不同粘合劑改性硼基粉末燃料點火燃燒特性

鄧 哲，楊建剛，胡春波，張力鋒，李 超，魏曉琳

(1.西安近代化學(xué)研究所，西安 710065；2.西北工業(yè)大學(xué) 燃燒、熱結(jié)構(gòu)和內(nèi)流場重點實驗室，西安 710072；3.陸裝駐西安地區(qū)第七軍代室，西安 710065；4.西安交通大學(xué) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，西安 710049；5.山西北方興安化學(xué)工業(yè)有限公司，太原 030038)

0 引言

粉末燃料沖壓發(fā)動機是以高能金屬或硼等粉末為燃料，以沖壓空氣為氧化劑和工質(zhì)的一類新型沖壓發(fā)動機[1]。粉末燃料在流化氣作用下，以氣固兩相形式流動，因此具有較強的流率調(diào)控性，使粉末燃料沖壓發(fā)動機具備多次啟動和推力調(diào)節(jié)功能。

在眾多粉末燃料中，硼由于自身較高的能量特性以及兩相流損失小等優(yōu)異性能，被認(rèn)為是具有很大應(yīng)用潛力的粉末燃料[2]。目前，粉末沖壓發(fā)動機的研制中已經(jīng)突破了氣壓驅(qū)動式供粉技術(shù)、發(fā)動機多次點火技術(shù)、發(fā)動機時序控制技術(shù)，并實現(xiàn)了推力調(diào)節(jié)功能[3]。但還存在燃燒效率不高、燃燒組織方案有待優(yōu)化等問題[3-4]。分析原因，主要是由于硼點火燃燒過程中存在點火性能較差和燃燒效率較低兩大難題。雖然通過采用小粒徑的無定型硼粉有利于點火延遲時間的縮短和燃燒效率的提高，但對粉末燃料沖壓發(fā)動機來說，使用小粒徑的硼粉會降低顆粒堆積密度[5-6]，不利于發(fā)動機能量性能的提升。因此，不同于傳統(tǒng)的硼顆粒改性[7-20]，硼基粉末燃料改性需要同時兼顧粉末燃料的儲存輸運性能和點火燃燒性能。

1 實驗

1.1 原料及樣品制備

首先，使用GAP對硼粉進(jìn)行包覆團聚處理。研究中，使用的硼粉是遼濱化工生產(chǎn)的純度為96%的無定型硼粉。由于粘合劑含量越多，硼顆粒包覆團聚效果越好，獲得的顆粒形狀越規(guī)則，對提升硼顆粒的堆積密度與流化輸送性能越有利。但粘合劑含量太高會帶來比沖降低的問題，因而粘合劑的用量必須有一定的范圍限制。為此，本文分別使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%、10%、18%和30%的GAP對硼粉進(jìn)行預(yù)處理。作為對比，采用HTPB對硼粉進(jìn)行包覆團聚，具體工況參數(shù)如表1所示。采用較為常用的重結(jié)晶法對硼基粉末燃料進(jìn)行包覆處理，并采用擠出滾圓法對包覆后的顆粒進(jìn)行團聚。具體步驟如下：利用選定的有機溶劑及添加劑按一定配比配制溶液溶解粘合劑；按一定配比稱量硼粉；將硼粉加入到配置好的溶液中攪拌使其分散均勻；放入帶有加熱器的攪拌器中持續(xù)攪拌；待溶液蒸發(fā)至一定程度，得到的膏體狀的粉末燃料，利用擠出滾圓法對其進(jìn)行團聚造粒；對得到的粉末燃料顆粒進(jìn)行固化干燥處理，然后用不同目數(shù)的篩分網(wǎng)進(jìn)行篩分，分選出不同粒徑范圍的團聚處理后的粉末燃料顆粒。采用GAP預(yù)處理的各樣本宏觀形貌與微觀形貌分別如圖1所示。

