火箭煤油降阻技術研究

杜宗罡，朱成財，吳 金，單世群，于忻立，史雪梅，符全軍，韓 偉

(西安航天動力試驗技術研究所，陜西 西安 710100)

火箭煤油降阻技術研究

杜宗罡，朱成財，吳 金，單世群，于忻立，史雪梅，符全軍，韓 偉

(西安航天動力試驗技術研究所，陜西 西安 710100)

對3種火箭降阻煤油在管路中流阻特性進行試驗研究。與火箭煤油相比，試驗用降阻煤油的密度相近(20 ℃，0.832 3 g/cm3)，粘度升高(20 ℃，2.17～2.77 mPa·s)。通過管路流阻特性理論計算和試驗，驗證了降阻煤油在流阻測試試驗系統各組件時的實際降阻效果，并對影響降阻效果的因素包括降阻煤油類型、直管管徑、流體流速及降阻劑濃度等進行試驗考察。試驗結果表明，使用相同降阻煤油，在同樣流量下，直管管徑越小，流速越高，降阻率越高；在同樣管徑下，流速越高，降阻率先快速升高后緩慢降低；使用相同降阻劑，隨著煤油中降阻劑濃度的升高，降阻效率先快速升高后趨于平緩；3種降阻煤油中配方為JZM-7的降阻效率最高，與火箭煤油相比，JZM-7在Φ4直管中流速為54.748 m/s時降阻率為75.05%。

火箭煤油；降阻劑；流阻；JZM-7

0 引言

目前，隨著我國新一代運載火箭CZ-5,CZ-6及CZ-7陸續投入使用，火箭煤油已成為我國航天液體動力的主燃料。火箭煤油具有無毒、環保、性能高及成本低等優點，既可作為運載火箭主動力的燃料，也可用于新型沖壓或組合發動機，是一種用途廣泛的推進劑。然而，火箭煤油在高速流經發動機組件時，受不規則湍流狀態作用，管路流阻增大，從而增加泵后負載，使得渦輪泵和發生器處于高負荷工作，影響發動機工作可靠性，限制了發動機性能的進一步提升?？赏ㄟ^發動機結構改進或者采用火箭降阻煤油以降低系統流阻、提升發動機整體性能。

上世紀80年代末，俄羅斯動力機械科研生產聯合體已開始對火箭煤油降阻技術進行研究，并取得了較大進展[1]。主要研究內容包括：煤油降阻劑篩選；煤油復合降阻劑后對噴嘴霧化效果的影響；對發動機組件液流特性和動力性能的影響；對RD-120和RD-171等發動機熱試特性的影響評估以及對火箭性能貢獻的計算。研究結果表明，在火箭煤油中復合高分子降阻劑后，可較大幅度地降低發動機煤油輸送管路的流阻(大于20%)、提升渦輪泵效率(大于5%)、降低燃氣溫度(大于40 ℃)，煤油霧化和傳熱性能卻未發生明顯變化[2]，從而提升發動機綜合性能。

本文以3組前期篩選出的火箭降阻煤油為研究對象，開展火箭降阻煤油物性測試和降阻特性試驗研究，考察降阻煤油配方、直管管徑、流速等因素對降阻率的影響[3-4]，從而驗證高分子降阻劑用于降低火箭煤油在管路中流阻的可行性。

1 試驗方案

1.1 試驗用原料與流阻測試系統

試驗用煤油為液氧煤油發動機熱試車用火箭煤油，3種添加有高分子降阻劑的火箭降阻煤油為實驗室制備。分別測定火箭煤油和3種不同配方火箭降阻煤油在常溫(20 ℃)下的密度和動力粘度。采用美國魯道夫DDM 2911型密度計測定樣品密度，該密度計具有測量精度高、響應快且重現性好等特點?；鸺底杳河偷膭恿φ扯仁褂莽?.8玻璃毛細管粘度計(粘度系數為0.031 52 mm2/s2)測定。流阻試驗在自建的流阻測試試驗系統開展。圖1為流阻測試用試驗系統，由1臺高壓儲箱，1臺回收儲箱、2臺流量計及7個壓力傳感器組成。

1.2 管路流阻特性研究

1.2.1 直管中煤油流阻特性計算

分別選擇Φ4和Φ8的兩種直圓管，計算不同流速下煤油的雷諾數和流阻數據。將計算結果與實測數據對比，驗證計算數據的可靠性。表1為計算用相關參數，具體計算過程如下：

表1 計算用相關參數Tab.1 Calculation parameters

1.2.1.1 雷諾數計算

雷諾數計算公式：

(1)

