燃氣發生器應用綜述

趙 芳，任澤斌，2

(1.中國空氣動力研究與發展中心，四川 綿陽 621000；2.設備設計及測試技術研究所，四川 綿陽 621000)

0 引言

長期以來，人類根據各個領域的需求致力于燃氣生成裝置的研究，其中應用最廣的當屬燃氣發生器[1]。燃氣發生器是通過燃燒一定比例的燃料及氧化劑，獲得相應溫度、壓力、流量及速度等參數的混合燃氣，以實現特定目的的燃氣生成裝置[2-3]。

燃氣發生器首先應用于航空航天領域，隨后迅速向艦船、石油及汽車等行業發展。如超燃及亞燃沖壓發動機地面試車[4-15]、驅動渦輪[16-18]、提供引射工質[19-25]、船用燃氣輪機[16-18,26]、石油輸送管道增壓、汽車安全氣囊充氣[27-34]以及其他相關應用等[35-43]。

考慮到燃氣發生器的多用途性及多種類性，特定需求的燃氣發生器選型及研制需要借鑒國內外已有的成功經驗。

1 應用領域

1.1 航空航天領域

自萊特兄弟實現首次飛行以來，飛行速度一直是人類追求的目標，從亞聲速到超聲速，再到高超聲速，每次速度的跨越背后是發動機技術的巨大提升：從活塞式、渦噴發動機、渦輪風扇到亞燃沖壓發動機，直至超燃沖壓發動機[13]。目前，地面試驗(試驗組成如圖1所示[15])是研究超燃沖壓發動機的一項重要技術途徑，主要由加熱器系統和引射式真空系統組成，其中燃氣發生器(也稱燃燒型空氣加熱器)是這兩大系統不可或缺的關鍵子系統[14]。

圖1 超燃沖壓發動機地面試車裝置組成Fig.1 Ground experimental system of scramjet engine

超燃沖壓發動機地面試驗常用的加熱器類型包括：熱管交換式加熱器、卵石床蓄熱式加熱器、電弧加熱器、激波管式加熱器及燃氣發生器等，其中熱管交換式加熱器可提供最高總溫為1 000 K的純凈氣流，但考慮到熱交換問題，該方式提供的氣流總溫有所限制；卵石床蓄熱式加熱器加熱的氣流總溫可達2 200 K，但該加熱器存在啟動時間長、產生固體顆粒等問題；電弧加熱器提供的氣流總溫可達3 000 K，可控性好，運行時間較長，但其需要配備大功率的電弧設備，實驗費用昂貴，而且電弧加熱會導致空氣離解，引入雜質；激波管加熱器加熱的氣流總溫可達6 000 K以上，無污染，但其工作時間很短，一般只應用于高馬赫數(Ma>8)的地面試驗，適用性窄；而燃氣發生器具備溫度范圍較寬、實驗成本較低、實驗周期短、結構緊湊以及快速啟動等優點，盡管加熱氣流中存在一定的污染成分，例如通過燃燒氫加熱空氣會產生水分污染，而燃燒碳氫燃料則產生水和二氧化碳污染，但通過查閱國內外文獻來看，其中的污染成分存在的影響均在可接受的范圍之內[9-12]，由此燃氣發生器是超燃沖壓發動機地面試驗應用最為常用的加熱器類型。與其他應用需求不同的在于：應用于超燃沖壓發動機地面試驗加熱系統時，燃氣發生器的職能是模擬實際飛行時的總焓、總溫及組分組成等相關來流條件，因此，燃氣形成后必須補充一定的氧氣以保證燃氣中氧含量與空氣中相同。

最初的超燃沖壓發動機地面試驗真空系統主要采用真空罐系統和引射系統兩種[13]。考慮到真空罐系統結構較為笨重，準備過程耗時長而持續工作時間短，無法滿足超燃沖壓發動機長時間試驗的需要，而燃氣引射由于結構簡單、引射能力強、響應快等優點被廣泛采用，因此超燃沖壓發動機地面試驗真空系統目前主要采用燃氣引射方式[13]。其組成包括燃氣發生器、引射器及擴壓器3個子系統，其中燃氣發生器旨在為引射系統提供高溫工質，相對于傳統的壓縮空氣、氮氣引射工質而言，高溫燃氣引射的優勢在于其引射效率高，而且裝置規模較小。

