常規(guī)推進劑發(fā)動機高壓富氧燃?xì)馊紵幚矸椒ㄅc試驗

肖 虹，房喜榮，李 悅，李龍飛，孫海雨，王煥燃

(西安航天動力研究所, 陜西 西安 710100)

0 引言

富氧補燃循環(huán)液體火箭發(fā)動機燃?xì)獍l(fā)生器的混合比會遠(yuǎn)大于推進劑的當(dāng)量混合比[1-3]，發(fā)生器試驗時會產(chǎn)生大量的高壓富氧燃?xì)?，其主要成分是氧化劑及其分解組分。當(dāng)發(fā)動機選擇液氧/煤油或者液氧/甲烷等無毒推進劑時，發(fā)生器試驗過程中產(chǎn)生的富氧燃?xì)庖话悴捎米匀慌欧诺姆绞絒4-5]，排氣的成分中90以上是O2，其余是CO2和H2O。對于選用N2O4和肼類燃料作為推進劑的火箭發(fā)動機，發(fā)生器試驗過程中產(chǎn)生的富氧燃?xì)獾某煞执蟛糠质荖O2、NO等有毒的氮氧化合物，直接排放大氣會嚴(yán)重污染大氣環(huán)境[6-7]。因此，有必要對N2O4廢氣進行無毒化排放處理。

N2O4廢氣的處理方法主要有冷凝回收法、中和吸收法和高溫燃燒法[8-13]。冷凝回收法是通過降低廢氣溫度，使N2O4達(dá)到飽和冷凝析出，但是回收后的液體還需再次進行處理，只適用廢氣濃度高、溫度低、風(fēng)量小的情況。中和吸收法是利用尿素等中和劑與N2O4發(fā)生反應(yīng)，在處理高濃度、大流量的廢氣時，存在處理流程復(fù)雜、耗時長、設(shè)備龐大和使用場地受限的缺點。高溫燃燒法是向廢氣中噴射燃料進行補燃的方法，具有處理速度快、效率高、控制靈活等優(yōu)點，適合在發(fā)動機試驗過程中對排氣進行實時處理。

國內(nèi)尚無可以用于高壓大推力常規(guī)補燃火箭發(fā)動機試驗排氣的實時處理裝置。本文介紹了一種大流量常規(guī)推進劑富氧燃?xì)馊紵幚硌b置的設(shè)計和試驗驗證情況，處理裝置成功完成了某高壓大推力常規(guī)補燃發(fā)動機富氧發(fā)生器半系統(tǒng)聯(lián)試的考核，實現(xiàn)了發(fā)動機有毒燃?xì)獾陌踩h(huán)保排放。

1 廢氣濃度分析

四氧化二氮(N2O4)和偏二甲肼(C2H8N2)的化學(xué)當(dāng)量混合比是3.06，常規(guī)補燃發(fā)動機的富氧發(fā)生器的實際混合比遠(yuǎn)大于3.06，目的是生成溫度相對較低的燃?xì)猓虼耍l(fā)生器的燃燒產(chǎn)物中會有大量的氮氧化合物，排放會造成污染。

在常溫下，N2O4和NO2可以相互轉(zhuǎn)化;溫度超過140 ℃時，N2O4全部分解為NO2;溫度超過620 ℃時，NO2分解為NO和O2;溫度進一步提高，NO將完全分解成N2和O2[14]。

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圖1給出了某常規(guī)推進劑富氧發(fā)生器熱試的排氣照片。發(fā)生器的混合比接近20，其燃燒產(chǎn)物的主要成分是NO和O2，氮氧化合物的體積濃度超過了50。當(dāng)燃燒產(chǎn)物排入環(huán)境大氣時，NO氧化生成大量的NO2，所以排氣呈現(xiàn)黃棕色。

