裂解度對甲醇ATR發動機的性能影響分析

張留歡，杜 泉，逯婉若，張蒙正，李光熙

(西安航天動力研究所，陜西 西安710100)

0 引言

空氣渦輪火箭發動機(Air Turbo Rocket, ATR)將火箭發動機與渦輪噴氣發動機組合[1-2]，使渦輪入口氣體參數與飛行條件解耦，拓寬了發動機工作范圍，其可作為臨近空間飛行器的新型動力。

從熱力循環方式來說，ATR發動機主要分為燃氣發生器循環和膨脹循環兩種方案[3-7]。燃氣發生器循環ATR發動機多使用雙組元(液氧/液氫、液氧/甲烷及H2O2/煤油等)作為推進劑[8-9]，這種方式發動機自帶氧化劑，且推進劑低溫或熱穩定性差；膨脹循環ATR發動機(Air-Turbo-Ram Expander Cycle，ATREX)使用液氫作為推進劑[10-11]，其做功能力強，燃燒熱值高，但密度低，儲存容積大且對材料性能要求高，操作性較差[12]。

甲醇(CH3OH)作為燃料在汽車發動機等內燃機方面的應用研究較多[13-15]，其成分單一，特性穩定，屬于清潔燃料。一般利用發動機排氣余熱將常溫液體甲醇加熱、蒸發[16]，并在催化劑作用下，將甲醇裂解[17-19]為H2和CO等，進入發動機內燃燒。甲醇裂解氣中氫氣含量最高可達67%，可充分利用氫氣的燃燒特性，但不需要解決儲氫的問題[20]。同時，裂解氣中碳氫化合物含量極少，結焦問題不明顯。此外，張琴等[21]研究了甲醇作為吸熱燃料應用于超燃沖壓發動機主動冷卻技術的可行性，給出了不同涂層催化劑對甲醇分解的影響結果。

本文提出了一種基于甲醇裂解工作的ATR發動機(下文簡稱甲醇ATR發動機)方案，詳細闡述了該發動機工作原理，并開展了發動機性能計算，研究了甲醇裂解度對發動機性能的影響規律，可為后續吸氣式組合發動機方案研究及推進劑選取提供新的思路。

1 工作原理及性能

甲醇ATR發動機主要包括進氣道、壓氣機、氣體發生裝置、渦輪、燃燒室、尾噴管及換熱裝置等組件。甲醇ATR發動機的特點主要是其氣體發生裝置利用甲醇受熱、催化裂解產生H2和CO等氣體的特性。甲醇裂解的反應方程為：CH3OH+90kJ→2H2+CO，為吸熱反應。圖1為甲醇ATR發動機工作原理示意圖。在發動機工作過程中，首先采用單獨設計安裝的燃氣發生器(固體或液體)產生高溫高壓富燃燃氣驅動發動機短暫工作，之后一定壓力、流量的甲醇進入發動機，通過換熱裝置實現升溫裂解，產生的高溫高壓氣相物進入氣體發生裝置，直接驅動渦輪帶動壓氣機工作，大氣中的空氣經壓氣機增壓后直接進入渦輪后的燃燒室，在燃燒室內和經過渦輪做功后的可燃氣體進行燃燒，生成的高溫燃氣通過噴管膨脹產生推力。

為方便公式說明，圖2給出了ATR發動機組成及截面示意圖。考慮發動機遠前端來流截面(序號0)及進氣道入口截面(序號1)，給定發動機入口(即壓氣機入口)截面序號為2，發動機出口(即尾噴管出口)截面序號為8。

圖1 甲醇ATR發動機工作原理示意圖Fig.1 Sketch of working principle for methanol ATR engine

圖2 ATR發動機及其截面示意圖Fig.2 Sketch of ATR engine and its sections

根據甲醇ATR發動機工作原理，建立了發動機工作平衡方程。

1)渦輪與壓氣機物理轉速平衡:

nc=nt

(1)

式中：n為物理轉速；下標c為壓氣機；下標t為渦輪。

2)發動機流道壓力平衡(不考慮氣體沿程壓力損失)：

(2)

