（航空宇航科學(xué)與技術(shù)專業(yè)論文）燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火與燃燒性能研究.pdf

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院工學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 本文通過理論分析 試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬等方法研究了燃?xì)獍l(fā)生器的點(diǎn)火特 性與燃燒性能 發(fā)現(xiàn)了影響直接燃燒式三組元燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火特性與燃燒性能的 關(guān)鍵因素及其影響規(guī)律 提出了改善燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火特性與提高燃?xì)獍l(fā)生器燃燒 性能的方法 并得到了試驗(yàn)驗(yàn)證 研究結(jié)果加深了對燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)部工作過程的 理解 對燃?xì)獍l(fā)生器的應(yīng)用和優(yōu)化設(shè)計(jì)有重要指導(dǎo)意義 通過理論分析指出了燃?xì)獍l(fā)生器研究的重點(diǎn)與難點(diǎn) 確定了燃?xì)獍l(fā)生器研究 的主要內(nèi)容 分析表明 水的加入在降低燃燒室溫度的同時(shí) 也顯著降低了燃?xì)?發(fā)生器的點(diǎn)火與燃燒性能 氧氣 l f s o 燃?xì)獍l(fā)生器燃燒效率與液滴蒸發(fā)速率密切相 關(guān) 氣體流速大導(dǎo)致火焰難以在燃燒室內(nèi)穩(wěn)定 是空氣 l f 8 0 0 1 燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火 困難的主要原因 采用理論分析與試驗(yàn)研究方法 研究了影響燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火性能的主要因素 及其影響規(guī)律 研究結(jié)果表明 點(diǎn)火溫度對火炬點(diǎn)火器的點(diǎn)火能力有重要影響 燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火困難的根本原因在于水的加入使化學(xué)反應(yīng)與火焰?zhèn)鞑ニ俾蚀蠓?降 從而導(dǎo)致火焰不容易穩(wěn)定 點(diǎn)火熱氣流溫度 燃料含水量 燃燒室內(nèi)氣體流 速 余氧系數(shù) 總流量等因素對燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火性能影響很大 在此研究基礎(chǔ)上 提出了合適的點(diǎn)火方案 可以保證燃?xì)獍l(fā)生器具有非常高的點(diǎn)火可靠性 通過試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬方法研究了氧氣 l f 8 0 燃?xì)獍l(fā)生器的燃燒性能 通過 試驗(yàn)研究了噴嘴結(jié)構(gòu) 燃料含水量 擾流環(huán) 余氧系數(shù)和總流量等因素對燃?xì)獍l(fā) 生器燃燒性能的影響 結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析了燃?xì)獍l(fā)生器燃燒過程的特點(diǎn) 以及 擾流環(huán)對燃?xì)獍l(fā)生器燃燒過程的影響 研究結(jié)果表明 水的加入對燃燒室的降溫 作用明顯 整個(gè)燃燒室內(nèi)溫度較低 液滴蒸發(fā)速率是影響燃?xì)獍l(fā)生器燃燒效率的 關(guān)鍵因素 提高燃?xì)獍l(fā)生器燃燒效率的主要方法是改善液滴的蒸發(fā) 通過改進(jìn)噴 嘴結(jié)構(gòu) 降低燃料含水量 在燃燒室內(nèi)安裝擾流環(huán)等措施均顯著提高了燃燒效率 其中在燃燒室內(nèi)安裝擾流環(huán)還可以提高燃?xì)獍l(fā)生器的燃燒穩(wěn)定性 主題詞 三組元燃?xì)獍l(fā)生器 點(diǎn)火特性 燃燒性能 噴嘴結(jié)構(gòu) 余氧系數(shù) 燃料含水量 擾流環(huán) 第i 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院工學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t t h ei g n i t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dc o m b u s t i o np e r f o r m a n c e so ft h eg a sg e n e r a t o ra r e s t u d i e db ym e a n so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o na n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o ni nt h ep a p e r t h ef a c t o r st h a th a v es i g n i f i c a n ti n f l u