在液體推進劑發動機系統中，需要用氣體為推進劑供應系統和其他分系統提供動力源。隨著液體火箭發動機技術的發展，常規的瓶裝壓縮氣體(例如氦氣)已經滿足不了這一動力需求，取而代之的是采用燃氣發生器裝置產生的高溫燃氣，采用該方法可以獲取更高的系統性能。此外，為了使整個系統簡化，燃氣發生器盡可能利用液體推進劑發動機系統自帶的主推進劑產生燃氣，然而，在某些應用中，例如在擠壓式供應系統中或者泵壓式供應系統的啟動，用于產生燃氣所需的高壓推進劑并不是從主系統中獲取。

常規的泵壓式液體火箭發動機系統組成如圖2所示。對于整個泵壓式液體火箭發動機系統而言，燃氣發生器的設計要求結構緊湊、平滑啟動及關機、工作范圍廣、不需要復雜的吹除及卸出系統以及具備安全重復啟動的能力[44-45]。

1—啟動活門;2—火藥啟動器;3—渦輪;4—燃料泵;5—氧化劑泵;6—燃氣發生器;7—主活門;8—推力室;9—蒸發器;10—單向活門;11—節流圈;12—文氏管;13—斷流活門;14—降溫器;15—音速噴管;16—氧化劑貯箱;17—燃料貯箱;18—渦輪泵轉軸;19—齒輪箱。圖2 泵壓式液體火箭發動機系統組成Fig.2 System compositions of turbo-pump liquid rocket engine

在航空航天領域，燃氣發生器的應用還包括宇航員救生服、民用航空緊急救生的充氣滑梯、空降兵、軟著陸氣墊、無人機發射及回收等[35]。

1.2 艦船領域

相比于其他動力裝置，燃氣輪機具有結構簡單、啟動快、功率大、體積小及機動性強等優勢，廣泛應用于軍用艦艇及民用船舶的動力系統，承擔著非常重要的職能。常規的燃氣輪機結構組成主要包括壓氣機、燃燒室及渦輪，原理如圖3所示[17]，其中燃燒室即為一種燃氣發生器，其主要作用在于產生高溫燃氣、驅動燃氣輪機渦輪，由此帶動壓氣機與外載荷轉子同步高速旋轉，從而完成液體或氣體燃料的部分化學能至機械能的轉換，同時輸出電能。時至今日，船用燃氣輪機的應用范圍日趨廣泛，大到輕型航空母艦、巡洋艦，小到快艇、氣墊船。從水面戰斗艦艇到軍用輔助船，進而到民用船舶，船用燃氣輪機都成為令人青睞的動力，也是其他類型動力不可比擬的。廣泛的應用必然會帶來經濟、節能、環保等一系列問題，使人們不得不開展研究，以提升燃氣輪機的設計技術(包括無污染推進劑研究)，提高燃氣輪機的熱效率、可靠性及壽命等性能參數，從而更好地滿足水面艦艇及船舶主動力裝置現代化的需求。

圖3 西門子某燃氣輪機系統組成Fig.3 A type of Siemens gas turbine

冷發射導彈武器系統的應用由最初的魚雷發射推廣至導彈的潛艇水下發射及井下發射等，其關鍵組成部分為發射動力系統，常規的動力系統組成如圖4所示，功能在于提供導彈在發射筒類內運動的作用力，為導彈的可靠點火和目標定向提供必要的初始內彈道。而整個發射動力系統的動力源為燃氣發生器，主要分為整體式和裝配式兩種，前者的優點在于氣密性好，可以防止接頭處發生漏氣現象，此外，整體式質量小，有利于減輕系統的整體質量。這一點對于戰術導彈而言意義重大，然而，對于中遠程的戰略導彈來說，整體式燃氣發生器會增加加工工藝的難度，因此，通常來說，戰略導彈彈射系統主要采用裝配式燃氣發生器。應用于發射動力系統的燃氣發生器工作原理類似于固體火箭發動機，燃氣發生器中的火藥在極短的時間內通過燃燒的方式轉變為熱能，通過噴管排入到密閉容器內，建立一定的壓力、形成可將導彈推出發射筒的彈射力，其工作性能直接關系到動力系統內彈道指標的實現[36]。

