基于3D打印的過(guò)氧化氫/煤油再生冷卻推力室設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

卞香港, 李龍飛,王化余,凌前程,宋大亮

(西安航天動(dòng)力研究所,陜西 西安 710100)

0 引言

過(guò)氧化氫被認(rèn)為是當(dāng)前推進(jìn)劑向無(wú)毒化方向發(fā)展最有潛力的選擇之一,它與烴類燃料組合的雙組元推進(jìn)劑具有眾多優(yōu)點(diǎn),如冷卻性能好、無(wú)毒無(wú)污染、密度比沖高,其綜合性能高于其他的可貯存推進(jìn)劑[1-2]。在未來(lái)航天領(lǐng)域中過(guò)氧化氫發(fā)動(dòng)機(jī)也必將具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。推力室是發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中唯一主要產(chǎn)生推力的組件,是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的核心組件,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和可靠性起著關(guān)鍵作用。在工程研制中,推力室關(guān)鍵技術(shù)的快速驗(yàn)證能顯著地縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的研制周期,而在關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證階段,產(chǎn)品的加工周期占據(jù)了大部分時(shí)間。

近些年,隨著增材制造技術(shù)(3D打印技術(shù))的快速發(fā)展,3D打印在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越多[3-6]。在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室的設(shè)計(jì)和加工過(guò)程中,3D打印優(yōu)勢(shì)明顯,如零件少、連接強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、研制周期短,成本低。迄今為止,國(guó)內(nèi)外已有多款發(fā)動(dòng)機(jī)采用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)的快速驗(yàn)證。2019年2月,歐洲航天局ESA完成了全尺寸3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的首次熱試車。2022年4月,Relativity在NASA斯坦尼斯航天中心對(duì)采用3D打印技術(shù)開發(fā)的使用LOx/煤油推進(jìn)劑的E-2火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行推力測(cè)試,10 MPa燃燒壓力下推力達(dá)到100 kN左右。2022年7月,美國(guó)大熊座火箭動(dòng)力公司(Ursa Major)交付了首個(gè)銅基3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室,將生產(chǎn)和交付周期由6個(gè)月縮短為1個(gè)月。2022年8月,Relativity Space公司宣布將發(fā)射第一枚常規(guī)3D打印火箭Terran 1,這將成為增材制造和火箭發(fā)射領(lǐng)域的重要里程碑。國(guó)內(nèi)很多研究所和民營(yíng)航天公司在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制過(guò)程中也大量使用了3D打印技術(shù),如深藍(lán)航天采用3D打印的液氧/煤油推力室進(jìn)行了長(zhǎng)程試車;空天引擎的“炎馭一號(hào)”系列發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件推力室、燃?xì)獍l(fā)生器等均采用3D打印工藝路線。

目前,3D打印技術(shù)已在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。過(guò)氧化氫作為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑雖然已具有80多年的使用歷史[1],但在具體工程研制過(guò)程中依舊有許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題需要快速驗(yàn)證,如低壁溫可靠熱防護(hù)技術(shù)、高效穩(wěn)定燃燒技術(shù)。本文針對(duì)3 kN過(guò)氧化氫/煤油推力室開展基于3D打印的推力室設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究,實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)的快速驗(yàn)證。

1 基于3D打印的推力室設(shè)計(jì)

1.1 推力室設(shè)計(jì)參數(shù)

本文的過(guò)氧化氫/煤油推力室設(shè)計(jì)推力3 kN,通過(guò)計(jì)算,推力室燃燒效率需達(dá)到95%以上才能滿足性能要求,因此在推力室設(shè)計(jì)過(guò)程中,應(yīng)在身部可靠熱防護(hù)的前提下實(shí)現(xiàn)高效燃燒。

