常規推進劑發動機高壓富氧燃氣燃燒處理方法與試驗

肖 虹，房喜榮，李 悅，李龍飛，孫海雨，王煥燃

(西安航天動力研究所, 陜西 西安 710100)

0 引言

富氧補燃循環液體火箭發動機燃氣發生器的混合比會遠大于推進劑的當量混合比[1-3]，發生器試驗時會產生大量的高壓富氧燃氣，其主要成分是氧化劑及其分解組分。當發動機選擇液氧/煤油或者液氧/甲烷等無毒推進劑時，發生器試驗過程中產生的富氧燃氣一般采用自然排放的方式[4-5]，排氣的成分中90以上是O2，其余是CO2和H2O。對于選用N2O4和肼類燃料作為推進劑的火箭發動機，發生器試驗過程中產生的富氧燃氣的成分大部分是NO2、NO等有毒的氮氧化合物，直接排放大氣會嚴重污染大氣環境[6-7]。因此，有必要對N2O4廢氣進行無毒化排放處理。

N2O4廢氣的處理方法主要有冷凝回收法、中和吸收法和高溫燃燒法[8-13]。冷凝回收法是通過降低廢氣溫度，使N2O4達到飽和冷凝析出，但是回收后的液體還需再次進行處理，只適用廢氣濃度高、溫度低、風量小的情況。中和吸收法是利用尿素等中和劑與N2O4發生反應，在處理高濃度、大流量的廢氣時，存在處理流程復雜、耗時長、設備龐大和使用場地受限的缺點。高溫燃燒法是向廢氣中噴射燃料進行補燃的方法，具有處理速度快、效率高、控制靈活等優點，適合在發動機試驗過程中對排氣進行實時處理。

國內尚無可以用于高壓大推力常規補燃火箭發動機試驗排氣的實時處理裝置。本文介紹了一種大流量常規推進劑富氧燃氣燃燒處理裝置的設計和試驗驗證情況，處理裝置成功完成了某高壓大推力常規補燃發動機富氧發生器半系統聯試的考核，實現了發動機有毒燃氣的安全環保排放。

1 廢氣濃度分析

四氧化二氮(N2O4)和偏二甲肼(C2H8N2)的化學當量混合比是3.06，常規補燃發動機的富氧發生器的實際混合比遠大于3.06，目的是生成溫度相對較低的燃氣，因此，發生器的燃燒產物中會有大量的氮氧化合物，排放會造成污染。

在常溫下，N2O4和NO2可以相互轉化;溫度超過140 ℃時，N2O4全部分解為NO2;溫度超過620 ℃時，NO2分解為NO和O2;溫度進一步提高，NO將完全分解成N2和O2[14]。

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(5)

圖1給出了某常規推進劑富氧發生器熱試的排氣照片。發生器的混合比接近20，其燃燒產物的主要成分是NO和O2，氮氧化合物的體積濃度超過了50。當燃燒產物排入環境大氣時，NO氧化生成大量的NO2，所以排氣呈現黃棕色。

圖1 某富氧發生器的點火照片

2 燃燒處理裝置

2.1 總體方案

燃燒處理裝置的作用是在常規補燃發動機富氧發生器半系統聯合試驗時，對試驗過程排放的大量有毒富氧燃氣進行實時補燃，達到無毒排放的目的。燃燒處理裝置的總體結構由降壓器和燃燒器兩部分組成，結構示意圖見圖2。處理裝置首先要解決的技術難題是降低高壓排氣的壓力，通常高壓補燃循環發動機發生器的燃燒壓力非常高，如RD-253發生器的室壓是24 MPa[15]，SSME發生器的室壓則高達33 MPa[16]，將發生器試驗的排氣壓力降低至合適的范圍，不僅可以大幅降低處理裝置的設計難度，也可以控制處理裝置的結構尺寸，方便在空間有限的發動機試驗臺上進行布局和裝卸。其次，需要突破富氧燃氣高效補燃的關鍵技術，實現發動機試驗排氣的無毒化。