除上述提及的應用之外，燃氣發生器在艦船領域的應用還涉及到救生筏、沉船打撈以及艦載無人機等[35]。

圖4 冷發射導彈動力系統組成Fig.4 Cold launching power system of missile

1.3 石油及汽車行業

作為發動機的燃氣輪機，其應用不僅僅局限于上述提及的航空航天和艦船領域，在石油行業應用同樣廣泛，而且職能不單一，如在海上采油各種功能的平臺上不僅可以帶動發電機組，還可以用于驅動壓縮機，效益同樣良好。海上采油氣平臺采用燃氣輪機有其特有的優勢：滿足電力系統的獨立性、效率高及啟動快等特點；“就地取材”，可利用海上開采平臺獲取的天然氣作為燃料，由此有效防止了因開采平臺距離陸地較遠，帶來的如燃料運輸不便、危險及高額運輸費等問題。此外，解決了因開采平臺空間狹小，引發的燃料難以大量儲存的問題[18,39]。應用于海上采油氣的常規燃氣輪機發電機組及供風示意圖如圖5所示[39]，其中，作為關鍵部件之一的燃燒室，即為一種燃氣發生器。在能源緊缺的今天，不同于飛機發動機所采用的高級航空汽油、其他發動機上采用的汽油或經處理的輕質燃油等帶來的價格昂貴、燃料運輸與儲存要求高等問題，燃氣輪機憑借其“就地取材”的燃油優勢，在海洋采油設施上得到了更為廣泛的應用。

圖5 常規燃氣輪機發電機組及供風系統示意圖Fig.5 Generator set and air supplying system of conventional gas turbine

在汽車工業發展中，為了保證人們的生命財產安全，需要不斷地提升汽車的安全性能。而安全氣囊則是汽車安全系統的關鍵核心，影響安全氣囊性能的決定性組件則是燃氣發生器，其工作流程為：一旦汽車產生碰撞，點火系統則接收到由控制系統發生的指令，快速點燃燃料，燃燒得到的氣體經過過濾裝置處理后進入氣袋，氣袋快速膨脹，從而將乘客隔離開，保證了乘車人的安全。

燃氣發生器的性能直接關乎安全氣囊打開的質量[27-28]，由此關于汽車安全氣囊的燃氣發生器研究同樣熱門[29-30]，常用的安全氣囊燃氣發生器如圖6所示，主要組成部件包括金屬外殼、氣體燃料、點火設備，以及過濾設備。目前來說，大部分汽車安全氣囊燃氣發生器所采用的燃料(例如氮化鈉)在生產及后處理過程中對環境及人身都會帶來潛在的危險。由此，汽車開發商開始研發其他可替換的環保燃料，比如通過燃燒氫氣與空氣，以及采用惰性氣體等。此外，燃氣發生器的響應及產氣時間也是一項關鍵的指標，縮短燃氣發生器響應、產氣直至充滿安全氣囊的時間，將大大提升安全氣囊的安全性能。

圖6 汽車安全氣囊燃氣發生器結構示意圖Fig.6 Gas generator of automobile airbag

近年來，隨著汽車領域的飛速發展與道路條件的改善，汽車行駛的速度越來越快，汽車被動安全技術研究成為一項熱門課題，如汽車安全帶預緊器研究，該裝置一般由燃氣發生器、活塞、轉動輪和安全帶等組成。其工作原理為：當汽車發生碰撞時，電點火信號激發燃氣發生器的電點火頭，點燃燃氣發生器中的燃料，燃燒迅速產生大量的氣體，使活塞內的壓力急劇增加。高壓氣體使活塞運動并帶動驅動輪旋轉。旋轉的驅動輪使卷帶筒發生器轉動，而此時安全帶被順勢卷入卷筒上，達到安全帶被回拉的目的，從而限制或減緩乘員因慣性發生的前沖，可對乘員進行有效的保護。該項技術仍處在研究與發展階段[34]，與前文提及的汽車安全氣囊燃氣發生器類似，該項技術涉及燃氣發生器的主要研究方向包括：環保的燃料、快速燃燒技術及高產氣量等。

此外，燃氣發生器在汽車的緊急剎車制動裝置中同樣有所應用。

1.4 其他

隨著科學技術的發展，燃氣發生器不僅僅應用于航天航天、艦船領域及石油與汽車工業，根據其工作原理及特有的優勢，激光器壓力恢復系統、救生筏、應急滅火、軍用偽裝充氣假目標等研究中均有效采用了燃氣發生器[19-20,35]。

2 燃氣發生器工作原理及分類

為滿足各個領域不同的需求，燃氣發生器產生燃氣的途徑多樣化，按照工作原理的不同可分為三類：基于液體火箭發動機技術的燃氣發生器(簡稱基于液發技術的燃氣發生器)、基于航空發動機技術的燃氣發生器(簡稱基于航發技術的燃氣發生器)、基于固體火箭發動機技術與基于煙火技術的燃氣發生器(簡稱其他類型燃氣發生器)[1]。