表1 不同硼基粉末燃料樣本配方

由圖1可知，1#包覆團聚硼粉的宏觀形貌與微觀形貌和純硼粉類似，說明5%含量的GAP并不能將硼粉完全包覆，導(dǎo)致1#樣品的粒徑很小，形狀十分不規(guī)則，粘聚現(xiàn)象明顯。2#樣品和3#樣品的宏觀形貌和微觀形貌類似，顆粒形狀也不規(guī)則，顆粒之間具有一定的粘聚性。4#樣品的顆粒粒徑較大，流化性能好，形狀較規(guī)則。

HTPB包覆團聚硼粉的宏觀形貌與微觀形貌分別如圖2所示(5#樣本)。點火燃燒實驗研究中，考慮到1#樣本粘合劑含量太低，導(dǎo)致硼顆粒并不能完全包覆，因此只針對2#～5#樣本開展研究。研究中，為保證激光點火實驗結(jié)果的可靠性，每個樣品均進(jìn)行多次重復(fù)實驗，在進(jìn)行點火延遲時間和燃燒時間的定量分析時，也選擇重復(fù)性較好的實驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析。

(a)Sample 1# (b)Sample 2#

(c)Sample 3# (d)Sample 4#

圖2 采用HTPB預(yù)處理的樣本宏觀形貌與微觀形貌

1.2 燃燒性能測試

1.2.1 實驗裝置

基于光纖光譜儀測量技術(shù)，對硼基粉末燃料的點火燃燒性能進(jìn)行實驗研究。實驗裝置如圖3所示，由密閉燃燒器、點火模塊、采集模塊、觸發(fā)模塊、氣壓控制模塊等部分組成。燃燒器開設(shè)兩扇石英玻璃窗，同時進(jìn)行光譜和高速攝影圖像采集。實驗時，統(tǒng)一稱取20 mg試樣均勻攪拌，置于圓柱形Al2O3坩堝中。

點火模塊采用功率為150 W的CO2激光點火器加熱顆粒樣品，激光光斑的能量經(jīng)過鍺玻璃凸鏡聚焦后調(diào)節(jié)為480～510 W/cm2。采集模塊使用型號Avaspec-2048的AVANTES光纖光譜儀，采集樣本燃燒過程中的可見光光譜，光譜儀最小采集時間間隔為1.05 ms，并使用M340高速攝像機拍攝燃燒現(xiàn)象。實驗中，通過觸發(fā)模塊實現(xiàn)激光點火器、光譜儀和高速攝像機同時觸發(fā)。研究中，實驗壓強均保持0.1 MPa。

圖3 CO2激光點火-光纖光譜診斷實驗裝置示意圖

1.2.2 數(shù)據(jù)分析方法

事實上，由于硼基粉末燃料中添加了粘結(jié)劑，而粘結(jié)劑屬于易燃組分，在相同條件下，其點火性能要優(yōu)于硼。因此，在進(jìn)行點火實驗時，這類物質(zhì)會先于硼粉被點燃，其燃燒產(chǎn)生的火焰會對硼的氣相火焰產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致使用高速相機的分析方法難以準(zhǔn)確判斷硼的真正點火時刻。因此，將通過光譜儀采集光譜信號來判斷硼的點火延遲時間。高速攝影則用于記錄硼基粉末燃料的點火燃燒過程和火焰形貌等。硼顆粒作為硼基粉末燃料的主要組成物質(zhì)，硼基粉末燃料的點火燃燒性能主要由硼來決定。硼在點火和燃燒過程中均會生成氣相產(chǎn)物BO2，由于該物質(zhì)的發(fā)射光譜非常強，且發(fā)光顏色為綠色，因此可采用光譜儀監(jiān)測該物質(zhì)的光譜信號出現(xiàn)時間來判斷點火延遲時間與燃燒時間。由于BO2是氣相產(chǎn)物，所以其發(fā)射光譜是不連續(xù)的，表2給出了BO2光譜信號的特征波長[21]。

