高混合比20kg/s級液氧酒精蒸汽發(fā)生器試驗研究

戴芳立 劉奎芹 趙宏 張海棟

摘 要：為解決現(xiàn)有液氧酒精蒸汽發(fā)生器混合比低、燃燒效率低、系統(tǒng)流阻大、運行成本高等問題，設(shè)計研制了高混合比20kg/s液氧酒精蒸汽發(fā)生器并進行了試驗驗證。試驗結(jié)果表明，雙點火器燃燒室側(cè)面點火技術(shù)可靠有效，液氧、酒精貯箱壓力分別降低10%、14%，混合比達到了2.0，熱效率提升至2.03，液膜冷卻效果良好。

關(guān)鍵詞：高混合比；液氧酒精蒸汽發(fā)生器；試驗

中圖分類號：V439.7 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）19-0005-03

Abstract： In order to solve the problems of low mixing ratio， low combustion efficiency， large flow resistance and high operating cost of the existing liquid oxygen alcohol steam generator， a high mixing ratio 20kg/s liquid oxygen alcohol steam generator has been designed and developed and tested and verified. The test results show that the side ignition technology of double igniter combustor is reliable and effective， the pressure of liquid oxygen and alcohol tank is reduced by 10% and 14%， the mixing ratio reaches 2.0， the thermal efficiency is increased to 2.03， and the cooling effect of liquid film is good.

Keywords： high mixing ratio； liquid oxygen alcohol steam generator； test

1 概述

液氧酒精蒸汽發(fā)生器是基于液體火箭發(fā)動機技術(shù)的一種蒸汽發(fā)生裝置。基本原理為：將液體火箭發(fā)動機推力室或燃氣發(fā)生器內(nèi)燃燒產(chǎn)生的高壓高溫蒸汽導(dǎo)入混合室內(nèi)，并與混合室內(nèi)噴射的冷卻水相混合，冷卻水受熱蒸發(fā)為飽和/過熱蒸汽，作為姿軌控發(fā)動機高空模擬試驗臺蒸汽引射系統(tǒng)的蒸汽源。

目前，液氧酒精蒸汽發(fā)生器在國內(nèi)外試驗臺有著大量的應(yīng)用。德國宇航中心蘭博豪森試驗基地完成了從4.5kg/s到50kg/s蒸汽發(fā)生器的研制工作[1]。美國斯坦尼斯實驗中心A-3試驗臺完成了總數(shù)量27臺、蒸汽總流量2000kg/s液氧酒精蒸汽發(fā)生器的設(shè)計與應(yīng)用[2]。國防科技大學(xué)通過理論分析、試驗驗證和模擬等方法驗證了液氧酒精蒸汽發(fā)生器點火特性與燃燒關(guān)鍵技術(shù)，并成功研制了多臺液氧酒精蒸汽發(fā)生器。北京航天試驗技術(shù)研究所設(shè)計研制了50kg/s液氧酒精蒸汽發(fā)生器，并成功應(yīng)用于20000N發(fā)動機高空模擬試驗臺和上面級發(fā)動機高空模擬試驗臺[3]。

但是，國內(nèi)設(shè)計研制的液氧酒精蒸汽發(fā)生器普遍存在混合比低、熱效率低、系統(tǒng)流阻大、運行成本高等問題。為解決上述問題，設(shè)計研制了一套20kg/s液氧酒精蒸汽發(fā)生器，將混合比由1.0提高至2.0，同時采用冷卻水液膜冷卻進行噴注器和燃燒室冷卻。

2 20kg/s液氧酒精蒸汽發(fā)生器設(shè)計

2.1 主要設(shè)計指標

20kg/s液氧酒精蒸汽發(fā)生器主要設(shè)計指標為：

（1）推進劑為液氧、酒精。

（2）液氧流量：4kg/s，酒精流量：2kg/s，混合比：2.0。

（3）液膜冷卻水流量/推進劑流量：0.2～0.5。

2.2 設(shè)計方案

本文主要針對噴注器、點火器和燃燒室等液氧酒精蒸汽發(fā)生器關(guān)鍵部位設(shè)計展開論述。

2.2.1 噴注器結(jié)構(gòu)設(shè)計

噴注器噴注單元為雙組元離心式噴嘴[4]。在離心式噴嘴中，液體經(jīng)切向通道進入旋流室，液氧通過內(nèi)噴嘴，酒精通過外噴嘴，噴嘴總數(shù)量為9個，單個噴嘴內(nèi)噴嘴內(nèi)徑為6mm，壁厚為2mm，外噴嘴內(nèi)徑為11.8mm，壁厚為3mm，噴注器結(jié)構(gòu)分上下兩層，上層為液氧集液腔，下層為噴注盤，采用法蘭連接。

2.2.2 點火器結(jié)構(gòu)設(shè)計

為提高點火可靠性，采用雙點火器結(jié)構(gòu)，2個點火器對稱布置在燃燒室側(cè)面，點火器工作介質(zhì)為氫氣/氧氣，氫氣流量為21g/s，入口壓力為2.8MPa，氧氣流量為19g/s，入口壓力為2.55MPa，點火器室壓為1.15MPa，點火裝置為電火花塞。

2.2.3 燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計

燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計[5]主要針對液膜冷卻方式進行。傳統(tǒng)的液膜冷卻方式利用燃料對燃燒室壁面進行冷卻，大大增加了燃燒室內(nèi)酒精含量，導(dǎo)致燃燒室內(nèi)富燃燃燒，造成資源浪費。20kg/s液氧酒精蒸汽發(fā)生器燃燒室冷卻采用冷卻水液膜冷卻方式，在噴注器和燃燒室連接法蘭的圓周均勻開90×Ф1mm的冷卻水噴注孔，點火時可在燃燒室壁面形成30cm長的液膜，為保護燃燒室下游結(jié)構(gòu)不被高溫燃氣破壞，在燃燒室20cm處壁面開45個45°斜向下的Ф1.5mm冷卻水噴注孔。