e n c e so nt h ei g n i t i o n p r o c e s sa n dc o m b u s t i o np e r f o r m a n c e so ft h eg a sg e n e r a t o ra n dt h ei n f l u e n c el a w sa r e r e s p e c t i v e l ya c q u i r e d s e v e r a l m e a s u r e m e n t st h a tc o u l d i m p r o v e t h e i g n i t i o n c h a r a c t e r i s t i ca n dc o m b u s t i o np e r f o r m a n c e so ft h eg a sg e n e r a t o ra r ep r e s e n t e da n d v e r i f i e db yt e s t s t h er e s u l t sa r eh e l p f u lt ou n d e r s t a n dt h ei n n e ro p e r a t i o np r o c e s so ft h e g a sg e n e r a t o ra n di m p o r t a n tf o ra p p l i c a t i o na n do p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h eg a s g e n e r a t o r k e yd i f f i c u k i e si nt h er e s e a r c ho ft h eg a sg e n e r a t o ra r ep o i n t e do u tt h r o u g h t h e o r e t i c a la n a l y s i s s ot h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ec o n f i r m e d t h ea n a l y s i ss h o w s t h a tt h ei g n i t i o na n dc o m b u s t i o np e r f o r m a n c e so ft h eg a sg e n e r a t o ra r em a r k e d l y w o r s e n e da l t h o u g ht h ec o m b u s t i o nc h a m b e rt e m p e r a t u r ei sl o w e r e db ya d d i n gw a t e r c o m b u s t i o ne f f i c i e n c yo ft h eg a sg e n e r a t o rw i t ho x y g e n l f s oi sc l o s e l yr e l a t e dt ot h e e v a p o r a t i o nr a t eo f t h el i q u i df u e lo fl 侶o t h eg a sf l o wv e l o c i t yb e i n gt o oh i g hs ot h e f l a m ec o u l dn o ts t a ys t e a d i l yi nt h ec o m b u s t i o nc h a m b e ri st h em a i nr e a s o no ft h e i g n i t i o nd i f f i c u l t yi ng a sg e n e r a t o rw i t ha i r l f s o o 1p r o p e l l a n t s b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h ep r i m a r yf a c t o r s a f f e c t i n gm a r k e d l yt h ei g n i t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h eg a sg e n e r a t o ra sw e l la st h e i n f l u e n c el a w sa r es t u d i e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec o m b u s t i o ng a st e m p e r a t u r e p l a y st h em o s ti m p o r t a n tr o l eo nt h ei g n i t i o nc a p a b i l i t yo ft h et o r c hi g n i t e r f o rg a s g e n e r a t o r t h ei g n i t i o nd i f f i c u l t ym a i n l yc o m e sf r o mt h ea d d i t i o no fw a t e rt h a ts l o w s d o w nt h ec h e m i c a lr e a c t i o nr a t ea n df l a m ep r o p a g a t i o ns p e e d t h er e s u l t sa l s oi n d i c a t e t h a tm a n yf a c t o r