高溫燃氣引射系統(tǒng)對接試驗驗證

趙 芳, 任澤斌, 王海鋒,*, 李先鋒, 史 煜, 郭隆德

(1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 空氣動力學(xué)國家重點實驗室, 四川 綿陽 621000; 2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計及測試技術(shù)研究所, 四川 綿陽 621000)

0 引 言

在化學(xué)激光器運行時，光腔區(qū)壓力很低(幾百Pa)。為保證激光器連續(xù)出光運行，必須配備引射系統(tǒng)將化學(xué)反應(yīng)后的廢氣連續(xù)抽排至大氣中，以維持光腔內(nèi)的低壓條件[1-4]。在化學(xué)激光器系統(tǒng)中，主要有3種方式實現(xiàn)尾氣排放：真空罐系統(tǒng)、真空低溫吸附系統(tǒng)和引射系統(tǒng)。其中，真空罐系統(tǒng)體積龐大而笨重，應(yīng)用受限，尤其不適用于機動型化學(xué)激光器系統(tǒng)；真空低溫吸附系統(tǒng)使用的吸附材料價格昂貴，經(jīng)濟性差；而引射系統(tǒng)具有體積小、啟動迅速(時間為秒量級)、反應(yīng)靈活、持續(xù)工作時間長等特點，可滿足高能化學(xué)激光器長時間工作的尾氣排放需求[5]。

根據(jù)引射工質(zhì)的不同，引射系統(tǒng)又分為空氣引射器、蒸汽引射器和高溫燃氣引射器。與高溫燃氣引射器相比，空氣引射器、蒸汽引射器引射效率太低，要達到與高溫燃氣引射器相同的引射能力，系統(tǒng)體積將相當龐大。因此，高溫燃氣引射系統(tǒng)憑借其體積小、效率高及運行成本低等特點而優(yōu)先應(yīng)用于化學(xué)激光器系統(tǒng)[5-6]。

高溫燃氣引射系統(tǒng)的核心部分包括引射器和燃氣發(fā)生器。在高溫燃氣引射研究方面，國防科技大學(xué)徐萬武等[7-10]開展了燃氣引射系統(tǒng)設(shè)計與試驗工作，進行了燃氣發(fā)生器與引射器的對接試驗，采用的是“基于液體火箭發(fā)動機燃燒室結(jié)構(gòu)的燃氣發(fā)生器+環(huán)形引射器”組合燃氣引射系統(tǒng)方案；中國空氣動力研究與發(fā)展中心陳志強等[11]開展了基于液體火箭發(fā)動機燃燒室結(jié)構(gòu)的過氧化氫加酒精補燃燃氣發(fā)生器試驗研究，驗證了酒精在過氧化氫催化分解氣體中實現(xiàn)自燃方案的可行性；中國船舶集團有限公司第七一八研究所劉盛田等[12-13]提出了一種基于液體火箭發(fā)動機燃燒室結(jié)構(gòu)的一氧化二氮/乙醇雙組元推進劑組合燃氣發(fā)生器方案，開展了多種工況下的熱試車驗證。

依據(jù)公開文獻報道，現(xiàn)有的高溫燃氣引射系統(tǒng)采用的燃氣發(fā)生器主要基于液體火箭發(fā)動機燃燒室結(jié)構(gòu)(下文簡稱“基于液發(fā)結(jié)構(gòu)”)設(shè)計，鮮有采用基于航空發(fā)動機燃燒室結(jié)構(gòu)(下文簡稱“基于航發(fā)結(jié)構(gòu)”)設(shè)計的燃氣發(fā)生器。本文提出一種“基于航發(fā)結(jié)構(gòu)的燃氣發(fā)生器+兩級超聲速引射器”組合的燃氣引射系統(tǒng)方案，其新穎之處在于將基于航發(fā)結(jié)構(gòu)的燃氣發(fā)生器產(chǎn)生的高溫燃氣作為引射系統(tǒng)的引射工質(zhì)，使引射系統(tǒng)具備經(jīng)濟、體積小及引射效率高等優(yōu)勢。