2.1 基于液發技術的燃氣發生器

基于液體火箭發動機技術的燃氣發生器發展較早，應用較為廣泛。結構大同小異，典型的基于液發燃氣發生器結構如圖7所示，主要由噴注盤、燃燒室、噴管、點火系統及輔助系統等組成，在很多應用中，為了實現長時間工作，需要配套水冷系統。

圖7 基于液發燃氣發生器結構示意圖Fig.7 Structure diagram of gas generator based on liquid rocket engine

迄今為止，國內外學者通過理論分析[46]、數值計算[47-50]及試驗[51-55]等手段，開展了基于液發技術發生器的相關研究，主要集中在燃氣發生器的點火、出口均勻性及結構優化等方面[55-57]。

鐘戰[2]對基于液發技術的燃氣發生器的研究現狀進行了詳細闡述，并以低濃度酒精及氧氣/空氣為推進劑開展了試驗研究，分析了影響燃氣發生器點火與燃燒效率的因素，得到了提高其點火與燃燒效率的方法與措施。馮軍紅[7]、趙芳[8]結合數值仿真與試驗研究了噴嘴結構參數對空氣/酒精/氧氣三組元燃氣發生器噴注面板熱防護及燃燒性能的影響，并提供引用篩錐提高燃氣發生器出口燃氣的均勻性。

目前，基于酒精/空氣及酒精/氧氣的燃氣發生器技術較為成熟，但為了工程需要，很多學者也采用了其他組合推進劑，如空氣/煤油、低濃度過氧化氫/酒精分解補燃、液氧/甲烷、一氧化二氮/乙醇等[2,23-25]。

2.2 基于航發技術的燃氣發生器

基于航發技術的燃氣發生器是在渦輪噴氣式航空發動機和渦輪風扇式航空發動機燃燒室技術上改造而來。根據用途的不同，改造的方式方法也有區別，比如為了滿足燃氣輪機(艦船、電力發電、石油開采等)的使用要求，通過取消加力燃燒室、滿足長壽命及采用天然氣作燃料等要求進行改進設計[26]。

改造后用于提供引射工質的基于航發技術的燃氣發生器如圖8和圖9所示，主要由燃燒室機匣(含前后連接法蘭)、旋流器、火焰筒、噴嘴、點火裝置等組成，整體水平橫式布置[21-22]。

圖8 單管燃氣發生器結構示意圖Fig.8 Structure diagram of gas generator based on single tube combustor of aero-engine

圖9 環形燃氣發生器結構示意圖Fig.9 Structure diagram of gas generator basedon annular combustor of aero-engine

相比于基于液發技術燃氣發生器而言，以上兩種燃氣發生器均采用氣膜冷卻，可實現長時間工作運行，并縮小了輔助系統規模。與基于液發燃氣發生器類似，基于航發技術的燃氣發生器采用的推進劑同樣種類繁多，包括空氣/酒精、空氣/航空煤油等。

2.3 其他類型燃氣發生器

除了上述提及的兩類常用的燃氣發生器以外，基于固體火箭發動機技術及煙火技術的燃氣發生器也是應用相當廣泛的一類。此類燃氣發生器的氧化劑與燃燒劑均為固態形式，經過均勻混合之后以裝藥的形式直接貯存在燃燒室內，通過點火裝置點燃后產生高溫燃氣。典型的基于煙火技術的燃氣發生器(主要指汽車安全氣囊氣體發生器)如圖6所示，主要由發生器體、引藥、火藥、點爆裝置及線束連接器等組成，工作時通過線束進入點爆裝置，產生火花引爆引藥，火藥瞬時產生大量氣體。

基于固體火箭發動機技術的燃氣發生器結構如圖10所示，其組成部分主要包括殼體、固體推進劑、噴管組件及點火裝置等。該類發生器采用固態物質作為推進劑，固體推進劑點燃后在燃燒室中燃燒，產生高溫高壓燃氣，實現化學能轉化為熱能[43]。

此類燃氣發生器的特點在于可長期貯存，但存在工作時間短、重復啟動困難等缺點，僅適合一次性工作。

圖10 基于固發技術燃氣發生器結構示意圖Fig.10 Structure diagram of gas generator based on solid rocket engine

3 結束語

燃氣發生器憑借其種類繁多、響應快、適用性廣等特點，普遍應用于各行各業，特別適合于航空航天、航海等惡劣的使用環境，也成功推廣至石油及汽車等領域。未來，燃氣發生器將會在軍事、民用行業得到更加廣泛的應用，對于燃氣發生器的性能要求也將更為嚴苛。小型化、綠色推進劑、安全系數好及產氣效率高等高性能燃氣發生器勢必成為各領域研究的重點。