式中：ρ為密度，kg/m3；μ為動力粘度，Pa·s；d為管徑，m；v為流速，m/s。

1.2.1.2 直圓管流阻計算

采用不可壓縮粘性流體在光滑管內定常流動時壓強降公式，即D-W公式[5]：

(2)

式中: λ為摩擦系數(顧毓珍公式(1)：λ=0.005 6+0.500/Re0.32；顧毓珍公式(2)：λ=0.012 27+0.754 3/Re0.38)；l為圓管長度，m。

1.2.2 降阻煤油流阻特性試驗研究

通過試驗考察煤油和3種降阻煤油在不同流速(量)下的沿程流阻和局部流阻損失特性，比較火箭降阻煤油與煤油的降阻效果，煤油流阻試驗工藝流程見圖2。采用高壓氮氣擠壓儲箱中煤油，使煤油依次經過渦輪流量計、質量流量計、Φ8直管(長1.93 m)、Φ4直管(長2.10 m)和限流孔板(Φ4)，分別測定質量流量計、Φ8直管、Φ4直管、手動截止閥和限流孔板兩側的流阻變化，獲取各部件在不同介質、不同流速(量)下的流阻數據。

本文所提降阻率是指與煤油相比，火箭降阻煤油在流動過程中管路兩端流阻(壓降)的降低幅度，如公式(3)所示：

(3)

具體試驗過程如下：

1)先用煤油對測試系統進行調試，確保流量計、各類傳感器和數據采集系統正常工作；

2)測定煤油在不同流速(量)、不同組件中的流阻數據；

3)選擇具有代表性的3種降阻煤油，測定流阻數據。

2 結果與討論

2.1 降阻煤油密度與粘度測試

根據公式(2)和公式(3)，流體的密度和粘度是影響流體流阻特性的重要參數。從7種降阻煤油中選擇具有代表性的3組樣品(JZM-1,JZM-4及JZM-7)，進行密度和動力粘度測試。從表2可以看出，降阻煤油的密度與煤油相近，而動力粘度升高。

2.2 煤油降阻特性研究

2.2.1 直管中煤油流阻理論計算

采用公式(3)中的兩個顧毓珍公式[3]計算

表2 降阻煤油的密度與粘度Tab.2 Density and viscosity of DRK

摩擦系數，從而計算煤油流動過程中直管管徑、流速與雷諾數及流阻之間的關系。計算結果表明，隨著流速的升高，不同管徑中煤油的雷諾數和流阻均不斷升高。當流量為0.114～0.629 kg/s時，Φ4直管中流速10～60 m/s、雷諾數17 630～94 798、流阻0.625～14.375 MPa，Φ8直管中流速5.162～60 m/s、雷諾數8 371～93 297、流阻0.325～3.948 MPa。

以Φ4直管為例，分別對比不同流速下流阻實測值與兩個不同公式的計算結果，從而分析理論計算結果的可靠性。如表3所示，兩種顧毓珍公式計算得到的流阻與實測流阻均存在偏差。在低流速下(<43 m/s)，顧毓珍公式(1)計算得到流阻數據與實測值相近；在高流速下(>43 m/s)，顧毓珍公式(2)計算得到流阻數據與實測值相近。分析主要是由于摩擦系數公式在計算時有一定的適用范圍，計算時應根據流體流速選擇不同的計算公式和參數。

表3 煤油在Φ4直管中流阻計算與實測值對比Tab.3 Comparison between calculation and actual test results of flow resistance of kerosene in Φ4 straight pipe

2.2.2 流阻特性試驗研究

為驗證降阻煤油在高速流動下的管路降阻效果，選擇煤油和3種降阻煤油(JZM-1，JZM-4及JZM-7)，在流阻測試系統上進行降阻性能測試，考察不同流速下4種介質的沿程流阻和局部流阻損失，比較降阻煤油與煤油的降阻特性。具體試驗結果如下：

2.2.2.1 系統總流阻

圖3為管路中不同介質的系統總流阻與流量的變化趨勢。測定儲箱出口與回收箱前的壓力差即為系統總流阻(圖2中P1-P6)。從圖2可以看出，隨著系統中介質流量的增大，采用不同介質時系統總流阻均升高。但在相同流量下，JZM-7在管路中的降阻效果明顯優于其他兩種降阻煤油及煤油。例如，使用JZM-7在最高流量為0.610 kg/s時，系統總流阻較煤油可降低52.83%。

2.2.2.2 管路流阻

試驗用Φ4直管長度2.10 m，測定Φ4直管兩端的流阻，即圖2中P3-P4。Φ4直管中的流速范圍為10～60 m/s，相應的雷諾數范圍16 214～97 285。從圖4(a)可以看出，隨著流速的升高，降阻煤油降阻率均先升高后降低的趨勢。同樣流速下，JZM-7的降阻率優于其他兩種降阻煤油。