具體言之，在基于航發(fā)結(jié)構(gòu)的燃氣發(fā)生器中，采用氣膜冷卻結(jié)構(gòu)替代了基于液發(fā)結(jié)構(gòu)的燃氣發(fā)生器常用的夾層水冷結(jié)構(gòu)[14]，大大簡化了配套輔助系統(tǒng)；采用空氣/酒精組合推進劑，安全、環(huán)保、儲運方便、價格低廉且易獲取，提升了系統(tǒng)操作運行的安全性與經(jīng)濟性。采用的兩級超聲速引射器基于多噴嘴結(jié)構(gòu)方案，大大增加了引射氣流和被引射氣流的接觸面積，縮短了兩股氣流摻混所需要的混合室長度，提高了引射效率[6]；此外，引射器采用兩級串聯(lián)方案，彌補了單級引射器增壓能力的不足。

為適應(yīng)某排氣引射系統(tǒng)高效、經(jīng)濟及小型化等需求，本文建立了相應(yīng)的試驗平臺，開展了燃氣發(fā)生器多工況熱試車，進而開展了燃氣發(fā)生器與引射器的對接試驗，驗證了對接方案的可行性。

1 試驗裝置

燃氣引射系統(tǒng)主要由燃氣發(fā)生器、引射器、聲速噴嘴、排氣裝置及輔助系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 燃氣引射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 燃氣發(fā)生器

燃氣發(fā)生器基于航空發(fā)動機單噴嘴燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(設(shè)計參數(shù)見表1)，主要包括擴壓器、機匣、兩級旋流器、高能火花塞、雙離心式噴嘴及火焰筒等，如圖2所示。

表1 燃氣發(fā)生器設(shè)計參數(shù)

圖2 燃氣發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2中的箭頭所示，燃氣發(fā)生器的工作流程為：壓縮空氣通過擴壓器降速擴壓，經(jīng)帶旋流器的帽罩分為兩路，一路通過旋流器及帽罩頭部的冷卻孔進入主燃區(qū)，氣流在軸向上受旋流器的約束產(chǎn)生切向速度，在主燃區(qū)形成兩個對稱的回流區(qū)；經(jīng)雙離心式噴嘴霧化的酒精液霧(分為主副兩路)與湍流空氣在主燃區(qū)快速混合，被高能火花塞點燃生成高溫燃氣；另一路則進入機匣與火焰筒之間的通道，再經(jīng)火焰筒壁面上的主燃孔、摻混孔及冷卻孔等進入火焰筒。其中，經(jīng)主燃孔進入火焰筒的空氣射流一部分被卷入主燃區(qū)參與燃燒，一部分流入火焰筒下游；經(jīng)摻混孔進入火焰筒的空氣射流與高溫燃氣強制摻混，用以調(diào)節(jié)燃燒室出口溫度分布；經(jīng)冷卻孔進入火焰筒的空氣射流在火焰筒內(nèi)壁形成均勻的氣膜保護層，用以冷卻火焰筒內(nèi)壁面，防止壁面燒蝕[15]。

1.2 引射器

引射器基于兩級等壓多噴嘴(單級12個)結(jié)構(gòu)設(shè)計(設(shè)計參數(shù)見表2)，主體結(jié)構(gòu)包括模擬進氣段、噴嘴段(集氣室)、收縮段、平直段及擴張段等，如圖3所示。

表2 引射器設(shè)計參數(shù)

圖3 引射器結(jié)構(gòu)示意圖

該型引射器的工作原理為：高壓引射氣體(此方案中即為燃氣發(fā)生器出口部分燃氣)經(jīng)噴嘴加速后進入被引射氣體(通過模擬進氣段進入的氣體)通道，將該通道內(nèi)低壓氣體引射帶入至收縮段；兩種氣體在收縮段內(nèi)進行動量交換和充分混合后，經(jīng)平直段和擴散段減速增壓排入大氣；被引射氣流通道內(nèi)的氣體被大量帶走，壓力下降，于是不斷有被引射氣體補充進來，從而完成輸送和加壓功能[6,16]。

