外熱源式AIP裝置無氣體產生燃料金屬粉末供應系統研究

李大鵬，王 臻

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外熱源式AIP裝置無氣體產生燃料金屬粉末供應系統研究

李大鵬1，王 臻2

(1. 海軍工程大學 動力工程學院，武漢 430033；2. 海軍大連艦艇學院 外訓系，遼寧大連 112600)

針對外熱源式AIP裝置無氣體產生燃料金屬粉末供應系統，對國內外相關研究現狀進行了綜述，提出了AIP裝置金屬粉末燃料供應系統的技術要求，給出了適用于AIP裝置的金屬粉末燃料氣力供應系統的技術方案和系統構成，并對所涉及到的相關問題進行了研究和討論。

無氣體產生燃料 AIP 金屬粉末 燃料供應系統

0 引言

無氣體產生燃料是指一些化學物質，在正常條件下，當在與空氣隔絕的封閉空間內燃燒時，其燃燒產物僅為液體或固體而不會產生氣體。在外熱源式AIP裝置上使用無氣體產生燃料，可以徹底解決AIP裝置反應產物排放問題，大幅提高潛艇隱蔽性。

使用金屬作為外熱源式潛艇AIP裝置的無氣體產生燃料。金屬與可與多種氧化劑反應，放出大量熱量，稱為“金屬燃燒”。金屬燃燒常使用輕金屬，以Mg和Al為主。

輕金屬以液態形式進入燃燒室更有利，但如果處于氣態，裝置性能指標會更高。輕金屬如采用固態燃燒，常是粉末狀顆粒，較小顆粒度的粉末會帶來較高的火災爆炸危險性，并要使用惰性氣體或CO2保護的粉末運輸、儲存容器的裝載和清空。

金屬粉末燃料在沖壓發動機上得到了廣泛應用。金屬粉末沖壓發動機具有比沖高、燃料易貯存、耐老化、流量可調、可多次啟動等優點，已成為沖壓發動機的一個重要發展方向[1]。在此方向的研究成果，可作為使用金屬粉末燃料外熱源式AIP裝置研究的借鑒。

金屬粉末供應系統是輕金屬無氣體產生燃料外熱源式AIP裝置的重要組成部分，關系到燃燒室乃至整個AIP裝置的工作性能。

本文就無氣體產生燃料金屬粉末燃料供應系統進行了分析，對國外相似系統進行了綜述和研究，提出了適用于外熱源式AIP裝置的無氣體產生燃料金屬粉末供應系統。

1 研究現狀

20世紀40年代，金屬粉末作為發動機燃料的概念首次提出并開始了相關研究，但金屬粉末燃料的流化與供應、燃燒效率、燃燒產物沉積等難題，使得該方向的研究停滯不前[2]。

70年代，Lofius等對Al-AP粉末燃料火箭發動機進行研究[3,4]。發動機組成包括：燃料粉末供應系統、噴射器、點火系統和燃燒室。供應系統將金屬粉末燃料流化，流化后的金屬粉末燃料經噴射器進入燃燒室，點火后使AP粉燃燒，進一步使Al粉燃燒。

典型的金屬粉末燃料供應系統見圖1。金屬粉末燃料裝填在燃料筒中，通過活塞桿流入的流化氣體進入燃料粉末床，將金屬粉末燃料流化并帶走。活塞表面均勻分布小孔，可使氣固混合物分布均勻，同時防止金屬粉末燃料回流。

噴射器結構有同軸式和預混式。同軸式噴射器的金屬粉末燃料由旁側孔進入，被中心孔進入的氧化劑帶走；預混式噴射器的燃料粉末由中心孔進入，與旁側孔進入的氧化劑混合后噴出。

使用水和金屬粉末燃料對噴射器進行了測試。金屬粉末燃料為30 μm和3 μm顆粒直徑的Al顆粒，按7:3的質量百分比混合，200 μm和55 μm顆粒直徑的AP顆粒按77:23質量百分比混合。Al粉使用CH4流化，AP粉使用N2和O2流化。測試表明，對于同軸式噴射器結構，顆粒直徑為55 μm的AP粉表現出較好的流動特性。

Meyer[5]研究的使用A1粉和O2作為推進劑的火箭發動機金屬粉末燃料供應系統采用了與Lofius相似的結構。金屬粉末燃料儲存在圓柱形容器中，容器由N2填充?；钊麠U引入氣體進入圓筒并將粉末帶走?；钊揽繗怏w推動并始終緊靠粉末，從而避免存在空隙造成的金屬粉末燃料流化不穩定。

采用這種供應方式情況下，所需N2占Al粉質量的1％。實驗使用顆粒直徑分別為15 μm，25 μm和60 μm的Al粉。實驗表明，25 μm顆粒直徑Al粉的流動和燃燒性能優于其余兩種顆粒直徑的Al粉，且流化氣流量是影響金屬粉末燃料供應量的主要因素。

