，m；I為排空筒截面慣性矩，m4；l為排空筒總長度，m。

聯(lián)立式(3)和式(4)解得

FA=0.94qa,FB=1.05qa

由平衡方程

ΣF=FA+FB+FO-2.5qa=0

(5)

ΣM(O)=MO+FA·a+FB·2a-2.5qa·1.25a=0

(6)

解得

FO=0.51qa，MO=0.085qa2

2.2.5.3 應(yīng)力圖繪制

利用截面法求解剪力與彎矩。

據(jù)此繪制剪力圖和彎矩圖，如圖8和圖9所示。

圖8 剪力圖Fig.8 Shear force diagram

圖9 彎矩圖Fig.9 Bending moment diagram

2.2.5.4 應(yīng)力校核

由彎矩圖知，排空筒在B截面承受最大彎矩0.125qa2，故最大彎曲正應(yīng)力σmax為(截面外徑處)[13]

(7)

(8)

式中：[σ]為許用拉應(yīng)力，304不銹鋼為137 MPa；Wz為排空筒截面的抗彎截面系數(shù)；內(nèi)徑d=205 mm，外徑D=219 mm；a=5 m。可見，彎曲正應(yīng)力安全系數(shù)較高。

由圖8可知，排空筒在B截面承受最大剪力0.55qa，故最大切應(yīng)力(截面內(nèi)徑處)[13]

(9)

(10)

(11)

式中：[τ]為許用切應(yīng)力，304不銹鋼為41 MPa；Sz,max為一半截面對中性軸的靜矩；Iz為截面對中性軸的慣性矩?？梢?，彎曲切應(yīng)力安全系數(shù)也較高。

2.2.6 底端花管強(qiáng)度校核

排空筒由于自重，在底端花管結(jié)構(gòu)承受軸向力最大，截面積最小，故對該薄弱結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析。排空筒及與其連接的附件總重量約為0.8 t，計(jì)算得底端花管位置承受最大壓應(yīng)力為2.6 MPa，遠(yuǎn)低于材料抗壓強(qiáng)度，安全系數(shù)較高。

2.3 固定支架設(shè)計(jì)

2.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證排空筒樹立穩(wěn)定性，在圖 7所示A,B處用支架固定排空筒，支架采取環(huán)抱排空筒、膨脹螺栓連接于墻面的結(jié)構(gòu)形式，用型鋼制作。結(jié)構(gòu)示意圖如圖 10所示。

圖10 支架示意圖Fig.10 Stent schematic diagram

2.3.2 螺栓連接強(qiáng)度校核

支架與墻面的連接螺栓是薄弱環(huán)節(jié)，故對連接螺栓進(jìn)行強(qiáng)度校核。

2.3.1節(jié)所求約束力中，F(xiàn)B大于FA，故校核B處連接強(qiáng)度。當(dāng)風(fēng)力與墻面平行時(shí)，支架所受彎矩最大，為FB×0.6 m=350.4 N·m，螺栓最大工作拉力[8]F=350.4×0.24/(0.242×4)=365 N。因風(fēng)載為動載，取螺栓殘余預(yù)緊力F″=F[14]，則應(yīng)力幅[15]

(12)

式中：λ為相對剛度系數(shù)，考慮到使用的是膨脹螺栓，取值0.6；dc為螺栓M10的計(jì)算直徑，取值8.16 mm。

許用應(yīng)力幅[15]

(13)

式中：ε為尺寸系數(shù)，取1；km為螺紋制造工藝系數(shù)，取1；ku為螺紋受力不均系數(shù)，取1；kσ螺紋應(yīng)力集中系數(shù)，取3.9；Sa為安全系數(shù)，取5；σ-1為疲勞極限，取190 MPa。