高校編輯出版學(xué)專業(yè)畢業(yè)生并不被市場(chǎng)編輯出版業(yè)所青睞和認(rèn)可，兩者之間的不兼容關(guān)系對(duì)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)造成一定的難度，失衡的人才培養(yǎng)結(jié)構(gòu)和單一陳舊的人才培養(yǎng)模式對(duì)于編輯出版業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了阻礙作用，這一問(wèn)題已經(jīng)引起編輯出版業(yè)的高度重視，多數(shù)人才培養(yǎng)模式都沒(méi)有達(dá)成統(tǒng)一共識(shí)，對(duì)于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)沒(méi)有做出明確的回答。筆者從自身的角度來(lái)看，基于對(duì)社會(huì)編輯出版業(yè)發(fā)展形勢(shì)的預(yù)測(cè)，應(yīng)當(dāng)從加強(qiáng)培養(yǎng)編輯出版人才的創(chuàng)新能力，已適應(yīng)新時(shí)代下社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為促進(jìn)編輯出版業(yè)的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2 推力室主要方案

過(guò)氧化氫/煤油推力室總體方案主要包括點(diǎn)火方案、噴注器方案和熱防護(hù)方案。點(diǎn)火方案主要包括自燃點(diǎn)火和催化分解點(diǎn)火[7-8]。自燃點(diǎn)火即在煤油中加入催化劑、添加劑等,與過(guò)氧化氫接觸后熱自燃,目前仍存在點(diǎn)火延遲期不穩(wěn)定、振動(dòng)大等問(wèn)題。催化分解點(diǎn)火方案相對(duì)成熟,所有過(guò)氧化氫通過(guò)催化劑床催化分解后與煤油點(diǎn)火燃燒。其優(yōu)點(diǎn)是燃燒穩(wěn)定性好,有利于推力室的多次啟動(dòng)。因此,點(diǎn)火方案選擇催化分解點(diǎn)火。

“春江水暖鴨先知”，涉及房地產(chǎn)業(yè)務(wù)的泛?？毓珊芸熳龀龇磻?yīng)。1月15日，泛?？毓上蛏罱凰暾?qǐng)停牌，擬通過(guò)實(shí)施重大資產(chǎn)重組，將境內(nèi)外房地產(chǎn)業(yè)務(wù)整體剝離并置出上市公司，同時(shí)置入優(yōu)質(zhì)金融資產(chǎn)。擬出售的資產(chǎn)為泛?？毓沙钟械木硟?nèi)全資子公司武漢中央商務(wù)區(qū)建設(shè)投資股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“武漢公司”，7月25日更名為武漢中央商務(wù)區(qū)股份有限公司）股權(quán)和境外全資子公司中泛集團(tuán)有限公司相關(guān)資產(chǎn)。

推力室熱防護(hù)設(shè)計(jì)的基本要求是保證室壁溫度在材料允許的范圍內(nèi)。本文推力室采用成熟的再生冷卻技術(shù),因過(guò)氧化氫的流量和冷卻能力大于煤油,選擇過(guò)氧化氫作冷卻劑。額外增加邊區(qū)煤油液膜冷卻,實(shí)現(xiàn)冷卻閉環(huán)。

學(xué)校雖然是學(xué)生德育的主渠道，但僅靠學(xué)校自身的力量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因而學(xué)校要以大德育觀為工作思路，使家庭、社會(huì)等各種教育力量都參與到網(wǎng)絡(luò)德育工作中，形成學(xué)校、家庭、社會(huì)三位一體的德育教育格局，使三者在教育功能上取長(zhǎng)補(bǔ)短，互為補(bǔ)充，相得益彰，產(chǎn)生整體效應(yīng)，為中學(xué)生的健康發(fā)展構(gòu)建和諧的平臺(tái)。

1.3 推力室設(shè)計(jì)

在推力室主要方案確定的基礎(chǔ)上,進(jìn)行基于3D打印的推力室設(shè)計(jì)。推力室結(jié)構(gòu)主要包括催化分解室、噴注器、身部等組件。

1.3.1 催化分解室設(shè)計(jì)

催化分解室主要由頭部、催化劑床組成。頭部采用直流噴注,保證過(guò)氧化氫流經(jīng)催化劑床整個(gè)橫截面時(shí)流量分配均勻穩(wěn)定[9]。頭部整體3D打印將入口供應(yīng)管、外壁、噴注盤、支撐板以及測(cè)壓座一體化打印,零件數(shù)目由5個(gè)降低至1個(gè)。為更好地適應(yīng)3D打印工藝,型面設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了大量倒圓,入口處結(jié)構(gòu)設(shè)置為“水滴型”,所有部位均圓滑過(guò)渡。焊縫數(shù)目減少至0,實(shí)現(xiàn)了高連接強(qiáng)度。生產(chǎn)周期縮短至50%,制造成本降低至40%。3D打印頭部如圖1所示。

