空氣/煤油燃氣發生器技術研究

金盛宇，許宏博，吉 林

（上海空間推進研究所，上海201112）

0 引言

燃料無毒化是某動力裝置改進發展方向[1-2]。最初，該動力裝置采用單組元肼燃料[3]，系統無需點火裝置、結構簡單、起動可靠，但肼燃料有毒，帶來了生產、貯存、運輸、使用條件和地面勤務操作復雜、維護使用成本高等問題。針對這些問題，美國多個類似的型號經大量研究分析對比后，最終采用了“空氣+煤油”燃料方案[4-5]。我國也開展了空氣/煤油燃氣發生器研究，研制成功燃氣發生器原理樣機，并與渦輪進行聯動試驗，實現系統功能演示。本文介紹該空氣/煤油燃氣發生器的研究情況。

1 設計方案

空氣/煤油燃氣發生器具備富氧和富燃兩種工作模式，設計參數見表1。燃氣發生器原理樣機結構形式見圖1，主要由噴注器、點火段、身部直筒段、身部折角段以及燃燒室等構成。

表1 燃氣發生器設計指標Tab.1 Design characteristics of gas generator

圖1 燃氣發生器外形結構Fig.1 Configuration of gas generator

由于空氣/煤油推進劑組合屬于非自燃推進劑，因此設置兩路電火花點火器（冗余）。燃氣發生器采用雙路燃油噴嘴[6]，以滿足富氧和富燃工況的兩種燃油流量的需求。燃氣發生器采用二次燃燒方案，空氣分兩級進入燃燒室，初級空氣從燃燒室頭部進入，通過旋流器霧化燃油，并在燃燒室內形成強旋流，以便穩定火焰[7]；次級空氣從燃燒室中后部進入燃燒室，進行再次燃燒和摻混，控制燃氣溫度。

2 燃氣發生器試驗

空氣/煤油燃氣發生器經歷十多輪狀態調整及地面熱試車，逐步實現點火以及再起動點火，點火成功率和性能不斷提高，最終通過單機考核。考核表明燃氣發生器點火可靠，燃氣壓力、溫度和流量等參數均達到設計要求。隨后與渦輪等裝置進行地面聯動試驗，考察燃氣發生器與渦輪、控制器的工作匹配性和功率輸出特性，驗證了系統功能。圖2為燃氣發生器單機試驗點火照片，聯試時主要測量參數見表2。

圖2 燃氣發生器點火試驗照片Fig.2 Picture of gas generator in ignition test

表2 試驗測量參數表Tab.2 Parameters detected in test

3 試驗結果及分析

3.1 富氧模式

燃氣發生器實現富氧模式工作，實測燃氣壓力為0.8 MPa，燃氣溫度為6 5 0℃，最大輸出功率為1 8kW。圖3為聯動試驗燃氣發生器富氧工作模式的試驗曲線，試驗程序時間1 5 s，負載功率由2 0kW下調到1 5kW，燃氣發生器再起動1次。從圖3中可見：燃氣發生器富氧點火響應時間1.2 s左右，渦輪達到6 0%額定轉速時間不超過2 s。另外，燃氣發生器富氧模式再起動響應時間僅0.1 s左右，可實現脈沖工作。

圖3 富氧模式試驗曲線Fig.3 Test curves of oxidizer-rich mode

3.2 富燃模式

在富燃模式，燃氣發生器穩態工作時，渦輪輸出功率達到最大值，而低功率輸出時，燃氣發生器在控制器的控制下，進行脈沖模式工作，以保證渦輪轉速恒定和功率輸出需求。燃氣發生器實現富燃模式工作，燃氣壓力2.0M P a，穩態燃氣溫度8 5 0～9 5 0℃。燃氣發生器響應快，脈沖工作可靠，與渦輪工作匹配，實現了穩定功率輸出。