sh a v eo b v i o u si n f l u e n c eo nt h ei g n i t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h eg a s g e n e r a t o r i n c l u d i n gt h et e m p e r a t u r eo ft h ei g n i t i n gc o m b u s t i o ng a so ft o r c hi g n i t e r t h e w a t e rf r a c t i o no ft h es p e c i a lf u e l t h eg a sf l o wv e l o c i t yi nt h ec o m b u s t i o nc h a m b e r e x c e s so x i d i z e rc o e f f i c i e n ta n dm a s sf l u xo fp r o p e l l a n t s o nt h ef o u n d a t i o no ft h e r e s e a r c h t h ep a p e rp r e s e n t sar i g h tm e t h o do u t s t a n d i n g l yi m p r o v i n gt h ei g n i t i o n r e l i a b i l i t yo f t h eg a sg e n e r a t o r t h ec o m b u s t i o np e r f o r m a n c eo ft h eg a sg e n e r a t o rw i t ho x y g e n l f s op r o p e l l a n t s i ss t u d i e db ye x p e r i m e n t sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ei n f l u e n c eo nt h ec o m b u s t i o n p e r f o r m a n c eo ft h eg a sg e n e r a t o ro fi n j e c t o rs t r u c t u r e s w a t e rf r a c t i o no fl i q u i df u e l d i s t u r b i n gr i n g e x c e s so x i d i z e rc o e f f i c i e n ta n dm a s sf l u xa r es t u d i e db ye x p e r i m e n t s a c c o r d i n gt ot h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h eg a s g e n e r a t o rw i t hd i s t u r b i n gr i n ga r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a ta d d i t i o no fw a t e rh a s an o t a b l ee f f e c to nl o w e r i n gt h ec o m b u s t i o nt e m p e r a t u r es i n c et h ew h o l ec o m b u s t i o n 第i i i 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院工學(xué)碩士學(xué)位論文 c h a m b e rh a sal o wt e m p e r a t u r e t h ee v a p o r a t i o nr a t ei st h ee s s e n t i a lf a c t o r w h i c hh a s g r e a ti n f l u e n c eo nt h ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c yo ft h eg a sg e n e r a t o r s ot h ee f f i c i e n t m e t h o dt oi n c r e a s et h ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c yi st os p e e du pt h ee v a p o r a t i o n t h e c o m b u s t i o ne f f i c i e n c yc a na l s ob en o t a b l yi m p r o v e db yo p t i m i z i n gt h ei n j e c t o rs t r u c t u r e d e c r e a s et h ew a t e rf r a c t i o no ff u e la n df i x i n gt h ed i s t u r b i n gr i n gi nt h ec o m b u s t i o n c h a m b e rt h r o u g hw h i c ht h ec o m b u s t i o ns t a b i l i t yi sa l s oi m p r o v e d k e yw o r d s t r i p r o p e l l a n t g a s g e n e