圖1 3D打印頭部Fig.1 3D printed head

破碎點(diǎn)的軸向距離為

噴注器的設(shè)計(jì)不僅要考慮主路燃料與高溫富氧燃?xì)獾幕旌虾腿紵?還要兼顧邊區(qū)燃料液膜對(duì)壁面的冷卻作用。采用流量公式對(duì)兩路的噴孔直徑進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,保證了合適的噴注壓降和液氣動(dòng)量比。

橫向式噴注器燃料的霧化主要是依靠氣流對(duì)燃料射流的氣動(dòng)力,射流軌跡顯著地影響了燃料在分解氣通道的分配和霧化,其很大程度地依賴于氣體、液體物性參數(shù)和流動(dòng)參數(shù)。文獻(xiàn)[10-13]對(duì)橫向噴入亞聲速交叉流中的液體射流軌跡進(jìn)行了研究,并得出了許多用于預(yù)估液體射流軌跡的經(jīng)驗(yàn)公式,本文采用Wu等通過(guò)實(shí)驗(yàn)預(yù)估的射流軌跡公式[14]。使用該經(jīng)驗(yàn)公式可以確定破碎點(diǎn)處燃料射流的貫穿情況,很好地說(shuō)明燃燒室中燃料的分布情況,公式如下。

圖6為推力室的壓力、溫度云圖和流線圖。燃燒室內(nèi)壓力分布均勻,壓力值為1.794 MPa,從噴管收斂處開始,隨著燃?xì)饬魉俚脑黾?壓力不斷降低。推力室的溫度分布能夠揭示推力室內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的主要分布區(qū)域,煤油液滴垂直地噴射進(jìn)高溫的亞聲速富氧燃?xì)?氣流對(duì)射流產(chǎn)生氣動(dòng)力,使射流發(fā)生偏轉(zhuǎn),改變了大多數(shù)液滴軌跡。液滴從周圍的高溫燃?xì)庵形鼰嵫杆僬舭l(fā),此區(qū)域溫度較低。蒸發(fā)出的煤油蒸氣與高溫氧氣剪切摻混后部分自燃,這使煤油液滴噴注液柱附近區(qū)域溫度較高。煤油和富氧燃?xì)膺M(jìn)入燃燒室后,氧氣與煤油的摻混加強(qiáng),火焰面逐漸向中心和壁面發(fā)展。推力室臺(tái)階處有明顯的低溫區(qū),由于中心處火焰的熱膨脹作用對(duì)低溫區(qū)形成擠壓,在臺(tái)階附近形成低溫回流區(qū)。隨后燃燒不斷發(fā)展,燃?xì)鉁囟炔粩嗌仙?至噴管收斂段,火焰尚未覆蓋整個(gè)燃燒室截面,燃?xì)庾罡邷囟冗_(dá)到3 000 K左右,與理論計(jì)算溫度2 740 K相比偏高,這主要是由于受計(jì)算條件限制,用氣氧/煤油單步化學(xué)反應(yīng),沒(méi)有考慮復(fù)雜的離解反應(yīng),忽略了燃?xì)怆x解需吸收大量的熱。

(1)

1.3.2 噴注器設(shè)計(jì)

xb=8.06d

(2)

1.3 神經(jīng)功能評(píng)價(jià) (1)NIHSS：分別在入院時(shí)、溶栓24 h及入院7 d時(shí)進(jìn)行評(píng)估；總分0～42分，小于1分為趨于正?；蛘?，1～4分為輕度神經(jīng)功能缺損，5～15分為中度神經(jīng)功能缺損，>15分為重度神經(jīng)功能缺損。(2)改良Rankin量表評(píng)分(mRS)：在患者出院時(shí)及發(fā)病90 d時(shí)進(jìn)行神經(jīng)功能恢復(fù)狀況評(píng)估，分為5級(jí)，其中0～2級(jí)為預(yù)后良好，3～5級(jí)為預(yù)后不良及死亡。(3)溶栓結(jié)果評(píng)價(jià)：出血事件、發(fā)病90 d死亡率、發(fā)病90 d mRS評(píng)分。