式中：p為發動機截面氣體總壓；π為壓比；下標2，4和7分別為壓氣機入口截面、渦輪入口截面和噴管喉部截面。

3)氣體質量流量平衡：

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m7=m2+m4

(3)

式中m為單位時間通過某截面氣體質量流量。

4)渦輪與壓氣機功率平衡(不考慮機械功損失)：

Lc=Lt

(4)

式中L為功率。

基于上述基本平衡方程，建立了發動機計算模型，發動機設計點(100%轉速百分比)部分組件參數取值見表1。發動機設計點空氣流量為10 kg/s，同時考慮到換熱裝置設計難度，給定甲醇裂解氣總溫(渦輪前氣體總溫)為1 000 K。

表1 甲醇ATR發動機設計點組件參數(部分)

基于上述發動機參數，對地面狀態甲醇ATR發動機性能進行了計算。計算過程中，假設甲醇完全裂解為H2和CO，則進入渦輪的甲醇裂解氣中H2和CO的質量比為1∶7。圖3和圖4分別給出了完全裂解條件下甲醇ATR發動機推力F、比沖Isp和燃燒室參數(總壓p、總溫T、余氣系數α)隨發動機轉速n變化結果(橫坐標為轉速百分比)。燃燒室參數在較大程度上影響著發動機推力性能。圖3顯示，隨著發動機轉速上升，發動機推力逐漸上升，比沖先增大后減小。在90%轉速時，發動機比沖最高約793 s(介于火箭發動機與渦輪發動機之間)。甲醇裂解氣H2和CO在渦輪中做功后進入燃燒室與空氣摻混燃燒，隨著轉速上升，燃燒室余氣系數逐漸減小，燃燒總溫與總壓逐漸升高，具體如圖4所示。

圖3 推力、比沖隨轉速變化結果Fig.3 Results of thrust and specific impulse with rotating speed

圖4 燃燒室參數隨轉速變化結果Fig.4 Results of combustor parameters with rotating speed

2 裂解度影響

甲醇裂解存在不完全現象，此時裂解氣主要含有H2和CO以及未裂解的甲醇氣體[22]。采用特殊催化劑(如銅基/鈀基催化劑[21-22])可提高甲醇裂解度N(甲醇裂解度定義為已裂解甲醇與全部甲醇質量比)。圖5和圖6分別給出了基于上述發動機組件參數的甲醇ATR發動機甲醇流量mf、推力及比沖等隨裂解度N(75%,80%，85%，90%，95%及100%)、轉速(60%，70%，80%，90%及100%)等的變化結果。其中，假設已裂解的甲醇全部反應為H2和CO氣體。

圖5 不同裂解度、不同轉速下甲醇流量變化結果Fig.5 Mass flow rate of methanol at different cracking ratios and rotating speeds

圖6 不同裂解度、不同轉速下推力和比沖變化結果Fig.6 Thrust and specific impulse at different cracking ratios and rotating speeds

圖7給出了1 000 K溫度條件下甲醇裂解氣比熱容cp[23]隨裂解度變化的結果。圖7顯示，隨著裂解度逐漸升高，裂解氣比熱容逐漸升高。由于渦輪等熵膨脹功有LT=mf·cp·ΔT[24]，在相同的膨脹功條件下，渦輪前裂解氣的cp越高，需要供應的甲醇流量mf越小，發動機比沖越高，即同一轉速下，甲醇裂解度越高，裂解氣cp數值越大，甲醇流量越小，發動機比沖越高。

圖7 不同裂解度時裂解氣cp變化結果Fig.7 Specific heat capacity of cracking gas at different cracking ratios

3 結論

提出了一種基于甲醇裂解工作的ATR發動機方案，并對裂解度100%的甲醇ATR發動機性能進行計算，研究了裂解度對發動機性能的影響規律，獲得以下結論：

1)隨著發動機轉速上升，推力逐漸上升，比沖先增加后減小。在90%轉速百分比時，比沖最高。

2)在同一轉速下，隨著裂解度升高，比沖逐漸升高。在裂解度100%、轉速百分比90%條件下，發動機比沖最高達到約793 s。

3)同一轉速下，甲醇裂解度越高，裂解氣比熱容數值越大。