氧氣/醇類燃氣發生器啟動過程試驗研究

李清廉，李 慶，王振國

（國防科技大學航天與材料工程學院，湖南長沙410073）

0 引言

目前，世界上多個國家對燃氣發生器開展了大量的研究工作，所研制的燃氣發生器用于泵壓式液體火箭發動機、真空模擬系統、激光器的壓力恢復系統、軟著陸氣囊充氣裝置等多個領域[1～3]。由于啟動過程在燃氣發生器整個動態工作過程中最關鍵，國內外許多學者針對燃氣發生器的啟動過程開展了相關研究工作。其中Morgan[4]將燃氣發生器的部分噴嘴設計成混合比接近化學當量比的高溫噴嘴，高溫噴嘴噴霧燃燒形成的高溫區可以作為火焰穩定區域，有效解決了燃氣發生器啟動過程中點火困難的問題。田章福[5]開展了過氧化氫燃氣發生器試驗，研究了余氧系數、流量密度、過氧化氫噴注壓降及其部分催化分解對啟動過程中點火性能的影響，并利用高速攝影拍攝了啟動過程中火焰的發展過程。王愛玲[6]開展了氣氧/煤油火箭發動機啟動過程的數值模擬和試驗研究，對氣液燃氣發生器的啟動過程也具有較大的借鑒意義。在對自主研制的氧氣/醇類燃氣發生器進行試驗研究，并在此基礎上對氧氣/醇類燃氣發生器的啟動過程進行了描述和分析，研究了啟動過程的影響因素。

1 試驗系統

燃氣發生器熱試試驗采用擠壓式供應方案，試驗系統如圖1所示。

供應系統包括氧氣供應系統和燃料供應系統。推進劑供應管路中，氧氣供應管路中安裝音速噴嘴，當音速噴嘴喉部靜壓與上游入口總壓之比小于臨界壓力比，氣流在喉部達到當地音速，通過的流量只與上游壓力有關而與下游壓力無關。燃料供應管路中安裝文氏管，當液體流經文氏管喉部發生氣蝕時，通過的流量只與上游壓力有關而與下游壓力無關。音速噴嘴和文氏管作為氣體管路和液體管路的限流部件，它們都工作在臨界狀態，可以準確控制氧氣及燃料的流量，從而保證二者以設計的混合比完成燃燒過程，同時它們還可以起到隔離壓力波動、減小供應管路水擊的作用。

試驗測量參數主要包括氧氣及燃料流量、供應系統壓力（包括各儲箱壓力及管路壓力）、燃氣發生器各部位壓力（包括集氣腔、集液腔、身部及喉部）及燃燒室溫度。主要測量設備如下：

(1)供應系統壓力和燃氣發生器各部位壓力采用壓阻式壓力變送器，頻率響應大于20kHz，測量精度為0.5%FS；

(2)燃氣發生器燃燒室溫度測量采用鎳鉻鎳硅熱電偶，測量精度為1.5%FS；

(3)氧氣及燃料流量測量采用內錐式差壓流量計，測量精度為1.0%FS。同時還可以使用經過標定的音速噴嘴和文氏管對流量進行校準。

2 啟動過程現象與描述

與火箭發動機類似，在燃氣發生器的動態工作過程中，啟動過程最為關鍵。在啟動過程中，燃料與氧化劑在很短的時間內被噴射進入燃燒室，經過霧化、蒸發、混合和燃燒等一系列極為復雜的物理化學變化，燃氣發生器工作過程參數（流量、壓強及溫度）發生大幅度的變化。在啟動階段，各種動力載荷作用在燃氣發生器結構上，其中包括熱沖擊、壓強及加速度，這對燃氣發生器能否正常工作是一個極大的考驗。熱試試驗中壓力曲線如圖2所示。燃氣發生器的啟動過程可以分為兩個部分：第一個過程是推進劑系統及其容腔中組元的充填與建壓，第二個過程是推進劑組元的點火和火焰傳播。

2.1 充填與建壓過程

推進劑系統及其容腔中組元的充填包括氣體組元的充填與建壓，以及液體組元的充填與建壓。充填過程是指推進劑逐漸充滿管路及燃氣發生器噴注器頭腔的過程。該過程從閥門打開開始，到噴注器頭腔壓力開始上升結束。建壓過程是指頭腔壓力從開始上升至壓力到達設定值的過程。