(3)

式中：d為液體噴嘴直徑;Q為液氣動(dòng)量通量比,其表達(dá)式為

(4)

式中：ρl、ρg分別為氣體和液體的密度;vl、vg分別為氣體和液體的速度。

在單一影響因素研究基礎(chǔ)上，越來(lái)越多的學(xué)者將各因素有機(jī)結(jié)合并進(jìn)一步提出新的合作關(guān)系影響因子。仇明全(2007)提出了相互依賴、信任、協(xié)作與承諾等因素[11]。李錚(2008)進(jìn)一步歸結(jié)為企業(yè)自身利益取向、合作利益取向、合作交互性、合作共享性與政府行為五大因素[12]。

1.3.3 身部設(shè)計(jì)

圖2 燃料液柱的射流軌跡Fig.2 Jet trajectory of the fuel liquid column

因噴注器的煤油噴注小孔3D打印精度不足,可能影響流阻特性,所以僅對(duì)噴注器的燃料外環(huán)零件采用3D打印方案,將外環(huán)、燃料入口、測(cè)壓座和測(cè)壓接管嘴集成一體化打印,零件數(shù)目由5個(gè)降低至1個(gè),連接強(qiáng)度更高。生產(chǎn)周期縮短至30%,制造成本降低至50%。燃料外環(huán)如圖3所示。

圖3 3D打印燃料外環(huán)Fig.3 3D printed fuel outer ring

計(jì)算出的燃料液柱的射流軌跡如圖2所示,燃料射流在達(dá)到中心線前已經(jīng)開始破碎(x=5.077 8 mm),可以實(shí)現(xiàn)較好的分布。

智慧校園的本質(zhì)因人而建，服務(wù)于人，通過(guò)智能互聯(lián)網(wǎng)和商業(yè)數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，智能地提供一些預(yù)定的場(chǎng)景，為師生提供個(gè)性化的服務(wù)。圖1顯示了智慧校園的平臺(tái)架構(gòu)，其中后端是多種技術(shù)和多種系統(tǒng)的IT基礎(chǔ)架構(gòu)做支撐，在實(shí)時(shí)環(huán)境中，通過(guò)智能物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)為師生提供豐富多彩的應(yīng)用和服務(wù)。

身部采用過(guò)氧化氫再生冷卻+煤油液膜冷卻的方案。冷卻通道采用銑槽式結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)具有內(nèi)壁剛度好、傳熱面積較大等優(yōu)點(diǎn),材料選擇與過(guò)氧化氫相容性較好的不銹鋼。經(jīng)過(guò)幾輪傳熱計(jì)算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,冷卻通道的結(jié)構(gòu)尺寸可以同時(shí)滿足身部?jī)?nèi)壁最高溫和出口過(guò)氧化氫溫度低于許用溫度。由于身部結(jié)構(gòu)尺寸小,傳統(tǒng)銑槽后焊接的工藝焊縫超過(guò)150條,加工難度大且周期長(zhǎng)。在身部設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮3D打印工藝,將身部?jī)?nèi)外壁一體化建模設(shè)計(jì)。此外,考慮到3D打印后產(chǎn)品可能存在的尺寸偏差,對(duì)重要尺寸部位提前進(jìn)行了工藝試驗(yàn)。3D打印前根據(jù)工藝試驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型的尺寸進(jìn)行了微調(diào),保證了實(shí)際加工產(chǎn)品與設(shè)計(jì)參數(shù)基本無(wú)差異。

破碎點(diǎn)的橫向高度為

因采用3D打印一體化加工方式,由噴管出口向圓柱段打印,焊縫數(shù)目降低至0,生產(chǎn)周期縮短至40%,制造成本降低至30%。實(shí)現(xiàn)了再生冷卻身部快速、高效制造。身部加工完成后,采用熒光法、實(shí)時(shí)成像X光對(duì)3D打印身部的質(zhì)量進(jìn)行檢查,對(duì)冷卻通道進(jìn)行了液壓氣密試驗(yàn)測(cè)試,產(chǎn)品質(zhì)量合格,表明身部3D打印工藝方法能滿足推力室的使用要求。