隨著火星探測的進行，火星上Mg和CO2豐富，Mg也因此成為火星探測器推進系統燃料的首選。Goroshin[6]等研究了Mg+CO2推進系統，見圖2。Mg粉由活塞推動，被CO2氣流夾帶輸入燃燒室。Mg粉流化和供應與燃燒分離，防止Mg粉因受熱而結團。

Goroshin等[7]對金屬和非金屬粉末用于沖壓發動機的研究表明，Al粉綜合性能最好。見圖3所示氣力輸送系統。Al粉顆粒直徑5.8 μm，填充比50％，使用激光探針監控粉末濃度。

美國賓西法尼亞州立大學應用實驗室提出了使用Al粉與海水反應用于自主式水下航行器推進系統[8,9]。Al粉能量密度較高，海水更是取之不竭，因此，這種金屬粉末燃料+氧化劑組合對于海洋動力裝置具有良好的應用前景。自然，在潛艇AIP裝置上的應用也是可行的。

圖2 Mg+CO2推進系統

圖3 氣力輸送系統

研究使用的金屬粉末燃料供應系統與文獻[3,4]中所采用的相似，都由活塞桿引入流化氣，將儲存在燃料筒內的金屬粉末燃料流化，由電動機、壓縮氣體或機械推動的活塞維持氣固混合物壓力。鋁粉填充容積率0.37，流化氣可使用惰性氣體或有利于點火和穩定燃燒的氣體。

金屬粉末燃料供應系統最多可裝填的Al粉為59 kg，可連續工作時問1 h。通過改變活塞壓力和噴射孔尺寸實現金屬粉末燃料流量的調節。

鄭邯勇等[10]指出：“Al+H2O”反應推進系統存在著反應的啟動和持續問題。添加助燃劑可減少反應啟動時間，使用旋風燃燒器可保證反應持續進行，向金屬粉末燃料中添加粘合劑、制成流態藥柱，便于燃料輸送，實驗研究了Al粉顆粒度、粘合劑和助燃劑對反應的影響。

孫展鵬等[11]對“Al+ H2O”反應機理進行了研究，針對反應點火困難，提出了破壞金屬表面氧化物的三種方法：使外界溫度高于氧化物熔點，氧化物流化，金屬裸露；依靠機械應力使氧化物外殼破裂；加入化學物質與表面氧化物反應，或提高金屬粉末燃料和金屬氧化物的互溶性，使反應得以持續進行。

總的說來，金屬粉末燃料供應系統方面的研究已有一定的基礎，所提出的技術方案和研究成果，對于外熱源式AIP裝置無氣體產生燃料金屬粉末供應系統具有參考價值。

2 金屬粉末燃料供應系統的技術要求

金屬燃料應加工為具有微小顆粒直徑的粉末，使其具有流動性。金屬燃料粉末的加工和制備在岸上進行，遵守相應的工業標準和規范。

金屬粉末燃料可直接向企業采購。金屬燃料粉末的裝載、清空、儲存和運輸，需要遵守相應的工業標準和規范，一般使用惰性氣體或CO2保護進行。

金屬粉末燃料供應系統由金屬粉末燃料儲存箱和氣力輸送系統組成。

金屬粉末燃料儲存在儲存箱內，由氣力輸送系統供應給AIP裝置燃燒室。點火后，與氧化劑反應，產生的高溫反應產物加熱AIP工質，高溫高壓工質進入AIP發動機，如斯特林發動機、閉式循環汽輪機和閉式循環燃氣輪機內作功。

金屬粉末燃料供應系統的性能直接影響燃燒室中的燃燒，并進一步影響AIP發動機的工作性能。因此，必須對金屬粉末燃料供應系統進行有針對性的設計。

金屬粉末燃料應能在密閉的儲存箱內長期和安全儲存，避免火災爆炸危險，燃料不會老化，儲存成本低。為此，可使用惰性氣體或CO2充填儲存箱，以起到保護作用。

金屬粉末燃料的流化效果直接影響燃燒性能，從而影響AIP裝置工作性能。金屬粉末燃料的流化與供應也一直是金屬燃料燃燒系統的技術難點，同時，也是外熱源式AIP裝置使用金屬作為無氣體產生燃料的關鍵技術。

氣力輸送系統輸送的金屬粉末燃料濃度應穩定且均勻，以保證燃燒室中燃燒的穩定性、提高燃燒室燃燒效率和保證其使用壽命。

氣力輸送系統供應給燃燒室的金屬粉末燃料流量應可調節，能夠保持穩定工況下的流量穩定，同時滿足AIP裝置的啟動和停止、穩定運行、工況和功率變換的要求。

3 金屬粉末燃料氣力輸送系統

氣力輸送系統是指用氣體間輸送固體顆粒的系統，在電力、水泥、化工、玻璃、采礦及冶金等工業領域都有著廣泛應用。

由于輸送物料及工況不同，氣力輸送有多種形式[12]。按照氣流壓力，分為負壓、正壓和混合輸送；按照流動狀態，分為稀相和密相輸送；按照壓力高低，分為低壓和高壓輸送；按照輸送氣體是否循環利用，分為開放和封閉輸送；按照供料方式，分為機械和倉壓式輸送；按照供氣方式，分為連續供氣和脈沖供氣輸送；按照輸送管道形式，分為單管和雙管式輸送。