試驗用Φ8直管長度1.93 m，測定Φ8直管兩端的流阻，即圖2中P2-P3。Φ8直管中的流速范圍為5～15 m/s，相應的雷諾數范圍8 371～24 324。在相同流量下，Φ8直管中的流速最高僅為15 m/s，遠低于Φ4管60 m/s流速。從圖4(b)可以看出，隨著流速的升高，降阻煤油的降阻率逐漸升高；同樣流速下，JZM-7的降阻率優于其他兩種降阻煤油。

通過試驗結果對比，可以得出如下結論：1)同樣流量下，管徑越小，流速越高，雷諾數越大，降阻率越高。如在0.572 kg/s流量下，Φ4直管中JZM-7的流速為54.748 m/s時降阻率75.05%，Φ8直管中流速為13.686 m/s時降阻率12.26 %；2)同樣管徑下，流速越高，降阻率先升高后逐漸降低。

2.2.2.3 局部流阻

局部流阻主要測定限流孔板兩端的流阻，即圖2中P5-P6。在本次試驗中，未觀察到降阻煤油經過限流孔板時局部流阻有明顯降低。在試驗過程中，限流孔板兩側均使用Φ20直管，試驗最高流速僅為2.55 m/s，降阻效率不顯著。具體情況有待后續試驗驗證。

2.2.2.4 降阻劑濃度對煤油降阻率影響

選擇JZM-7作為研究對象，考察不同濃度降阻劑對降阻率的影響過程。如圖5所示，使用相同降阻劑，隨著煤油中降阻劑濃度的升高，降阻效率先快速升高后趨于平緩。在C2～C3濃度區間內，降阻率提高幅度不明顯，已趨于平衡。當濃度大于C3時，降阻率不增加，甚至有降低的趨勢。另外，隨著濃度增加粘度相應增加，可能會影響到傳熱效果。因此，合適的降阻劑濃度選擇C2～C3范圍內。

3 總結與展望

本文對3種降阻煤油在管路中的降阻效果進行試驗研究。研究結果表明，配方為JZM-7的降阻效率最高，與煤油相比，JZM-7在Φ4直管中流速為54.748 m/s時降阻率最高達75.05 %。影響降阻效果的因素主要是降阻劑種類、降阻劑濃度、管路管徑、流體流速等。后續將開展煤油降阻劑配方優化、降阻機理[6-9]及降阻煤油的流動、傳熱、霧化[10]、燃燒特性研究，獲得綜合性能優異的降阻煤油。并采用液氧/煤油縮尺件或液氧/煤油發動機對降阻煤油的綜合性能進行驗證，完成降阻煤油綜合性能測試與評估，為液氧/煤油發動機動力系統性能提升及進一步工程化應用奠定基礎。

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Investigation on drag-reduction technology of rocket kerosene

DU Zonggang， ZHU Chengcai， WU Jin， SHAN Shiqun， YU Xinli， SHI Xuemei， FU Quanjun， HAN Wei

(Xi’an Aerospace Propulsion Test Technique Institute， Xi’an 710100， China)

The characteristics of flow resistance in pipeline of kerosene with three drag reducers was researched by experiments. The density of drag reducing kerosene (DRK) is 0.832 3 g/cm3(20 ℃)， and its viscosity is ranging from 2.17 mPa·s to 2.77 mPa·s (20 ℃). Factors influencing drag reduction， such as types of DRK， concentration of drag reducers， straight pipe diameter， flow velocity， are discussed and evaluated. The results as follows：1) under the condition of same flux， the smaller the diameter of the straight pipe is， the higher the flow velocity and the drag reduction rate become；2) under the condition of same diameter， the drag reduction rate rises fast and then descends slowly as the flow velocity rises higher；3) with the same drag reducer， the drag reduction rate rises quickly and then becomes flatting with the increase of concentration of drag reducer in rocket kerosene；4) JZM-7 has the highest drag reduction rate among the three types of drag reduction kerosene formulas. Compared with pure kerosene， the drag reduction rate of JZM-7 is 75.05% at the flow velocity of 54.748 m/s inΦ4 straight pipe.

rocket kerosene；drag reducer；flow resistance；JZM-7

2016-10-11；

2017-03-23

裝發聯合基金項目(6141B06260101)

杜宗罡(1971—)，男，研究員，研究領域為液體推進劑

V511-34

A

1672-9374(2017)06-0032-06

(編輯：馬 杰)