圖1 某富氧發(fā)生器的點火照片

2 燃燒處理裝置

2.1 總體方案

燃燒處理裝置的作用是在常規(guī)補燃發(fā)動機富氧發(fā)生器半系統(tǒng)聯(lián)合試驗時，對試驗過程排放的大量有毒富氧燃?xì)膺M行實時補燃，達(dá)到無毒排放的目的。燃燒處理裝置的總體結(jié)構(gòu)由降壓器和燃燒器兩部分組成，結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。處理裝置首先要解決的技術(shù)難題是降低高壓排氣的壓力，通常高壓補燃循環(huán)發(fā)動機發(fā)生器的燃燒壓力非常高，如RD-253發(fā)生器的室壓是24 MPa[15]，SSME發(fā)生器的室壓則高達(dá)33 MPa[16]，將發(fā)生器試驗的排氣壓力降低至合適的范圍，不僅可以大幅降低處理裝置的設(shè)計難度，也可以控制處理裝置的結(jié)構(gòu)尺寸，方便在空間有限的發(fā)動機試驗臺上進行布局和裝卸。其次，需要突破富氧燃?xì)飧咝аa燃的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)發(fā)動機試驗排氣的無毒化。

圖2 燃燒處理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 降壓器設(shè)計

降壓器的功能是大幅降低發(fā)生器試驗時的排氣壓力，采用兩級降壓實現(xiàn)排氣壓降比(排氣壓降與進口壓力之比)不小于0.85。其工作原理是:首先利用拉法爾噴管，使高壓排氣在噴管擴張段內(nèi)膨脹加速形成超聲速氣流，在一定背壓的條件下，噴管擴張段內(nèi)會產(chǎn)生激波，經(jīng)激波后氣流壓力首次降低，不同的噴管擴張比可以適應(yīng)不同的壓降比需求[17]；然后，在噴管出口設(shè)置多孔阻尼板，氣流在經(jīng)過突縮和突擴流動后，壓力進一步降低，改變阻尼板的開孔率可以控制壓降比；最后，在降壓器的出口設(shè)置整流裝置，對降壓后的氣流進行整流，降低紊流度，導(dǎo)直氣流方向，保證進入下游燃燒器的氣流參數(shù)均勻[18-19]。

降壓器流道壓力分布的仿真計算結(jié)果如圖3所示，壓力損失主要集中在噴管擴張段和多孔阻尼板處，計算條件下降壓器的壓降比超過0.88。

圖3 降壓器內(nèi)的壓力分布圖

2.3 燃燒器設(shè)計

經(jīng)降壓整流后的富氧燃?xì)膺M入燃燒器，與燃燒器內(nèi)噴注的燃料進行補燃生成高溫燃?xì)?，通過調(diào)整混合比和燃燒溫度，控制燃?xì)庵械趸衔锏娜コ省?/p>

選擇何種燃料是燃燒器設(shè)計的關(guān)鍵。文獻[11]選擇煤油作為燃燒處理N2O4的燃料，但是需要補充大量的空氣，一次空氣和一次煤油燃燒形成穩(wěn)定的火焰，在高溫下二次煤油與N2O4反應(yīng)，未完全反應(yīng)的煤油再與二次空氣反應(yīng)后排放，處理20 g/s的N2O4廢氣需要150 g/s的空氣量，當(dāng)需要實時處理的廢氣量達(dá)到每秒百千克時，發(fā)動機試驗現(xiàn)場難以提供如此巨大的空氣量?？紤]點火和燃燒特性，并結(jié)合試驗現(xiàn)場的條件，借鑒常規(guī)發(fā)動機推力室的燃燒技術(shù)，燃燒器的燃料選擇與發(fā)動機相同的偏二甲肼，與發(fā)動機不同的是，在燃料中摻入一定比例的水形成混水燃料，目的是調(diào)整燃燒器的總混合比，避免燃燒溫度過高，同時保證高的氮氧化合物去除率。為了驗證混水燃料的可行性，專題開展了混水燃料和富氧燃?xì)獾难a燃試驗，試驗的點火照片見圖4，結(jié)果表明，水與燃料的流量比在0～2.5的范圍變化時均能維持穩(wěn)定的燃燒，但是隨著摻水比例的不斷增大，燃燒效率會有所降低，因此，為了獲得較高的燃燒效率，需要選取合適的摻水比例。