3 仿真計算分析

對20kg/s液氧酒精蒸汽發(fā)生器燃燒產(chǎn)物進行熱力學(xué)計算分析[6]，計算邊界條件為：余氧系數(shù)0.9，液膜冷卻水流量1.5kg/s，液氧流量4kg/s，酒精流量2kg/s，燃燒極限比0.2，壁面為絕熱壁面，初始溫度285K。燃燒產(chǎn)物組分與混合比約為1.0的50kg/s液氧酒精蒸汽發(fā)生器對比結(jié)果見表1。

通過表1可知，燃燒產(chǎn)物中可凝性氣體組分由45.2%增加至86.0%，大大降低了利用蒸汽引射系統(tǒng)抽吸發(fā)動機燃氣的試驗臺的抽氣總負荷，減少了建設(shè)規(guī)模，降低了能源消耗和運行成本；易燃易爆氣體CO和H2由38.8%降至3.8%，降低了液氧酒精蒸汽發(fā)生器在運行維護過程中發(fā)生爆燃等安全事故的風(fēng)險。

4 試驗驗證

試驗驗證包括液流試驗和熱試車兩部分，主要考核20kg/s液氧酒精蒸汽發(fā)生器高混合比可靠性和液膜冷卻效果。

4.1 液流試驗結(jié)果分析

液流試驗主要包括單個噴嘴液流試驗，噴注器液流試驗。

4.1.1 噴嘴液流試驗

液流試驗對待用的9個雙組元離心式噴嘴逐一進行，選取6號噴嘴為標準噴嘴，計算各噴嘴流量偏差，試驗數(shù)據(jù)見表2。

4.1.2 噴注器液流試驗

噴注器液氧酒精系統(tǒng)液流試驗數(shù)據(jù)見表3。

計算得液氧流量為4kg/s時噴注器液氧系統(tǒng)壓降為0.45MPa，酒精流量為2kg/s時噴注器液氧系統(tǒng)壓降為0.63MPa。上述流量下液氧、酒精管路流阻分別為0.15MPa、0.17MPa，液氧酒精蒸汽發(fā)生器額定燃燒室壓力為1.55MPa，計算得到額定工況液氧、酒精貯箱壓力分別為2.15MPa、2.3MPa。

4.2 熱試車試驗結(jié)果分析

本次熱試車分兩次進行，第一次為低工況運行，液氧貯箱壓力1.8MPa，酒精貯箱壓力2.3MPa，點火時間10s，主要考察液氧酒精蒸汽發(fā)生器啟動穩(wěn)定性及可靠性；第二次為額定工況運行，液氧貯箱壓力2.1MPa，酒精貯箱壓力2.3MPa，點火時間50s，主要考核高混合比下液氧酒精蒸汽發(fā)生器換熱效率和液膜冷卻效果。

4.2.1 低工況點火數(shù)據(jù)分析

20kg/s高混合比液氧酒精蒸汽發(fā)生器點火器采用雙點火器在燃燒室側(cè)面點火方式。將點火器室壓Pgc由2.07MPa降低至1.04MPa。

4.2.2 額定工況點火數(shù)據(jù)分析

點火器技術(shù)參數(shù)見圖1，額定工況下點火器技術(shù)參數(shù)與第一次點火時一致，點火器穩(wěn)定性良好。

點火過程中液氧酒精蒸汽發(fā)生器液氧、酒精噴前壓分別為2.08MPa、1.78MPa，流量分別為5.1L/s（6.12kg/s）、3.83L/s（3.064kg/s），混合比為2.0，冷卻水噴前壓為0.95MPa，對應(yīng)的冷卻水流量為1.3kg/s，水流量為18kg/s，燃燒效率為2.02，燃燒室室壓為0.72MPa，滿足設(shè)計指標要求。

5 結(jié)束語

通過對20kg/s液氧酒精蒸汽發(fā)生器設(shè)計、數(shù)值仿真、液流試驗和點火試驗，可以得出如下結(jié)論：

（1）雙點火器燃燒室側(cè)面點火技術(shù)可靠有效，點火成功率為100%。

（2）液氧、酒精貯箱壓力分別由50kg/s低混合比液氧酒精蒸汽發(fā)生器的3.15MPa、3.5MPa降至2.85MPa、3.0MPa，降幅分別為10%、14%。

（3）液氧酒精混合比達到了2.0的設(shè)計要求，燃燒效率由1.33提升至2.03。

（4）該液膜冷卻方式達到了液膜冷卻水流量/推進劑流量0.2～0.5的設(shè)計要求，能夠有效的保護噴注器及燃燒室壁面，冷卻效果良好。

參考文獻：

[1]Schfer K， Krühsel G， Advanced Green Propellant Steam Generator[C].Noordwijk： Green Propellant Space Propulsion， 2001.

[2]Casey Kirchner. Design Evolution and Verification of the A-3 Chemical Steam Generator[R].SSTI-2220-0175， 2009.

[3]趙宏，張海棟，孫小麗，等.大流量火箭蒸汽發(fā)生器試驗研究[J].推進技術(shù)，2013，34（8）：1077-1081.

[4]朱寧昌.液體火箭發(fā)動機設(shè)計[M].北京：中國宇航出版社，2009.

[5]楊立軍，富慶飛.液體火箭發(fā)動機推力室設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

[6]常峰，索建秦，黎明.PDF模型在燃燒室上的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2013，15：23-26.