圖4為基于3D打印的過(guò)氧化氫/煤油推力室。3D打印技術(shù)在推力室的設(shè)計(jì)和加工上發(fā)揮了重要的作用,相比于傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝,累計(jì)縮短50%研制周期,降低40%制造成本,減少50%零件數(shù)量,減輕20%質(zhì)量,為推力室關(guān)鍵技術(shù)的快速驗(yàn)證奠定了基礎(chǔ)。

圖4 基于3D打印的過(guò)氧化氫/煤油推力室Fig.4 Hydrogen peroxide/kerosene thrust chamber based on 3D printing

2 推力室燃燒數(shù)值仿真

2.1 數(shù)學(xué)模型和幾何模型

推力室燃燒數(shù)值仿真的數(shù)學(xué)模型主要涉及控制方程、湍流模型、噴霧模型以及化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型等[15]。控制方程主要包括氣相控制方程與液相控制方程。氣相控制方程由歐拉坐標(biāo)系下的N-S方程表征;液相控制方程由拉格朗日坐標(biāo)系下的N-S方程對(duì)單個(gè)液滴進(jìn)行描述,采用顆粒軌道模型對(duì)液態(tài)煤油進(jìn)行模擬[16]。兩相間的耦合是通過(guò)在方程中添加相應(yīng)的源項(xiàng)來(lái)實(shí)現(xiàn),并引入合適的湍流模型使方程封閉。湍流模型選用Menter發(fā)展的SSTk-ω模型[17],它吸收了k-ε模型和k-ω模型的優(yōu)點(diǎn),在廣泛的流動(dòng)領(lǐng)域中具有更高的精度和可信度。

12點(diǎn)丁主任開始回家做飯了，在家里進(jìn)進(jìn)出出，潘美麗坐在家門口的一截木樁上，懶洋洋地曬太陽(yáng)。丁主任喚一聲吃飯了，潘美麗伸個(gè)懶腰，扭著肥肥的屁股回去。

采用簡(jiǎn)化的噴霧模型,忽略一次霧化過(guò)程,液體直接以離散相液滴的形式噴入燃燒室,而后引入相應(yīng)的液滴破碎、加熱、蒸發(fā)和燃燒模型,完成對(duì)噴霧燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬。受計(jì)算資源的限制,化學(xué)反應(yīng)模型選擇采用單步總包反應(yīng)[18]的渦耗散模型(EDM),其整體反應(yīng)速率由湍流混合控制。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型,忽略過(guò)氧化氫的催化分解過(guò)程,假設(shè)過(guò)氧化氫經(jīng)催化劑床后完全分解,高溫氧氣和水蒸氣直接噴入燃燒室與煤油自燃點(diǎn)火?？紤]到三維兩相流湍流燃燒數(shù)值仿真的計(jì)算量非常大,且推力室為中心對(duì)稱,為提高計(jì)算效率,采用包含一個(gè)煤油噴嘴的1/N模型作為計(jì)算域(N為煤油噴嘴數(shù)目)。

2.2 網(wǎng)格及邊界條件

2.2.1 網(wǎng)格劃分

采用ICEM軟件進(jìn)行六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分,圖5為推力室網(wǎng)格劃分結(jié)果,網(wǎng)格數(shù)量約43萬(wàn)。

圖5 推力室網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.5 Results of thrust chamber meshing

2.2.2 邊界條件設(shè)置

如圖5所示，當(dāng)故障發(fā)生在區(qū)段Z6，F(xiàn)I1、FI2、FI3、FI5均正常上報(bào)故障信息，故障指示器FI4漏報(bào)故障信息，其他故障指示器也無(wú)故障信息上報(bào)。仍設(shè)每個(gè)區(qū)段發(fā)生故障的概率一樣，λ取0.95，δ取0.1。

1)入口邊界條件。分解氣采用質(zhì)量入口,分解氣總溫取1 030 K;煤油采用了離散相模型作為入口邊界。

人民日?qǐng)?bào)印刷廠不僅是中國(guó)印刷技術(shù)進(jìn)步的見證者，更是印刷行業(yè)發(fā)展的領(lǐng)跑者。從黑白到彩色，從鉛印到膠印，每一期人民日?qǐng)?bào)都凝結(jié)著人民日?qǐng)?bào)印刷廠職工們的心血和汗水，承載著印刷廠全體職工的忠誠(chéng)和堅(jiān)守。