圖4 混水燃料的點火試驗

為了實現(xiàn)每秒超百千克燃料的噴注以及噴注的均勻性，燃燒器采用分級燃燒的設(shè)計思路[20]，在燃?xì)饬鲃臃较蛏线x擇多個截面分別噴注混水燃料，結(jié)合了支桿噴射和壁面噴射多種燃料噴射方式，各噴射位置的燃料流量可以通過供應(yīng)系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，匹配發(fā)動機不同工況試驗時的補燃需求。混水偏二甲肼與富氧排氣混合可以自燃，因此燃燒器不需要設(shè)計點火器。

3 試驗系統(tǒng)

處理裝置不能單獨進行點火試驗，需要與發(fā)生器聯(lián)合進行試驗。處理裝置在試驗臺上豎直安裝，采用斜拉桿固定和限位，進口端與發(fā)生器的排氣出口端通過法蘭相連。

處理裝置的試驗系統(tǒng)原理見圖5所示，主要包括混水燃料系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和氮氣吹除系統(tǒng)。制備好的混水燃料加注到燃料貯箱，由高壓氣體進行擠壓供應(yīng)，采用流量計實時監(jiān)控燃料流量，通過設(shè)置節(jié)流孔板匹配各路的燃料流量。冷卻水采用自來水，利用高位水池保證冷卻水的入口壓力，冷卻水流經(jīng)處理裝置后不循環(huán)使用，直接排向外界大氣環(huán)境。

圖5 燃燒處理裝置的試驗系統(tǒng)原理圖

試驗過程包括起動前、起動、穩(wěn)定工作和關(guān)機4個階段。起動前，冷卻水主閥先打開，對處理裝置進行冷卻，打開氮氣吹除閥，對處理裝置內(nèi)通道進行吹掃；起動階段，發(fā)生器開始點火起動，當(dāng)發(fā)生器的燃燒室建立起一定壓力后，處理裝置的各路燃料主閥依次打開，處理裝置的燃燒室點火，室壓開始迅速抬升；穩(wěn)定工作階段，發(fā)生器達(dá)到額定工作狀態(tài)，排氣壓力維持在最高值，處理裝置的燃料供應(yīng)流量達(dá)到設(shè)計值，室壓達(dá)到額定值并保持穩(wěn)定；關(guān)機階段，切斷發(fā)生器的推進劑和處理裝置混水燃料的供應(yīng)，同時開啟氮氣進行吹掃。

4 試驗結(jié)果分析

在某高壓大推力常規(guī)補燃發(fā)動機富氧發(fā)生器半系統(tǒng)聯(lián)合試驗中，處理裝置成功完成了試驗排氣的實時燃燒處理，降壓和補燃效果達(dá)到設(shè)計要求，具備適應(yīng)發(fā)動機變工況的工作能力，多次試驗的數(shù)據(jù)的重復(fù)性較好。

4.1 降壓效果

圖6給出了試驗過程中降壓器進出口的排氣壓力曲線，圖中的縱坐標(biāo)是無量綱排氣壓力，即實際排氣壓力與設(shè)計狀態(tài)的排氣壓力之比。發(fā)動機試驗的排氣在流經(jīng)降壓器后，壓力顯著降低，在燃燒器點火前，出/進口壓比小于0.044。當(dāng)燃燒器點火后，降壓器出口壓力隨之升高，出/進口壓比也隨之增大到0.115，但仍遠(yuǎn)小于進口壓力，處理裝置的補燃過程不會對發(fā)動機的工作參數(shù)造成擾動。試驗過程中發(fā)動機進行了變工況調(diào)節(jié)，降壓器進口的排氣壓力隨發(fā)動機的工況提高而增大，出口壓力變化很小，降壓器的噴管擴張段內(nèi)的激波位置發(fā)生下移，氣流速度增大，引起降壓幅度增大，表明降壓器可以自適應(yīng)發(fā)動機變工況試驗的壓力調(diào)節(jié)。