r a t o r i g n i t i o nc h a r a c t e r i s t i c c o m b u s t i o np e r f o r m a n c e i n j e c t o rs t r u c t u r e e x c e s so x i d i z e rc o e f f i c i e n t w a t e rf r a c t i o no ff u e l d i s t u r b i n gr i n g 第i v 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院工學(xué)碩士學(xué)位論文 表目錄 表2 1 氧氣 l f s 0 燃?xì)獍l(fā)生器噴嘴設(shè)計(jì)說明 1 5 表2 2 空氣 l f s 0 0 1 燃?xì)獍l(fā)生器噴嘴設(shè)計(jì)說明 1 5 表2 3 火焰穩(wěn)定器尺寸說明 1 7 表2 4 火焰穩(wěn)定器安裝位置說明 1 8 表3 1 火炬點(diǎn)火器試驗(yàn)結(jié)果 3 0 表3 2 點(diǎn)火熱氣流溫度 流量和能量對燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火性能影響 3 4 表3 3 燃料含水量對點(diǎn)火延遲的影響 3 4 表3 4 喉部尺寸對點(diǎn)火性能的影響 3 7 表3 5 噴嘴結(jié)構(gòu)對點(diǎn)火性能的影響 3 8 表3 6 火焰穩(wěn)定器對燃燒效率的影響 3 8 表4 1 總流量對燃燒效率的影響 4 5 表4 2 噴管喉部尺寸對燃燒效率的影響 4 6 表4 3 氧氣壓降對燃燒效率的影響 4 7 表4 4 噴嘴縮進(jìn)對燃燒效率的影響 4 8 表4 5 噴嘴數(shù)量對燃燒效率的影響 4 9 表4 6 燃料含水量對燃燒效率的影響 5 0 表4 7 擾流環(huán)及其安裝位置對燃燒效率的影響 5 l 表4 8n o l 噴嘴燃燒不穩(wěn)定時(shí)的工況 5 1 第 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院工學(xué)碩士學(xué)位論文 圖 目錄 圖1 1 燃燒降溫方案三組元燃?xì)獍l(fā)生器原理示意圖 5 圖1 2 直接燃燒方案三組元燃?xì)獍l(fā)生器原理示意圖 5 圖1 3 熱氣流點(diǎn)火過程示意圖 8 圖1 4 點(diǎn)火過程中火焰?zhèn)鞑ナ疽鈭D 8 圖2 1 燃?xì)獍l(fā)生器安裝示意圖 1 2 圖2 2 火炬點(diǎn)火器示意圖 1 3 圖2 3 離心式噴嘴示意圖 1 4 圖2 4 2 噴管示意圖 1 6 圖2 5 火焰穩(wěn)定器示意圖 1 7 圖2 6 擾流環(huán)安裝示意圖 l7 圖2 7 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖 1 9 圖2 8 測控中心與現(xiàn)場監(jiān)視系統(tǒng)圖 2 0 圖2 9 火炬點(diǎn)火器工作過程控制時(shí)序 2 4 圖2 10 燃?xì)獍l(fā)生器工作過程控制時(shí)序 2 4 圖2 1 l 典型燃燒室壓力曲線圖 2 5 圖2 1 2 點(diǎn)火延遲時(shí)間計(jì)算示意圖 2 6 圖3 1 火炬點(diǎn)火器熱試驗(yàn)圖 2 9 圖3 2 火炬點(diǎn)火器熱試燃燒室壓力曲線圖 3 0 圖3 3 無量綱點(diǎn)火能量與溫度的關(guān)系 3 l 圖3 4 點(diǎn)火能量恒定時(shí) 室壓與溫度的關(guān)系 3 2 圖3 5 典型點(diǎn)火曲線 3 3 圖3 6 點(diǎn)火溫度 流量對點(diǎn)火結(jié)果的影響 3 5 圖3 7 點(diǎn)火成功時(shí)的燃燒室壓力曲線 3 9 圖3 8 余氧系數(shù)與空氣流量對點(diǎn)火結(jié)果的影響 3 9 圖4 1 余氧系數(shù)對燃燒效率的影響 4 3 圖4 2 總流量對燃燒效率的影響 4 5 圖4 3 燃料噴注壓降對燃燒效率的影響 4 7 圖4 4 氧氣噴注壓降對燃燒效率的影響 4 8 圖4 5 噴嘴縮進(jìn)尺寸對燃燒效率的影響 4 9 圖4 6 擾流環(huán)無量綱安裝距離對燃燒效率的影響 5 l 圖4 7 燃燒不穩(wěn)定時(shí)燃燒室壓力曲線 5 2 圖4 8 燃燒穩(wěn)定時(shí)燃燒室壓力曲線 5 2 第v 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院工學(xué)碩士學(xué)位論文 圖5 1 燃燒室溫度分布 6 2 圖5 2 燃料蒸汽濃度分布 6 2 圖5 3 氧氣濃度分布 6 3 圖5 4 二氧化碳濃度分布 6 4 圖5 5 水蒸汽濃度分布 6 4 圖5 6 燃?xì)獍l(fā)生器燃燒室內(nèi)速度分布 6 4 圖5 7 擾流環(huán)對燃燒室溫度場的影響 6 5 圖5 8 擾流環(huán)對速度場的影響 6 5 圖5 9 擾流環(huán)后回流區(qū)擾流環(huán)后回流區(qū) 6 6 第v i 頁 獨(dú)創(chuàng)性 聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果 盡 我所知 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表和撰寫過的研 究成果 也不包含為獲得國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料 