由圖2中的啟動過程所示，對于氣體組元來說，氣體的擴散能力較強，流動速度快，氧氣在100ms以內的很短時間內就已經充滿噴注器集氣腔。但由于氣體的可壓縮性，在充滿集氣腔后，氧氣集氣腔的壓力上升較為緩慢，斜率小，建壓時間可達1～3s。對于液體組元來說，流動速度較慢，需要較長的時間才能將集液腔充滿，充填過程可能需要1s以上，充填過程中集液腔壓力基本沒有變化。由于液體的不可壓縮性，燃料建壓時集液腔壓力上升陡峭，斜率較大，建壓時間基本在500ms以內。

2.2 推進劑組元的點火與火焰傳播

燃氣發生器采用氧氣/Lf80燃料，其中Lf80是一種自制醇類液體燃料。這種燃氣發生器的燃燒過程與液/液推進劑燃燒有較大差別。氧氣沒有霧化蒸發的過程，以音速（冷態情況下）從噴嘴噴出后即迅速膨脹擴散到整個燃燒室中，難以與燃料均勻混合。同時為了獲得設定溫度的燃氣，試驗中燃氣發生器采用富燃方案。這使得推進劑混合比偏離化學當量比，進一步導致燃氣發生器的點火困難。為解決點火問題，燃氣發生器進行了特殊的結構設計，參見圖3，選用同軸離心式噴嘴，燃料由離心式內噴嘴噴入燃燒室，而氧氣由外環縫噴嘴噴入燃燒室；同時對單噴嘴的流量、噴嘴的數目及排列方式進行優化設計。試驗中采用推進劑流量限制措施，使得啟動時混合比維持在3.15～3.25。同時采用了火炬點火器產生的高溫燃氣對燃氣發生器主流進行點火。火炬點火器可以提供足夠的點火能量、較高的點火溫度并且維持250～500ms的點火時間，能夠滿足燃氣發生器的點火要求。火炬點火器產生的高溫氣體首先引燃了附近的可燃混合物，然后火焰逐漸由初始的火團傳播到附近的區域，最后點燃了整個燃燒室。

為了研究燃氣發生器的啟動性能，定義兩個參數：點火時間ti和著火延遲ts，分別對應著點火和火焰傳播過程。如圖4所示，其中點火時間定義為火炬點火器室壓突躍時刻（火炬點火器開始工作）到燃氣發生器燃燒室室壓突躍時刻的間隔。參考文獻[7]關于動態特性的定義，將著火延遲定義為燃燒室室壓突躍時刻到燃燒室室壓達到穩態壓力值的95%之間的間隔。各次試驗的點火時間及著火延遲對比如表1所示，表1中涉及的時序1和時序2分別如圖5和圖6所示。

表1 燃氣發生器熱試試驗點火性能比較Tab.1 Comparison ofhot test results

3 啟動過程的影響因素

3.1 流量密度的影響

燃燒室流量密度定義為燃燒室單位橫截面積上的質量流量。表1中1、2、3三次試驗的氧氣及燃料流量密度逐漸增大（氧氣及燃料壓降逐漸提高），但混合比基本保持不變，點火時序也完全相同。由試驗結果可以看出，雖然點火時刻三次試驗的流量密度逐漸增加，但它們的點火時間基本相同。由于三次試驗采用相同的試驗時序，因此在點火瞬間，三次試驗中噴注器的混合比基本相同。由吳晉湘[8]對同軸離心式噴嘴的研究結果可知，一定范圍內，在反壓一定、氣液比相同的情況下，隨著氣體噴前壓力的增加，噴嘴的霧化質量將有所提高，噴嘴的流強分布也更加均勻，因此氧氣與燃料兩種組元的混合也就越充分。但在噴嘴氣液比相同的情況下，隨著氣體噴前壓力的提高，液體的噴前壓力也在增加，從而導致離心式內噴嘴噴出的燃料液膜初始厚度也在增加。因此流量密度增大到一定程度以后，霧化和混合質量也有變差的趨勢。最終由試驗結果可以看出，雖然流量密度增加會引起三次試驗中燃料霧化與兩組元混合質量的差異，但最終未對點火時間產生較大影響。