一是頂層設(shè)計，尋求整合的體制支持。在體制機制的層面，著力解決以下問題：讓制度有保障。目前體制和機制下，文化禮堂、成校歸口不同部門，平時雖有聯(lián)系，有互動，但停留在“接觸性”而非“整合性”的層面，組織化程度不高。雖然，成校校長、教師和村居文化禮堂的管理部門彼此之間也在進(jìn)行互動和聯(lián)系，但這種接觸性的努力，更多的還是依靠個人人脈、人情。這種非制度性的模式，往往是不可靠和不可持續(xù)的，要發(fā)揮政府“自上而下”的頂層設(shè)計與制度保障，以實現(xiàn)資源的整合與統(tǒng)籌管理。

表2 BO2光譜信號的特征波長

研究中，點火延遲時間的定義為激光器啟動時刻到光譜儀接收到BO2光譜信號的時間。當(dāng)光譜儀不再接收到BO2光譜信號，或者高速相機不再記錄到明顯火焰，則認(rèn)為硼顆粒燃燒過程結(jié)束，這一區(qū)間認(rèn)為是燃燒時間。這里的燃燒時間與文獻(xiàn)[12]中單顆粒硼燃燒時間的物理意義存在一定差異，此處硼顆粒的燃燒是顆粒群的燃燒，而且通常實驗工況中顆粒群處于貧氧條件。因此，文中定義的燃燒時間本質(zhì)上描述的是硼顆粒自維持燃燒的時間。

2 實驗結(jié)果分析

通過對比2#GAP團聚硼粉與5#HTPB團聚硼粉的點火燃燒試驗結(jié)果，來研究粘結(jié)劑類型對硼基粉末燃料點火燃燒性能的影響。實驗所用兩種硼基粉末燃料樣本的粒徑范圍均在80～90 μm范圍內(nèi)。以下選取兩組樣本的典型實驗結(jié)果進(jìn)行分析，圖4給出了兩組典型工況的硼基粉末燃料點火燃燒過程光譜圖。

實驗結(jié)果表明，激光點火觸發(fā)后110.5 ms，GAP團聚硼粉的光譜曲線即出現(xiàn)明顯的五指峰狀BO2光譜信號，直到251.1 ms，光譜強度達(dá)到最大，如圖4(a)所示。相比之下，HTPB團聚硼粉直至t=1230.1 ms時刻才出現(xiàn)BO2特征光譜信號，到1680.3 ms時，光譜強度達(dá)到最大，如圖4(b)所示。這說明相比于HTPB，GAP對硼的點火提升作用非常明顯。這是由于GAP的分解產(chǎn)物包含大量的H2(約32%)[22]，繼而會生成大量H2O蒸汽，而H2O蒸汽對硼的點火有明顯的促進(jìn)作用。與此同時，GAP分解過程產(chǎn)生的疊氮化物會具有正的生成焓和獨立燃燒的特點，從而有助于硼粉溫度的快速提升，加速了硼的點火燃燒過程。

(a)10% GAP (b)10% HTPB

圖5和圖6分別給出了GAP與HTPB團聚硼粉的點火燃燒過程高速攝影拍攝結(jié)果。其中，(a)為樣本發(fā)出明顯光亮?xí)r刻的圖像，認(rèn)為此時樣本點火成功；(b)為樣本燃燒過程錄像截圖。

從圖5和圖6的對比中也能明顯看出，GAP團聚硼粉的火焰較大，燃燒強度很高，火焰中能夠明顯觀察到BO2的綠色火焰分布在火焰外層，而HTPB團聚硼粉中硼的燃燒強度較為微弱，綠色火焰信號不明顯。

圖7給出了不同粘結(jié)劑類型下硼基粉末燃料平均點火延遲時間的統(tǒng)計結(jié)果，其中10% GAP團聚硼顆粒的平均點火延遲時間為100.7 ms，遠(yuǎn)低于10% HTPB團聚的硼粉樣本?？梢姡啾扔贖TPB預(yù)處理，GAP對硼的點火過程提升非常明顯。