σa<[σa]，螺栓強(qiáng)度滿足要求。

3 排放壓力和速度仿真計(jì)算

由于實(shí)際過程是復(fù)雜多變的，將模擬計(jì)算進(jìn)行適當(dāng)簡化，假定低溫液體進(jìn)入收集箱全部汽化為氣態(tài)并接近常溫狀態(tài)(最苛刻條件)，排空筒出口為壓力邊界條件101 325 Pa。排放接口處為流量邊界條件：液甲烷流量為1 kg/s，液氧流量為2 kg/s。

基于FlUENT14.0軟件，采用ICEM軟件進(jìn)行了三維建模，網(wǎng)格劃分量約6萬，對收集箱和排空筒連接處、壁面附近等復(fù)雜流動區(qū)域進(jìn)行加密處理。計(jì)算采用有限體積法、基于密度的隱式求解法、絕熱無滑移和固體邊界條件、RNGk-ε湍流模型。文獻(xiàn)[16-17]對上述計(jì)算方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，可以比較準(zhǔn)確地模擬復(fù)雜流動。

排空裝置分別排放液甲烷和液氧時(shí)，收集箱壓力、排放接口壓力、排空筒出口速度仿真計(jì)算結(jié)果分別如圖11～圖16所示。

圖11 收集箱壓力分布(排放液甲烷)Fig.11 Box pressure distribution(discharging methane)

圖12 排放接口處壓力分布(排放液甲烷)Fig.12 Discharge outlet pressure distribution(discharging methane)

圖13 排空筒出口速度分布(排放液甲烷)Fig.13 Discharge tube exit velocity distribution(discharging methane)

圖14 收集箱壓力分布(排放液氧)Fig.14 Box pressure distribution(discharging oxygen)

圖15 排放接口處壓力分布(排放液氧)Fig.15 Discharge outlet pressure distribution(discharging oxygen)

圖16 排空筒出口速度分布(排放液氧)Fig.16 Discharge tube exit velocity distribution(discharging oxygen)

排空裝置排放液甲烷和液氧時(shí)，收集箱內(nèi)部壓力分別為0.103 MPa(絕壓)、0.107 MPa(絕壓)，收集箱強(qiáng)度滿足要求；在排氣接口處最大沖擊載荷分別為0.41 MPa，0.72 MPa，低于排空筒最大承壓7 MPa，強(qiáng)度也滿足要求；排空筒出口氣流平均速度分別為40 m/s，45 m/s，參照氫氣相關(guān)規(guī)范，排放流速符合規(guī)范要求[9-11]。

4 排空裝置工程應(yīng)用

依據(jù)本文設(shè)計(jì)方法，加工了兩個排空裝置，如圖17所示，分別用于排放甲烷和氧。

該排空裝置已廣泛應(yīng)用于多種類型試驗(yàn)中，如某型液氧/甲烷發(fā)生器熱試、某型液氧/煤油推力室熱試、氣氧/煤油點(diǎn)火試驗(yàn)、液氧/煤油超臨界燃燒室熱試(圖18)、低溫運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)等，工作安全可靠，試驗(yàn)均獲得成功。通過現(xiàn)場濃度監(jiān)測，在地面操作人員活動范圍內(nèi)，氧氣/甲烷濃度均在正常范圍內(nèi)。

圖17 排空裝置實(shí)物圖Fig.17 Photo of emission device

圖18 液氧/煤油超臨界燃燒室熱試Fig.18 Hot test of liquid oxygen/kerosene supercritical combustion chamber

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種新型排空裝置，能有效組織較大流量低溫氧/甲烷等易燃易爆介質(zhì)的安全排放，已應(yīng)用于多個相關(guān)試驗(yàn)中，排空裝置工作安全、可靠，試驗(yàn)均獲得成功。

2)針對排空裝置收集箱、排空筒、固定支架等關(guān)鍵部件，給出了設(shè)計(jì)流程和詳細(xì)設(shè)計(jì)過程。

3)數(shù)值仿真了排空裝置的工作過程，收集箱內(nèi)最大壓力為0.107 MPa，排空筒上排放接口處最大沖擊載荷為0.72 MPa、排放平均流速為45 m/s，均符合強(qiáng)度要求和安全排放要求。