圖2 燃燒處理裝置的結構示意圖

2.2 降壓器設計

降壓器的功能是大幅降低發生器試驗時的排氣壓力，采用兩級降壓實現排氣壓降比(排氣壓降與進口壓力之比)不小于0.85。其工作原理是:首先利用拉法爾噴管，使高壓排氣在噴管擴張段內膨脹加速形成超聲速氣流，在一定背壓的條件下，噴管擴張段內會產生激波，經激波后氣流壓力首次降低，不同的噴管擴張比可以適應不同的壓降比需求[17]；然后，在噴管出口設置多孔阻尼板，氣流在經過突縮和突擴流動后，壓力進一步降低，改變阻尼板的開孔率可以控制壓降比；最后，在降壓器的出口設置整流裝置，對降壓后的氣流進行整流，降低紊流度，導直氣流方向，保證進入下游燃燒器的氣流參數均勻[18-19]。

降壓器流道壓力分布的仿真計算結果如圖3所示，壓力損失主要集中在噴管擴張段和多孔阻尼板處，計算條件下降壓器的壓降比超過0.88。

圖3 降壓器內的壓力分布圖

2.3 燃燒器設計

經降壓整流后的富氧燃氣進入燃燒器，與燃燒器內噴注的燃料進行補燃生成高溫燃氣，通過調整混合比和燃燒溫度，控制燃氣中氮氧化合物的去除率。

選擇何種燃料是燃燒器設計的關鍵。文獻[11]選擇煤油作為燃燒處理N2O4的燃料，但是需要補充大量的空氣，一次空氣和一次煤油燃燒形成穩定的火焰，在高溫下二次煤油與N2O4反應，未完全反應的煤油再與二次空氣反應后排放，處理20 g/s的N2O4廢氣需要150 g/s的空氣量，當需要實時處理的廢氣量達到每秒百千克時，發動機試驗現場難以提供如此巨大的空氣量。考慮點火和燃燒特性，并結合試驗現場的條件，借鑒常規發動機推力室的燃燒技術，燃燒器的燃料選擇與發動機相同的偏二甲肼，與發動機不同的是，在燃料中摻入一定比例的水形成混水燃料，目的是調整燃燒器的總混合比，避免燃燒溫度過高，同時保證高的氮氧化合物去除率。為了驗證混水燃料的可行性，專題開展了混水燃料和富氧燃氣的補燃試驗，試驗的點火照片見圖4，結果表明，水與燃料的流量比在0～2.5的范圍變化時均能維持穩定的燃燒，但是隨著摻水比例的不斷增大，燃燒效率會有所降低，因此，為了獲得較高的燃燒效率，需要選取合適的摻水比例。

圖4 混水燃料的點火試驗

為了實現每秒超百千克燃料的噴注以及噴注的均勻性，燃燒器采用分級燃燒的設計思路[20]，在燃氣流動方向上選擇多個截面分別噴注混水燃料，結合了支桿噴射和壁面噴射多種燃料噴射方式，各噴射位置的燃料流量可以通過供應系統進行調節，匹配發動機不同工況試驗時的補燃需求。混水偏二甲肼與富氧排氣混合可以自燃，因此燃燒器不需要設計點火器。

3 試驗系統

處理裝置不能單獨進行點火試驗，需要與發生器聯合進行試驗。處理裝置在試驗臺上豎直安裝，采用斜拉桿固定和限位，進口端與發生器的排氣出口端通過法蘭相連。

處理裝置的試驗系統原理見圖5所示，主要包括混水燃料系統、冷卻水系統和氮氣吹除系統。制備好的混水燃料加注到燃料貯箱，由高壓氣體進行擠壓供應，采用流量計實時監控燃料流量，通過設置節流孔板匹配各路的燃料流量。冷卻水采用自來水，利用高位水池保證冷卻水的入口壓力，冷卻水流經處理裝置后不循環使用，直接排向外界大氣環境。

圖5 燃燒處理裝置的試驗系統原理圖

試驗過程包括起動前、起動、穩定工作和關機4個階段。起動前，冷卻水主閥先打開，對處理裝置進行冷卻，打開氮氣吹除閥，對處理裝置內通道進行吹掃；起動階段，發生器開始點火起動，當發生器的燃燒室建立起一定壓力后，處理裝置的各路燃料主閥依次打開，處理裝置的燃燒室點火，室壓開始迅速抬升；穩定工作階段，發生器達到額定工作狀態，排氣壓力維持在最高值，處理裝置的燃料供應流量達到設計值，室壓達到額定值并保持穩定；關機階段，切斷發生器的推進劑和處理裝置混水燃料的供應，同時開啟氮氣進行吹掃。