同時，由表1可以看出，1、2、3三次試驗中著火延遲隨著流量密度的增加而逐漸增加。由于三次試驗中可燃混合氣體的化學性質相同，混合比一致，因此著火溫度也相同。隨著燃氣發生器流量密度的增加，燃燒室內氣流速度不變，但密度增加。由火焰傳播的熱力理論可知，在其他因素相同的情況下，火焰傳播速度與可燃混合氣體的密度成反比。因此隨著燃燒室流量密度的增加，火焰傳播速度逐漸降低，火焰傳播速度的降低延長了火焰傳播過程，從而導致了著火延遲的增加。表1中采用時序2的5～8試驗數據，驗證了著火延遲隨流量密度增加而增加的規律。

3.2 時序的影響

為了研究推進劑組元進入燃燒室時間對啟動性能的影響，在試驗參數不變的情況下，分別采用兩組不同的時序進行了啟動試驗。試驗3采用時序1，啟動過程壓力變化曲線如圖7所示，兩根豎線間區域放大顯示在圖8中；試驗4采用時序2，啟動過程壓力變化曲線如圖9所示，兩根豎線間區域放大顯示在圖10中。

試驗3采用時序1，時序1中于2.1s打開氧氣閥門，3.2s打開燃料閥門，4.4s火炬點火器開始工作。如圖7及圖8所示，當火炬點火器開始工作以后，燃燒室與燃料腔出現壓力波動。出現這種波動的主要原因是燃燒室內火炬點火器產生的高溫氣體周圍的混合物被點燃，但由于此時燃燒室壓力較低，火團無法傳播出去，導致火焰熄滅同時燃氣發生器總體當量比仍然偏離著火適當比，霧化混合質量較差，氧氣燃料混合極不均勻，燃燒室內混合比值差異較大。部分區域仍然不滿足著火條件。因此火焰出現了熄滅的現象。隨著充填過程的繼續，氧氣與燃料流量有所增加，霧化和混合進一步改善，混合比接近著火適當比，最終火焰得到順利傳播。在該時序下，點火時間與著火延遲較長。由此可見，當氧氣與燃料進入燃燒室的時間差較小時，點火過程會出現著火再熄火的現象，此時點火較為困難。

試驗4采用時序2，時序2中燃料閥門的打開時間以及火炬點火器工作的時間與試驗4中完全相同，但氧氣閥門的打開時間提前了1s。如圖9及圖10所示，可以看出，在3.9s的時刻，氧氣已經進入燃燒室，燃燒室內開始建壓。對比同一時刻圖6中的燃料噴前壓力可以看出，燃料噴前壓力也突然上升。由于時序2只是改變了氧氣閥門打開的時間，并沒有改變燃料閥門的打開時間，因此此時燃料噴前壓力突然上升主要是因為提前進入燃燒室的氧氣竄入燃料腔造成的結果。這種情況較為危險，有可能在點火過程中使火焰竄入燃料腔并發生燒蝕現象。同時，由表1可以看出，采用時序2的試驗點火時間與著火延遲都大大縮短。增大氧氣與燃料進入燃燒室的時間差，雖然試驗點火時間與火焰傳播時間大大縮短，但存在氧氣進入燃料腔的危險，同時燃燒室內會積存大量的氧氣，不利于穩定的啟動。

4 結論

(1)為了研究燃氣發生器的啟動性能，依據啟動過程中壓力曲線的特點，引入點火時間和著火延遲兩個物理參數，分別對應著點火和火焰傳播過程。

(2)燃燒室流量密度對啟動過程中的點火過程影響不大，但卻對火焰傳播過程影響較大，流量密度的增加導致著火延遲延長。

(3)時序中組元進入燃燒室的時間對啟動過程有較大的影響，氧氣與燃料之間的間隔太短時，點火較為困難，點火時間與著火延遲都較長；但氧氣與燃料間隔太長，又會導致氧氣進入燃料腔，產生危險；同時燃燒室積存大量氧氣，不利于穩定啟動，點火后可能出現壓力峰和溫度峰。

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[7]鄭麗.大流量減壓器的特性研究及內部流場動態仿真[D].國防科技大學研究生院.2007.

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