2)出口邊界條件。邊界條件取壓力出口邊界,出口壓力為大氣壓。

《齊》中“未”共43見，《周》中“未”共60見，數(shù)量上《周》略多于《齊》，但就“未”在各書中的比例，占《齊》5.1%，占《周》13.5%，可見“未”在南方較活躍。用法上，可以修飾謂語(yǔ)，可與副詞“嘗”連用修飾謂語(yǔ)，其后的代詞可作賓語(yǔ)前置，如：

3)壁面邊界條件。推力室壁面采用絕熱、無(wú)滑移的固體壁面邊界條件,并且壓力、各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度為0。離散相液滴碰撞到壁面時(shí)假設(shè)其保持球形反彈。

4)對(duì)稱邊界條件。對(duì)稱面處各參數(shù)的法向?qū)?shù)為0。

2.3 燃燒數(shù)值仿真結(jié)果與分析

本文采用商用軟件Fluent 進(jìn)行燃燒數(shù)值計(jì)算,考慮到邊區(qū)液膜與壁面熱交換后蒸發(fā)然后參與燃燒的過(guò)程十分復(fù)雜,對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化,不考慮邊區(qū)液膜的冷卻,僅研究燃料主路噴注的燃燒過(guò)程。

燃料液柱的射流軌跡為

過(guò)氧化氫/煤油推進(jìn)劑組合的理論混合比很高,氣態(tài)、液態(tài)推進(jìn)劑的比例懸殊,實(shí)現(xiàn)兩種推進(jìn)劑的良好霧化、混合以及可靠自燃非常關(guān)鍵。本文推力室采用一種橫向式噴注器, 分解燃?xì)庥芍行臍馔ǖ乐苯舆M(jìn)入燃燒室,燃料由多個(gè)直流噴嘴向氣通道內(nèi)噴射,依靠高速燃?xì)饬鞔蛩槊河蜕淞鞒蔀樾∫旱?霧化、混合后自燃。這種噴注器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工成本低、噴霧性能好。

圖6 燃燒數(shù)值仿真流場(chǎng)Fig.6 Numerical simulation of combustion flow field

圖7為推力室各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖,入口處氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,約42.4%,水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)約57.6%。煤油以液態(tài)形式噴入氣通道,并在高溫分解氣和氣動(dòng)力的作用下迅速霧化、蒸發(fā),煤油蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速增大。與此同時(shí),煤油蒸氣與高溫氧氣自燃,氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小,二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,部分氧氣和水蒸氣在中心火焰熱膨脹的作用下擠壓至回流區(qū),至噴管出口氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.76%。

圖7 各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.7 Cloud map of mass fraction distribution for each component

采用燃燒效率計(jì)算公式計(jì)算無(wú)液膜冷卻推力室燃燒效率為76.24%,其主要原因是分解氣的吹離作用不明顯(液氣動(dòng)量通量比較高),造成推力室中心富燃,邊區(qū)富氧,大量邊區(qū)氧氣和中心煤油未參與反應(yīng)便排出推力室,燃燒不充分,燃燒效率明顯偏低。實(shí)際設(shè)計(jì)的推力室邊區(qū)存在燃料冷卻液膜,液膜吸收熱量蒸發(fā)后與邊區(qū)氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。邊區(qū)燃料液膜不僅可以隔絕高溫燃?xì)馀c壁面直接接觸,還可與邊區(qū)氧氣燃燒,提高推力室燃燒效率。

3 熱試結(jié)果分析

為了驗(yàn)證推力室關(guān)鍵技術(shù)方案的可行性,開展了過(guò)氧化氫/煤油推力室的熱試車驗(yàn)證。圖8為推力穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)火圖片,推力室點(diǎn)火過(guò)程中工作正常,火焰明亮穩(wěn)定,無(wú)偏斜和抖動(dòng)現(xiàn)象。

圖8 推力室穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火Fig.8 Steady state ignition of thrust chamber