圖6 降壓器進出口無量綱排氣壓力曲線

圖7給出了不同狀態(tài)點的排氣壓降比，圖中的橫坐標(biāo)是狀態(tài)點，不同狀態(tài)點對應(yīng)不同的進口排氣壓力，其中狀態(tài)1和狀態(tài)2為補燃前狀態(tài)，其余狀態(tài)點為補燃狀態(tài)。補燃前的壓降比可以達(dá)到95.5，補燃狀態(tài)的壓降比基本維持在88～89.2之間，與仿真結(jié)果的符合性較好，降壓器工作穩(wěn)定，試驗的重復(fù)性較好。

圖7 不同狀態(tài)下的壓降比

4.2 燃燒特性

圖8給出了燃燒器工作過程的燃燒室壓力曲線。從室壓曲線的起動段可以看出，沒有出現(xiàn)明顯的點火延遲，點火過程迅速平穩(wěn)，沒有壓力峰。在穩(wěn)態(tài)工作段，室壓曲線的波動非常小(采樣頻率1 kHz)，燃燒過程非常穩(wěn)定，室壓相對峰峰值小于1。在關(guān)機段，室壓快速下降,沒有出現(xiàn)關(guān)機沖擊。參考火箭發(fā)動機特征速度效率的評估方法，計算得到燃燒器的補燃效率在0.9左右。試驗結(jié)果表明，混水燃料的點火和燃燒穩(wěn)定性與常規(guī)推進劑的特性基本相同，因為在燃料中摻混大量的水，燃燒效率會有所降低。

圖8 燃燒室的壓力曲線

4.3 處理效果

處理裝置內(nèi)的NOx來自于未反應(yīng)完的氧化劑，當(dāng)混水燃料中的偏二甲肼(C2H8N2)與排氣中的四氧化二氮(N2O4)的混合比接近化學(xué)當(dāng)量混合比時，補燃生成的產(chǎn)物是無毒的CO2、N2和H2O。為了避免在富燃條件下燃燒產(chǎn)生新的氮氧化合物，將混合比設(shè)定為略大于當(dāng)量混合比。另外，通過調(diào)節(jié)燃料的混水比例，一方面降低補燃溫度，保證結(jié)構(gòu)可靠；另一方面控制溫度不低于1 200 ℃，保證NO完全分解為N2和O2。

圖9是試驗過程中處理裝置的錄像截圖，其中圖9(a)是處理裝置點火前的排放照片，發(fā)動機試驗排氣經(jīng)過處理裝置后排出，周邊環(huán)境中出現(xiàn)了大量的黃棕色氣體，處理裝置的周邊有噴水，對排氣進行稀釋；圖9(b)是處理裝置點火后的排放照片，噴口沒有再出現(xiàn)黃棕色氣體，而是明亮的燃燒火焰，發(fā)動機試驗產(chǎn)生的有毒富氧排氣經(jīng)過補燃，得到了有效的無毒化處理，滿足常規(guī)發(fā)動機試驗的排放要求。

5 結(jié)論

通過對大流量常規(guī)推進劑富氧燃?xì)馊紵幚硌b置的研制，國內(nèi)首次對某高壓大推力常規(guī)推進劑補燃發(fā)動機半系統(tǒng)試驗進行了無毒化實時處理，獲得了幾點結(jié)論。

1)采用先進行燃?xì)饬鹘祲?，再進行摻水補燃的處理方法，實現(xiàn)了常規(guī)發(fā)動機試驗的氮氧排放物無毒化實時處理的目的。

2)驗證了激波—阻尼板這種多級降壓整流方式在大規(guī)模高壓富氧燃?xì)饬鲃訄龊蠎?yīng)用的可行性，試驗壓降比值達(dá)到95.5。

3)采用大比例摻水、分級燃燒方法處理燃?xì)庵械趸铮梢酝瑫r實現(xiàn)燃燒溫度、混合比等關(guān)鍵參數(shù)的控制，在保證中和化學(xué)反應(yīng)的同時，避免了熱力型氮氧化物的二次生成，補燃效率達(dá)到0.9以上。