不同粘合劑改性硼基粉末燃料點(diǎn)火燃燒特性

鄧 哲，楊建剛，胡春波，張力鋒，李 超，魏曉琳

(1.西安近代化學(xué)研究所，西安 710065；2.西北工業(yè)大學(xué) 燃燒、熱結(jié)構(gòu)和內(nèi)流場重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072；3.陸裝駐西安地區(qū)第七軍代室，西安 710065；4.西安交通大學(xué) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，西安 710049；5.山西北方興安化學(xué)工業(yè)有限公司，太原 030038)

0 引言

粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)是以高能金屬或硼等粉末為燃料，以沖壓空氣為氧化劑和工質(zhì)的一類新型沖壓發(fā)動機(jī)[1]。粉末燃料在流化氣作用下，以氣固兩相形式流動，因此具有較強(qiáng)的流率調(diào)控性，使粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)具備多次啟動和推力調(diào)節(jié)功能。

在眾多粉末燃料中，硼由于自身較高的能量特性以及兩相流損失小等優(yōu)異性能，被認(rèn)為是具有很大應(yīng)用潛力的粉末燃料[2]。目前，粉末沖壓發(fā)動機(jī)的研制中已經(jīng)突破了氣壓驅(qū)動式供粉技術(shù)、發(fā)動機(jī)多次點(diǎn)火技術(shù)、發(fā)動機(jī)時序控制技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了推力調(diào)節(jié)功能[3]。但還存在燃燒效率不高、燃燒組織方案有待優(yōu)化等問題[3-4]。分析原因，主要是由于硼點(diǎn)火燃燒過程中存在點(diǎn)火性能較差和燃燒效率較低兩大難題。雖然通過采用小粒徑的無定型硼粉有利于點(diǎn)火延遲時間的縮短和燃燒效率的提高，但對粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)來說，使用小粒徑的硼粉會降低顆粒堆積密度[5-6]，不利于發(fā)動機(jī)能量性能的提升。因此，不同于傳統(tǒng)的硼顆粒改性[7-20]，硼基粉末燃料改性需要同時兼顧粉末燃料的儲存輸運(yùn)性能和點(diǎn)火燃燒性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料及樣品制備

首先，使用GAP對硼粉進(jìn)行包覆團(tuán)聚處理。研究中，使用的硼粉是遼濱化工生產(chǎn)的純度為96%的無定型硼粉。由于粘合劑含量越多，硼顆粒包覆團(tuán)聚效果越好，獲得的顆粒形狀越規(guī)則，對提升硼顆粒的堆積密度與流化輸送性能越有利。但粘合劑含量太高會帶來比沖降低的問題，因而粘合劑的用量必須有一定的范圍限制。為此，本文分別使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%、10%、18%和30%的GAP對硼粉進(jìn)行預(yù)處理。作為對比，采用HTPB對硼粉進(jìn)行包覆團(tuán)聚，具體工況參數(shù)如表1所示。采用較為常用的重結(jié)晶法對硼基粉末燃料進(jìn)行包覆處理，并采用擠出滾圓法對包覆后的顆粒進(jìn)行團(tuán)聚。具體步驟如下：利用選定的有機(jī)溶劑及添加劑按一定配比配制溶液溶解粘合劑；按一定配比稱量硼粉；將硼粉加入到配置好的溶液中攪拌使其分散均勻；放入帶有加熱器的攪拌器中持續(xù)攪拌；待溶液蒸發(fā)至一定程度，得到的膏體狀的粉末燃料，利用擠出滾圓法對其進(jìn)行團(tuán)聚造粒；對得到的粉末燃料顆粒進(jìn)行固化干燥處理，然后用不同目數(shù)的篩分網(wǎng)進(jìn)行篩分，分選出不同粒徑范圍的團(tuán)聚處理后的粉末燃料顆粒。采用GAP預(yù)處理的各樣本宏觀形貌與微觀形貌分別如圖1所示。