圖9為典型20 s長(zhǎng)程熱試車壓力曲線(其中poq為氧化劑入口壓力,pm為燃料入口壓力)。氧化劑先由入口進(jìn)入再生冷卻夾套中,冷卻推力室身部,再經(jīng)導(dǎo)管進(jìn)入催化分解室頭部,由噴注盤噴入催化分解室,經(jīng)催化劑床后催化分解為高溫氧氣和水蒸氣。然后燃料由噴注小孔噴入推力室,大部分燃料橫向噴入分解燃?xì)庵?霧化混合后自燃,少部分燃料以一定角度噴至身部?jī)?nèi)壁,冷卻壁面。推力室以雙組元模式工作20 s。推力室的關(guān)機(jī)過(guò)程為燃料主閥先于氧化劑主閥關(guān)閉,以單組元模式工作一段時(shí)間后氧化劑主閥關(guān)閉,兩路停止供給的同時(shí)開始吹除。

圖9 20 s長(zhǎng)程熱試車壓力曲線Fig.9 Pressure curve of 20 s long-term hot test

為了評(píng)估燃燒室內(nèi)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的損失程度,引入燃燒效率的概念,表示為

(5)

經(jīng)計(jì)算推力室額定工況燃燒效率為96.41%,性能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。與仿真結(jié)果相比,燃燒效率大幅度增加,表明對(duì)于橫向式噴注器這一特殊構(gòu)型,在邊區(qū)噴注煤油的液膜冷卻方式能有效地利用邊區(qū)富氧燃?xì)?從而提高推力室燃燒效率。推力室試后檢查,結(jié)構(gòu)完好,發(fā)現(xiàn)燃燒室與噴管內(nèi)壁面存在大量積碳(見圖10),進(jìn)一步表明邊區(qū)液膜參與了化學(xué)反應(yīng)。

圖10 試后檢查結(jié)果Fig.10 Examination results after test

4 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)過(guò)氧化氫/煤油推力室關(guān)鍵技術(shù)的快速驗(yàn)證,基于3D打印快速制造理念設(shè)計(jì)了一種過(guò)氧化氫/煤油推力室,并開展了燃燒流場(chǎng)數(shù)值仿真和點(diǎn)火試驗(yàn)研究,得到以下結(jié)論。

1)本文推力室在方案設(shè)計(jì)階段就引入3D打印的設(shè)計(jì)思想,相比于傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝,縮短50%研制周期,降低40%制造成本,減少50%零件數(shù)量,減輕20%質(zhì)量。

1.實(shí)行全員、全過(guò)程、全方位的合同管理。目前油田企業(yè)的合同管理模式還處于傳統(tǒng)的合同管理階段，其特點(diǎn)是對(duì)合同管理的重要性認(rèn)識(shí)不足，重視不夠，法律意識(shí)淡薄，風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)不強(qiáng)；合同管理過(guò)分依賴于合同管理部門而不是強(qiáng)調(diào)全員參與、全方位管理；合同管理部門管理職能缺位，存在著“重事務(wù)、輕管理”，“重簽訂、輕履行”的現(xiàn)象。這種模式很難適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制下油田企業(yè)合同管理的實(shí)踐要求。要改變傳統(tǒng)的合同管理模式，必須把合同管理看作一項(xiàng)系統(tǒng)工程，運(yùn)用系統(tǒng)論、控制論的方法來(lái)開展合同管理，實(shí)行全員、全過(guò)程、全方位的合同管理。

2)燃燒流場(chǎng)數(shù)值仿真結(jié)果表明,推力室邊區(qū)存在大量富余氧氣,未參與燃燒便排出推力室,燃燒不充分,效率偏低。在邊區(qū)噴注煤油的液膜冷卻方式能有效地利用邊區(qū)富氧燃?xì)?提高燃燒效率。

4.檢驗(yàn)方法。同一檢驗(yàn)項(xiàng)目中一般存在著不同種類的檢驗(yàn)方法，方法選取不當(dāng)也會(huì)造成食品檢驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)偏差，從而影響檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3)熱試車結(jié)果表明,推力室性能參數(shù)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,試后檢查結(jié)構(gòu)完好,充分驗(yàn)證了采用3D打印技術(shù)進(jìn)行推力室快速驗(yàn)證的可行性。