正壓輸送是依靠高于大氣壓的氣體將金屬粉末燃料輸送到燃燒室，具有較高的輸送流量，適合于遠距離輸送。負壓輸送系統是使用風機抽吸形成的負壓氣流夾帶金屬粉末燃料從吸嘴進入燃燒室，優點是不會發生輸送氣體及其夾帶金屬粉末燃料的外漏，但輸送距離不大。

兩種氣力輸送系統都要有過濾段，使金屬粉末燃料與輸送氣體分離，且輸送氣體循環使用。對于AIP裝置，輸送距離一般都比較小，為減小因金屬粉末燃料泄漏引發火災和爆炸的危險，應采用負壓輸送系統。

氣力輸送是十分復雜的過程。輸送過程中，金屬粉末燃料被氣流夾帶，金屬粉末燃料顆粒之間以及顆粒同氣力輸送系統固體壁面之間會發生碰撞，碰撞使得顆粒破碎和固體壁面磨損，這種情況在輸送氣體高速流動時愈發明顯。如降低輸送氣流六度，易造成堵塞。

輸送效率是氣力輸送系統的重要指標，主要由金屬粉末燃料顆粒的尺度、分布、形狀、密度、硬度、脆性、可壓縮性、滲透性、粘性、分離性、爆炸性、可燃性、毒性、靜電效應等幾何、機械、物理和化學性質決定，并直接影響到氣力輸送系統的使用壽命和消耗功率。

氣力輸送方式分為稀相輸送和密相輸送。對于稀相輸送，金屬粉末燃料與輸送氣體質量流量之比較小，輸送氣體壓力較低且流速較大，適用于輸送粉末的質量和粒度較小、干燥、易流動、輸送距離不大的情況。

密相輸送的流速較低，固體壁面磨蝕和金屬粉末燃料顆粒破碎不嚴重，耗氣量少。由于金屬粉末燃料具有火災和爆炸危險性，一般采用惰性氣體作為輸送氣體，密相輸送較為適合。密相輸送耗氣量少的特點，還可使后續的分離比較容易，氣體過濾設備也相對簡單。

金屬粉末燃料氣力輸送系統見圖4。

圖4 金屬粉末燃料氣力輸送系統

金屬粉末燃料的供應和輸送氣體帶走金屬粉末燃料，是氣力輸送系統的兩個關鍵環節。金屬粉末燃料的供料有4種型式。

螺旋式供料器。電機帶動螺旋，利用擠壓效應，將金屬粉末燃料送至供料倉，再被高速輸送氣體帶走。通過調節螺旋轉速來控制金屬粉末燃料流量。缺點是存在螺紋磨損問題。

旋葉式供料器。利用葉片旋轉使金屬粉末燃料與高速輸送氣流混合，進料方式與螺旋式相似，雖然不存在螺旋磨損問題，但葉片與壁面空隙大，易造成輸送氣體泄漏。

容積式供料器。高壓輸送氣體的一部分將下落的金屬粉末燃料吹散流化，其余氣體依靠其高流速輸送金屬粉末燃料。該種型式的加料器密封性好、可靠性高，但造價高、耗氣量大，需要大功率空氣壓縮機，且輸送流量不穩定，磨損嚴重。

文丘里供料器。利用噴嘴噴出高速氣體形成的負壓，使金屬粉末燃料被吸入供料倉，屬于負壓輸送系統，缺點是耗氣量大、效率低，且輸送流量不易控制。

對于AIP裝置，由于長期穩定運行和頻繁功率變換的要求，供料器應能保證輸送金屬粉末燃料流量穩定且易于調節。此外，為保證AIP裝置使用條件下的火災爆炸安全性，金屬粉末燃料的儲存、輸送都處于惰性氣體或CO2保護下。因此，對于AIP裝置，容積式供料器和文丘里供料器不做推薦，首選是旋葉式供料器和螺旋式供料器。

5 小結

針對AIP裝置和AIP裝置使用條件下的金屬粉末燃料供應系統，由于缺乏實際運行經驗積累，所提供的設計方案借鑒了航空航天、冶金等領域應用的相應系統，而這些系統的使用和運行條件，與AIP裝置有較大差別。

基于AIP裝置使用要求，可選用的外熱源式AIP裝置金屬燃料范圍有限，這也為今后進行有針對性的研究提供了便利。

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Fuel Feeding System of Powered Metal Used as No-gas Generation Fuel for External Heat Resource AIP Plants

Li Dapeng1, Wang Zhen2

(1. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. Naval Dalian Warship Institute, Dalian Liaoning 112700, China)

U664 TJ83

A

1003-4862（2015）02-0026-04

2014-06-05

教育部第47批歸國留學人員科研啟動基金教外司留（2013）第1792號

李大鵬(1972-)，男，博士后。研究方向：艦船動力裝置。