表1 不同硼基粉末燃料樣本配方

由圖1可知，1#包覆團(tuán)聚硼粉的宏觀形貌與微觀形貌和純硼粉類似，說明5%含量的GAP并不能將硼粉完全包覆，導(dǎo)致1#樣品的粒徑很小，形狀十分不規(guī)則，粘聚現(xiàn)象明顯。2#樣品和3#樣品的宏觀形貌和微觀形貌類似，顆粒形狀也不規(guī)則，顆粒之間具有一定的粘聚性。4#樣品的顆粒粒徑較大，流化性能好，形狀較規(guī)則。

HTPB包覆團(tuán)聚硼粉的宏觀形貌與微觀形貌分別如圖2所示(5#樣本)。點(diǎn)火燃燒實(shí)驗(yàn)研究中，考慮到1#樣本粘合劑含量太低，導(dǎo)致硼顆粒并不能完全包覆，因此只針對2#～5#樣本開展研究。研究中，為保證激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每個樣品均進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，在進(jìn)行點(diǎn)火延遲時間和燃燒時間的定量分析時，也選擇重復(fù)性較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

(a)Sample 1# (b)Sample 2#

(c)Sample 3# (d)Sample 4#

圖2 采用HTPB預(yù)處理的樣本宏觀形貌與微觀形貌

1.2 燃燒性能測試

1.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

基于光纖光譜儀測量技術(shù)，對硼基粉末燃料的點(diǎn)火燃燒性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，由密閉燃燒器、點(diǎn)火模塊、采集模塊、觸發(fā)模塊、氣壓控制模塊等部分組成。燃燒器開設(shè)兩扇石英玻璃窗，同時進(jìn)行光譜和高速攝影圖像采集。實(shí)驗(yàn)時，統(tǒng)一稱取20 mg試樣均勻攪拌，置于圓柱形Al2O3坩堝中。

點(diǎn)火模塊采用功率為150 W的CO2激光點(diǎn)火器加熱顆粒樣品，激光光斑的能量經(jīng)過鍺玻璃凸鏡聚焦后調(diào)節(jié)為480～510 W/cm2。采集模塊使用型號Avaspec-2048的AVANTES光纖光譜儀，采集樣本燃燒過程中的可見光光譜，光譜儀最小采集時間間隔為1.05 ms，并使用M340高速攝像機(jī)拍攝燃燒現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中，通過觸發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)激光點(diǎn)火器、光譜儀和高速攝像機(jī)同時觸發(fā)。研究中，實(shí)驗(yàn)壓強(qiáng)均保持0.1 MPa。

圖3 CO2激光點(diǎn)火-光纖光譜診斷實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2.2 數(shù)據(jù)分析方法

事實(shí)上，由于硼基粉末燃料中添加了粘結(jié)劑，而粘結(jié)劑屬于易燃組分，在相同條件下，其點(diǎn)火性能要優(yōu)于硼。因此，在進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)時，這類物質(zhì)會先于硼粉被點(diǎn)燃，其燃燒產(chǎn)生的火焰會對硼的氣相火焰產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致使用高速相機(jī)的分析方法難以準(zhǔn)確判斷硼的真正點(diǎn)火時刻。因此，將通過光譜儀采集光譜信號來判斷硼的點(diǎn)火延遲時間。高速攝影則用于記錄硼基粉末燃料的點(diǎn)火燃燒過程和火焰形貌等。硼顆粒作為硼基粉末燃料的主要組成物質(zhì)，硼基粉末燃料的點(diǎn)火燃燒性能主要由硼來決定。硼在點(diǎn)火和燃燒過程中均會生成氣相產(chǎn)物BO2，由于該物質(zhì)的發(fā)射光譜非常強(qiáng)，且發(fā)光顏色為綠色，因此可采用光譜儀監(jiān)測該物質(zhì)的光譜信號出現(xiàn)時間來判斷點(diǎn)火延遲時間與燃燒時間。由于BO2是氣相產(chǎn)物，所以其發(fā)射光譜是不連續(xù)的，表2給出了BO2光譜信號的特征波長[21]。