4 試驗結果分析

在某高壓大推力常規補燃發動機富氧發生器半系統聯合試驗中，處理裝置成功完成了試驗排氣的實時燃燒處理，降壓和補燃效果達到設計要求，具備適應發動機變工況的工作能力，多次試驗的數據的重復性較好。

4.1 降壓效果

圖6給出了試驗過程中降壓器進出口的排氣壓力曲線，圖中的縱坐標是無量綱排氣壓力，即實際排氣壓力與設計狀態的排氣壓力之比。發動機試驗的排氣在流經降壓器后，壓力顯著降低，在燃燒器點火前，出/進口壓比小于0.044。當燃燒器點火后，降壓器出口壓力隨之升高，出/進口壓比也隨之增大到0.115，但仍遠小于進口壓力，處理裝置的補燃過程不會對發動機的工作參數造成擾動。試驗過程中發動機進行了變工況調節，降壓器進口的排氣壓力隨發動機的工況提高而增大，出口壓力變化很小，降壓器的噴管擴張段內的激波位置發生下移，氣流速度增大，引起降壓幅度增大，表明降壓器可以自適應發動機變工況試驗的壓力調節。

圖6 降壓器進出口無量綱排氣壓力曲線

圖7給出了不同狀態點的排氣壓降比，圖中的橫坐標是狀態點，不同狀態點對應不同的進口排氣壓力，其中狀態1和狀態2為補燃前狀態，其余狀態點為補燃狀態。補燃前的壓降比可以達到95.5，補燃狀態的壓降比基本維持在88～89.2之間，與仿真結果的符合性較好，降壓器工作穩定，試驗的重復性較好。

圖7 不同狀態下的壓降比

4.2 燃燒特性

圖8給出了燃燒器工作過程的燃燒室壓力曲線。從室壓曲線的起動段可以看出，沒有出現明顯的點火延遲，點火過程迅速平穩，沒有壓力峰。在穩態工作段，室壓曲線的波動非常小(采樣頻率1 kHz)，燃燒過程非常穩定，室壓相對峰峰值小于1。在關機段，室壓快速下降,沒有出現關機沖擊。參考火箭發動機特征速度效率的評估方法，計算得到燃燒器的補燃效率在0.9左右。試驗結果表明，混水燃料的點火和燃燒穩定性與常規推進劑的特性基本相同，因為在燃料中摻混大量的水，燃燒效率會有所降低。

圖8 燃燒室的壓力曲線

4.3 處理效果

處理裝置內的NOx來自于未反應完的氧化劑，當混水燃料中的偏二甲肼(C2H8N2)與排氣中的四氧化二氮(N2O4)的混合比接近化學當量混合比時，補燃生成的產物是無毒的CO2、N2和H2O。為了避免在富燃條件下燃燒產生新的氮氧化合物，將混合比設定為略大于當量混合比。另外，通過調節燃料的混水比例，一方面降低補燃溫度，保證結構可靠；另一方面控制溫度不低于1 200 ℃，保證NO完全分解為N2和O2。

圖9是試驗過程中處理裝置的錄像截圖，其中圖9(a)是處理裝置點火前的排放照片，發動機試驗排氣經過處理裝置后排出，周邊環境中出現了大量的黃棕色氣體，處理裝置的周邊有噴水，對排氣進行稀釋；圖9(b)是處理裝置點火后的排放照片，噴口沒有再出現黃棕色氣體，而是明亮的燃燒火焰，發動機試驗產生的有毒富氧排氣經過補燃，得到了有效的無毒化處理，滿足常規發動機試驗的排放要求。

5 結論

通過對大流量常規推進劑富氧燃氣燃燒處理裝置的研制，國內首次對某高壓大推力常規推進劑補燃發動機半系統試驗進行了無毒化實時處理，獲得了幾點結論。

1)采用先進行燃氣流降壓，再進行摻水補燃的處理方法，實現了常規發動機試驗的氮氧排放物無毒化實時處理的目的。

2)驗證了激波—阻尼板這種多級降壓整流方式在大規模高壓富氧燃氣流動場合應用的可行性，試驗壓降比值達到95.5。

3)采用大比例摻水、分級燃燒方法處理燃氣中氮氧化物，可以同時實現燃燒溫度、混合比等關鍵參數的控制，在保證中和化學反應的同時，避免了熱力型氮氧化物的二次生成，補燃效率達到0.9以上。