(a)Ignition moment (b)Combustion process

(a)Ignition moment (b)Combustion process

圖7 不同粘結(jié)劑類型下硼基粉末燃料點火延遲時間

通過2#、3#、4#GAP含量10%、18%和30%的團聚硼粉樣本，來研究粘結(jié)劑含量對硼基粉末燃料點火燃燒性能的影響。研究中，所用硼基粉末燃料的粒徑范圍依然在80～90 μm范圍內(nèi)。以下對各組樣本的典型實驗結(jié)果進(jìn)行分析，圖8為18%和30% GAP含量硼基粉末燃料的點火時刻與燃燒時刻光譜。從圖8中可看出，兩個樣品的點火延遲時間分別為80.9 ms與47.2 ms。結(jié)合10% GAP含量的粉末燃料樣本實驗結(jié)果可知，硼基粉末燃料的點火時間隨著GAP含量的增加而減小。這是因為GAP含量越多，在激光加熱條件下的分解放熱也越多，樣本內(nèi)硼顆粒的升溫速率更快，硼表面的氧化膜蒸發(fā)速率也越快。因此，硼的點火延遲時間越短。從圖4(a)、圖8中光譜信號的強度對比還可看出，隨著GAP含量的增加，硼基粉末燃料燃燒過程的強度也越大。

圖9和圖10分別為18% GAP、30% GAP含量團聚硼點火成功時刻和燃燒時刻的圖像。

(a)18% GAP pretreatment boron powder (b)30% GAP pretreatment boron powder

(a)Ignition moment (b)Combustion process

(a)Ignition moment (b)Combustion process

結(jié)合圖5中10%GAP含量團聚硼的點火成功時刻和燃燒時刻圖像，由圖9和圖10可看出，三者所表現(xiàn)出來的點火燃燒現(xiàn)象基本一致，即都表現(xiàn)出較大的火焰和很高的燃燒強度，并且火焰中能夠明顯觀察到BO2的綠色火焰，而30% GAP含量團聚硼的火焰分布區(qū)域則更大，這主要是由于點火成功后GAP熱解產(chǎn)生的大量燃?xì)鈺?dǎo)致硼顆粒分布在更大的空間范圍內(nèi)。與10%和18% GAP含量樣本堆積在坩堝內(nèi)完成燃燒過程不同，此時30% GAP含量樣本顆粒在空間的離散情況更好，分散在空間內(nèi)的硼顆粒與氧氣有著更好的接觸，因而能夠在更短的時間內(nèi)快速燃盡。

圖11為不同GAP粘結(jié)劑含量下硼基粉末燃料點火延遲時間和自持燃燒時間的統(tǒng)計結(jié)果?？梢?，隨著GAP含量由10%提升到30%，硼基粉末燃料的平均點火延遲時間由100.7 ms縮短至45.1 ms。

圖11 不同粘結(jié)劑含量下硼基粉末燃料點火延遲時間

3 結(jié)論

(1)提高GAP含量，可顯著降低顆粒之間的粘聚現(xiàn)象，改善顆粒形狀規(guī)則程度，其含量達(dá)到30%時，顆粒粒徑較大、形狀規(guī)則，流化性能好。未來還需深入開展硼基粉末燃料流化特性研究。

(2)相同含量下，GAP團聚硼顆粒的平均點火延遲時間明顯低于HTPB團聚硼粉樣本的點火延遲時間；提高GAP含量，有助于縮短硼基粉末燃料的平均點火延遲時間。

(3)樣本內(nèi)GAP含量達(dá)到30%時，GAP熱解產(chǎn)生的大量燃?xì)鈺倥痤w粒在空間的離散，使顆粒與氧氣有更好接觸，進(jìn)而促進(jìn)顆粒快速燃燒。但本文實驗條件為靜態(tài)點火燃燒，實際研究中，還需考慮燃燒室內(nèi)空氣與燃料燃燒組織方式的影響。