1.3 輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)主要包括空氣供應(yīng)系統(tǒng)、酒精供應(yīng)系統(tǒng)、各級管路及溫度與壓力傳感器等。燃氣發(fā)生器主要測量參數(shù)包括空氣噴前壓力、酒精流量與噴前壓力、燃燒室壓力以及發(fā)生器出口(排架)溫度；引射器主要測量參數(shù)包括一、二級集氣室壓力與溫度、沿程壓力(測點布局可參照圖3中的黑色圓點所示)。試驗中，各壓力及溫度傳感器、流量計均與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，壓力傳感器采用麥克傳感器公司的壓阻式壓力變送器，最大響應(yīng)頻率30 kHz，測量精度0.5% FS(Full Scale)；溫度傳感器測量精度±1 K；酒精流量計采用HOFFER渦輪流量計，精度為1% FS。各類傳感器在試驗前均通過檢定。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 燃氣發(fā)生器設(shè)計工況熱試車

如圖4所示，按照運行時序，燃氣發(fā)生器正常熱試車過程為：打開截止閥、預(yù)置調(diào)壓閥；隨后依次打開空氣快速閥、火花塞；調(diào)壓閥后壓力達標后，打開酒精擠推氣動閥和酒精主油路電磁閥；燃燒室壓力達標后，關(guān)閉火花塞，開啟酒精副油路電磁閥，進入燃燒工作時間。關(guān)車時，打開酒精吹除氣動閥，依次關(guān)閉酒精副、主油路電磁閥，隨后關(guān)閉空氣快速閥、調(diào)壓閥，最后關(guān)閉酒精擠推氣動閥和酒精吹除氣動閥。

圖4 燃氣發(fā)生器熱試車工作時序

燃氣發(fā)生器設(shè)計工況下的工作壓力曲線如圖5所示。從圖中可知，燃氣發(fā)生器工作過程主要包括3個部分：啟動過程、燃燒過程和關(guān)車過程。其中，啟動過程又分為3個階段，體現(xiàn)為壓力曲線上的3個臺階(在圖5(b)中以圓圈標出)，具體表現(xiàn)為：冷壓縮空氣進入燃燒室，形成第一個臺階；主油路酒精噴入燃燒室被點燃，產(chǎn)生壓力突躍，形成第二個臺階；為滿足溫升及流量需要，副油路酒精噴入燃燒室被點燃，形成第三個臺階，此時燃燒室壓力達到設(shè)計指標4.0(無量綱)。

從圖5(b)還可以看出，主油路酒精在噴入燃燒室的0.6 s內(nèi)被點燃。在忽略酒精霧化、蒸發(fā)等毫秒級過程的前提下，可認為酒精在噴入燃燒室的同時即被點燃，說明燃氣發(fā)生器點火迅速。

圖5 燃氣發(fā)生器設(shè)計工況工作壓力曲線

圖6為燃氣發(fā)生器工作過程中的空氣及酒精工作流量曲線?？梢钥闯觯喝細獍l(fā)生器工作流量達到設(shè)計要求，曲線平穩(wěn)，未出現(xiàn)大的波動，說明燃氣發(fā)生器燃燒穩(wěn)定；反之，燃燒的不穩(wěn)定性產(chǎn)生的氣流壓力脈動勢必反饋至上游氣流，導(dǎo)致空氣噴前壓力傳感器及酒精流量計測得的試驗曲線波動較大。

圖6 燃氣發(fā)生器設(shè)計工況工作流量曲線

如圖7所示，燃氣發(fā)生器出口平均溫度維持在1090 K左右，各測點之間的溫差控制在±50 K以內(nèi)，表明出口溫度均勻性較好，滿足設(shè)計指標。

圖7 燃氣發(fā)生器設(shè)計工況發(fā)生器出口溫度曲線

此外，為滿足引射器不同工況的需求，開展了不同余氣系數(shù)下燃氣發(fā)生器的熱試車，相關(guān)結(jié)果不一一列出。

2.2 燃氣發(fā)生器與引射器對接試驗

考慮到燃氣發(fā)生器出口總流量遠大于引射器所需引射流量，在發(fā)生器出口設(shè)計分流裝置，以滿足一、二級引射器設(shè)計引射流量。

圖8和9分別為燃氣引射系統(tǒng)對接試驗的壓力及溫度曲線?？梢钥闯觯阂弧⒍壱淦鞴ぷ鲏毫Ψ謩e維持在2.43和2.87(無量綱)左右，達到設(shè)計工作壓力；關(guān)車時，一、二級引射器集氣室溫度分別達到760和880 K，基本實現(xiàn)設(shè)計工作溫度。由于引射器集氣室容積較大且采用高溫合金制造，需要一定的時間達到熱平衡，加之溫度傳感器測量的滯后性，使得一、二級引射器工作溫度曲線出現(xiàn)明顯的“爬升”現(xiàn)象。