圖4給出了聯動試驗富燃模式的典型工作曲線。圖4(a)試驗設定負載5 3kW，燃氣發生器再起動8次，波形一致性較好，脈沖工作周期0.5 s左右；圖4(b)試驗設定負載2 3kW，燃氣發生器再起動1 2次，脈沖工作周期0.3 s左右，最小間隔時間小于0.1 s。由此可見，燃氣發生器富燃工作模式實現了5 3～2 3kW的功率輸出，負載功率需求越小，脈沖工作時間越短，頻率越高，脈沖最小周期3 0 0 m s。根據實際脈沖工作占空比，推算燃氣發生器最大可輸出功率達7 5kW以上。

由于富燃模式采用電火花直接點火方式，燃氣發生器再起動壓力峰較高，尤其是在負載功率較小的情況下。試驗中通過優化點火時序，在一定程度上可以降低壓力峰，但是無法消除。為此，后續又開展了火炬點火方式的研究工作，希望解決再起動壓力峰問題，確保系統工作的平穩可靠。

圖4 富燃模式試驗曲線Fig.4 Test curves of fuel-rich mode

3.3 富燃模式火炬點火

燃氣發生器單機試驗還驗證了富燃模式和富氧模式可相互切換，切換工作中，燃氣發生器不熄火。這為富燃模式脈沖工作提供了另一種點火方式，即富燃模式火炬點火方式，也就是燃氣發生器富燃模式脈沖工作過程中，富氧模式一直處于工作狀態，相當于一火炬，從而提高了富燃模式脈沖點火工作的可靠性，降低對電點火的依賴。

圖5給出了燃氣發生器富燃模式火炬點火方式的典型工作曲線。試驗設定負載5 3kW，工作時間2 0 s，再起動3次（火炬點火）。

圖5 富燃模式火炬點火方式試驗曲線Fig.5 Test curves of fuel-rich mode with torch ignition

從曲線分析可見：

1） 富燃模式火炬點火方式實現功率輸出，系統工作平穩可靠，再起動無壓力峰。

2）富燃模式火炬點火方式再起動頻率顯著降低。再起動周期5 s以上，而原富燃模式脈沖工作再起動周期約為0.5 s，兩者相差1 0倍。這主要是因為火炬工作時仍維持著小功率燃氣輸出，導致關機后渦輪轉速下降緩慢（如圖5轉速變化曲線），從而整個再起動周期加長。

3） 富燃模式火炬點火方式下轉速控制精度較差（2 0%左右），需進一步優化調整控制策略，改善轉速控制精度。

4） 富燃模式火炬點火方式的關機響應時間長是轉速控制精度差的主要原因之一。關機響應時間長（300ms以上），導致關機后轉速繼續上沖，容易超轉，轉速上限控制困難，控制精度差。

4 結束語

空氣/煤油燃氣發生器具有無毒、高能、起動快、燃料易于獲取等特點。我國近年開展了某動力裝置無毒化論證研究工作，研制成功空氣/煤油燃氣發生器原理樣機，并完成與渦輪的聯動試驗，實現系統功能，燃氣發生器性能初步滿足某動力裝置要求。后續將開展工程環境適應性研究工作，考察燃氣發生器高空、低溫以及其他工程應用環境下的點火性能及可靠性，實現工程應用。

[1]黃鐵山.國外機載機電系統技術和裝備[C]//中國航空學會.中國航空學會航空電器工程第六屆學術年會論文集.[出版地不詳]:[出版者不詳],2003:92-96.

[2]范開華.軍用飛機第二動力系統[C]//中國航空學會.中國航空學會控制與應用第十屆學術年會論文集.[出版地不詳]:[出版者不詳],2002:105-112.

[3]薛鎮基,李令成.肼混合燃料在飛機應急動力裝置中的應用[J].黎明化工,1993(1):41-45.

[4]MIKE K.Recent developments in aircraft emergency power,AIAA 2000-2802[R].USA:AIAA,2000.

[5]WEIMER J.Past,present&future of aircraft electrical power systems,AIAA 2001-1147[R].USA:AIAA,2001.

[6]侯凌云,侯曉春.噴嘴技術手冊[M].北京:中國石化出版社,2007.

[7]侯曉春.高性能航空燃氣輪機燃燒技術[M].北京:國防工業出版社,1995.