一是頂層設(shè)計(jì)，尋求整合的體制支持。在體制機(jī)制的層面，著力解決以下問題：讓制度有保障。目前體制和機(jī)制下，文化禮堂、成校歸口不同部門，平時雖有聯(lián)系，有互動，但停留在“接觸性”而非“整合性”的層面，組織化程度不高。雖然，成校校長、教師和村居文化禮堂的管理部門彼此之間也在進(jìn)行互動和聯(lián)系，但這種接觸性的努力，更多的還是依靠個人人脈、人情。這種非制度性的模式，往往是不可靠和不可持續(xù)的，要發(fā)揮政府“自上而下”的頂層設(shè)計(jì)與制度保障，以實(shí)現(xiàn)資源的整合與統(tǒng)籌管理。

表2 BO2光譜信號的特征波長

研究中，點(diǎn)火延遲時間的定義為激光器啟動時刻到光譜儀接收到BO2光譜信號的時間。當(dāng)光譜儀不再接收到BO2光譜信號，或者高速相機(jī)不再記錄到明顯火焰，則認(rèn)為硼顆粒燃燒過程結(jié)束，這一區(qū)間認(rèn)為是燃燒時間。這里的燃燒時間與文獻(xiàn)[12]中單顆粒硼燃燒時間的物理意義存在一定差異，此處硼顆粒的燃燒是顆粒群的燃燒，而且通常實(shí)驗(yàn)工況中顆粒群處于貧氧條件。因此，文中定義的燃燒時間本質(zhì)上描述的是硼顆粒自維持燃燒的時間。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過對比2#GAP團(tuán)聚硼粉與5#HTPB團(tuán)聚硼粉的點(diǎn)火燃燒試驗(yàn)結(jié)果，來研究粘結(jié)劑類型對硼基粉末燃料點(diǎn)火燃燒性能的影響。實(shí)驗(yàn)所用兩種硼基粉末燃料樣本的粒徑范圍均在80～90 μm范圍內(nèi)。以下選取兩組樣本的典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，圖4給出了兩組典型工況的硼基粉末燃料點(diǎn)火燃燒過程光譜圖。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光點(diǎn)火觸發(fā)后110.5 ms，GAP團(tuán)聚硼粉的光譜曲線即出現(xiàn)明顯的五指峰狀BO2光譜信號，直到251.1 ms，光譜強(qiáng)度達(dá)到最大，如圖4(a)所示。相比之下，HTPB團(tuán)聚硼粉直至t=1230.1 ms時刻才出現(xiàn)BO2特征光譜信號，到1680.3 ms時，光譜強(qiáng)度達(dá)到最大，如圖4(b)所示。這說明相比于HTPB，GAP對硼的點(diǎn)火提升作用非常明顯。這是由于GAP的分解產(chǎn)物包含大量的H2(約32%)[22]，繼而會生成大量H2O蒸汽，而H2O蒸汽對硼的點(diǎn)火有明顯的促進(jìn)作用。與此同時，GAP分解過程產(chǎn)生的疊氮化物會具有正的生成焓和獨(dú)立燃燒的特點(diǎn)，從而有助于硼粉溫度的快速提升，加速了硼的點(diǎn)火燃燒過程。

(a)10% GAP (b)10% HTPB

圖5和圖6分別給出了GAP與HTPB團(tuán)聚硼粉的點(diǎn)火燃燒過程高速攝影拍攝結(jié)果。其中，(a)為樣本發(fā)出明顯光亮?xí)r刻的圖像，認(rèn)為此時樣本點(diǎn)火成功；(b)為樣本燃燒過程錄像截圖。

從圖5和圖6的對比中也能明顯看出，GAP團(tuán)聚硼粉的火焰較大，燃燒強(qiáng)度很高，火焰中能夠明顯觀察到BO2的綠色火焰分布在火焰外層，而HTPB團(tuán)聚硼粉中硼的燃燒強(qiáng)度較為微弱，綠色火焰信號不明顯。

圖7給出了不同粘結(jié)劑類型下硼基粉末燃料平均點(diǎn)火延遲時間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其中10% GAP團(tuán)聚硼顆粒的平均點(diǎn)火延遲時間為100.7 ms，遠(yuǎn)低于10% HTPB團(tuán)聚的硼粉樣本。可見，相比于HTPB預(yù)處理，GAP對硼的點(diǎn)火過程提升非常明顯。