圖8 燃氣引射系統(tǒng)工作壓力曲線

圖9 燃氣引射系統(tǒng)工作溫度曲線

圖10為對應(yīng)的引射器入口總壓隨時間的變化曲線。從圖中可以看出：引射器啟動迅速(約1.7 s，與圖8中燃燒室及引射器集氣室建壓時間一致)，在啟動后的1.0 s內(nèi)將被引射氣流的總壓降低至約4.00 kPa，并最終穩(wěn)定于3.75 kPa左右，優(yōu)于設(shè)計指標4.00 kPa。

圖10 引射器入口總壓曲線

圖11為不同時刻下引射器壁面沿程靜壓分布的對比曲線?？梢钥闯觯寒攖=1 s時，引射器還未開始工作；t=2 s時，引射器處于啟動過程中；t=4 s時，引射器一、二級均完全啟動，并處于穩(wěn)定工作中。與前述各壓力曲線對應(yīng)，其中一級引射器收縮段內(nèi)的壓力基本保持不變，說明引射氣流與被引射氣流在收縮段中實現(xiàn)了等壓混合；在一級引射器的平直段內(nèi)，超聲速氣流通過一系列激波減速至亞聲速，使得壁面靜壓表現(xiàn)為逐漸升高(而非陡增)的趨勢；亞聲速氣流通過第二級引射器擴張段進一步減速增壓，直至排入大氣。圖中以紅色箭頭標識的兩個壓力突躍表明激波位置穩(wěn)定在一、二級引射器的平直段內(nèi)，確保了引射器的穩(wěn)定工作。

圖11 引射器沿程靜壓分布

通過調(diào)整燃氣發(fā)生器的余氣系數(shù)，開展了不同引射氣流溫度對引射器工作性能的影響研究，如圖12所示(T1、T2分別為一、二級集氣室的總溫)?？梢钥闯觯阂錃饬鳒囟仍谠O(shè)計工況的一定變化范圍內(nèi)(對應(yīng)一、二級分別為695～806 K、802～945 K)，引射器的工作性能基本保持不變，入口總壓相差不到13.3 Pa，表明引射氣體溫度在一定范圍內(nèi)不影響引射器的工作性能。此外，圖中工況1(T1=695 K，T2=802 K)與其他3個工況的曲線的差異在于引射器啟動較晚，這歸因于該工況下燃氣發(fā)生器點火延遲。

圖12 引射氣流溫度對引射器入口總壓的影響曲線

3 結(jié) 論

借助燃氣引射系統(tǒng)試驗平臺開展了基于航空發(fā)動機燃燒室結(jié)構(gòu)的空氣/酒精燃氣發(fā)生器與兩級超聲速多噴嘴結(jié)構(gòu)引射器的對接試驗，試驗結(jié)果表明：

(1)燃氣發(fā)生器結(jié)構(gòu)緊湊、點火迅速可靠、運行穩(wěn)定，其流量、溫度及壓力等各項性能參數(shù)滿足設(shè)計指標要求。

(2)提供的引射氣流可實現(xiàn)引射器的正常啟動及運行，引射器入口總壓低至3.75 kPa，優(yōu)于設(shè)計指標。

(3)引射器工作過程中，激波控制在平直段內(nèi)，保證了引射器的平穩(wěn)運行；在一定范圍內(nèi)，引射氣流的溫度變化基本不影響引射器的工作性能。

(4)試驗驗證了“基于航空發(fā)動機單噴嘴燃燒室結(jié)構(gòu)的燃氣發(fā)生器+兩級超聲速引射器”組合引射系統(tǒng)方案的可行性，為引射系統(tǒng)領(lǐng)域提供了新的技術(shù)路徑，同時為基于航空發(fā)動機燃燒室結(jié)構(gòu)的燃氣發(fā)生器提供了新的應(yīng)用平臺。