(a)Ignition moment (b)Combustion process

(a)Ignition moment (b)Combustion process

圖7 不同粘結(jié)劑類型下硼基粉末燃料點(diǎn)火延遲時間

通過2#、3#、4#GAP含量10%、18%和30%的團(tuán)聚硼粉樣本，來研究粘結(jié)劑含量對硼基粉末燃料點(diǎn)火燃燒性能的影響。研究中，所用硼基粉末燃料的粒徑范圍依然在80～90 μm范圍內(nèi)。以下對各組樣本的典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，圖8為18%和30% GAP含量硼基粉末燃料的點(diǎn)火時刻與燃燒時刻光譜。從圖8中可看出，兩個樣品的點(diǎn)火延遲時間分別為80.9 ms與47.2 ms。結(jié)合10% GAP含量的粉末燃料樣本實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，硼基粉末燃料的點(diǎn)火時間隨著GAP含量的增加而減小。這是因?yàn)镚AP含量越多，在激光加熱條件下的分解放熱也越多，樣本內(nèi)硼顆粒的升溫速率更快，硼表面的氧化膜蒸發(fā)速率也越快。因此，硼的點(diǎn)火延遲時間越短。從圖4(a)、圖8中光譜信號的強(qiáng)度對比還可看出，隨著GAP含量的增加，硼基粉末燃料燃燒過程的強(qiáng)度也越大。

圖9和圖10分別為18% GAP、30% GAP含量團(tuán)聚硼點(diǎn)火成功時刻和燃燒時刻的圖像。

(a)18% GAP pretreatment boron powder (b)30% GAP pretreatment boron powder

(a)Ignition moment (b)Combustion process

(a)Ignition moment (b)Combustion process

結(jié)合圖5中10%GAP含量團(tuán)聚硼的點(diǎn)火成功時刻和燃燒時刻圖像，由圖9和圖10可看出，三者所表現(xiàn)出來的點(diǎn)火燃燒現(xiàn)象基本一致，即都表現(xiàn)出較大的火焰和很高的燃燒強(qiáng)度，并且火焰中能夠明顯觀察到BO2的綠色火焰，而30% GAP含量團(tuán)聚硼的火焰分布區(qū)域則更大，這主要是由于點(diǎn)火成功后GAP熱解產(chǎn)生的大量燃?xì)鈺?dǎo)致硼顆粒分布在更大的空間范圍內(nèi)。與10%和18% GAP含量樣本堆積在坩堝內(nèi)完成燃燒過程不同，此時30% GAP含量樣本顆粒在空間的離散情況更好，分散在空間內(nèi)的硼顆粒與氧氣有著更好的接觸，因而能夠在更短的時間內(nèi)快速燃盡。

圖11為不同GAP粘結(jié)劑含量下硼基粉末燃料點(diǎn)火延遲時間和自持燃燒時間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。可見，隨著GAP含量由10%提升到30%，硼基粉末燃料的平均點(diǎn)火延遲時間由100.7 ms縮短至45.1 ms。

圖11 不同粘結(jié)劑含量下硼基粉末燃料點(diǎn)火延遲時間

3 結(jié)論

(1)提高GAP含量，可顯著降低顆粒之間的粘聚現(xiàn)象，改善顆粒形狀規(guī)則程度，其含量達(dá)到30%時，顆粒粒徑較大、形狀規(guī)則，流化性能好。未來還需深入開展硼基粉末燃料流化特性研究。

(2)相同含量下，GAP團(tuán)聚硼顆粒的平均點(diǎn)火延遲時間明顯低于HTPB團(tuán)聚硼粉樣本的點(diǎn)火延遲時間；提高GAP含量，有助于縮短硼基粉末燃料的平均點(diǎn)火延遲時間。

(3)樣本內(nèi)GAP含量達(dá)到30%時，GAP熱解產(chǎn)生的大量燃?xì)鈺倥痤w粒在空間的離散，使顆粒與氧氣有更好接觸，進(jìn)而促進(jìn)顆粒快速燃燒。但本文實(shí)驗(yàn)條件為靜態(tài)點(diǎn)火燃燒，實(shí)際研究中，還需考慮燃燒室內(nèi)空氣與燃料燃燒組織方式的影響。