與 我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意 學(xué)位論文題目 燃?xì)浒l(fā)生墨惠叢生燧燒性能盟窒 一一 一一一 學(xué)位論文作者簽名 翻髦 怔 日期 衫年 月衫日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 本人授權(quán)國防科學(xué)技術(shù) 大學(xué)可以保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子文檔 允許論文被查閱和借 閱 可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索 可以采用影印 縮印或掃描 等復(fù)制手段保存 匯編學(xué)位論文 保密學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書 學(xué)位論文題目 燧氫發(fā)生墨惠叢復(fù)燃燒性能玨究 學(xué)位論文作者簽名 作者指導(dǎo)教師簽名 甚羝 炒2 辱 冠彳1 e 1 日期 撕莎年f 1 月卵日 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院工學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 1 1 研究背景和意義 燃?xì)獍l(fā)生器在航空航天領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用 它將氧化劑和燃料按照設(shè)計(jì)要求 的混合比組織燃燒 獲得一定壓力 溫度 流量和速度參數(shù)要求的燃?xì)?以實(shí)現(xiàn) 特定的目的 如產(chǎn)生引射氣流 驅(qū)動(dòng)渦輪 產(chǎn)生彈射氣流等 迄今為止 國內(nèi)外研究人員對燃?xì)獍l(fā)生器開展了大量的研究工作 所研制的 燃?xì)獍l(fā)生器用于以下多個(gè)領(lǐng)域 泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī) 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高空試車臺(tái) 和真空模擬系統(tǒng) 激光器的壓力恢復(fù)系糾1 1 軟著陸充氣氣囊 2 等 國內(nèi)外研究人 員通過理論分析 冷試 熱試和數(shù)值計(jì)算等研究手段 對各類燃?xì)獍l(fā)生器進(jìn)行了 大量研究 在優(yōu)化燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu) 提高燃?xì)獍l(fā)生器工作性能與可靠性 降低燃 氣發(fā)生器成本等方面取得了很大進(jìn)展 促進(jìn)了燃?xì)獍l(fā)生器技術(shù)的快速發(fā)展 使燃 氣發(fā)生器設(shè)計(jì)與使用水平得到了很大提高 為沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的地面試驗(yàn)提供引射氣源 以模擬其試驗(yàn)時(shí)所需的高空環(huán)境 是目前燃?xì)獍l(fā)生器的主要用途之一 由于沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在超音速飛行階段具有優(yōu)越 的性能 一直是航空航天領(lǐng)域研究的熱點(diǎn) 3 引 許多國家都對沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)表現(xiàn) 出了濃厚的興趣 為提高沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能 美國 法國 德國 俄羅斯等國家 投入了大量的人力 物力進(jìn)行相關(guān)研究 并在研究過程中取得到了較大進(jìn)展 9 卜 l 引 目前 地面試驗(yàn)是研究沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的主要手段 用于模擬高空環(huán)境的真空系統(tǒng) 是保證沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)研究順利進(jìn)行的重要設(shè)備 真空系統(tǒng)可選擇真空罐系 統(tǒng)或引射系統(tǒng) 由于真空罐引射系統(tǒng)無法滿足沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間試驗(yàn)的需求 目 前 真空系統(tǒng)普遍選擇引射系統(tǒng) 引射系統(tǒng)主要有空氣引射 蒸汽引射和燃?xì)庖?射等幾種方式 與空氣引射 蒸汽引射方式相比 燃?xì)庖湎到y(tǒng)因具有引射能力 強(qiáng) 結(jié)構(gòu)簡單 體積小 響應(yīng)快 可長時(shí)間工作等優(yōu)點(diǎn) 已成為真空系統(tǒng)的最佳 選擇 2 0 泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上廣泛采用燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生高溫燃?xì)庖则?qū)動(dòng)渦輪 燃 氣發(fā)生器設(shè)計(jì)水平的高低對發(fā)動(dòng)機(jī)性能有直接影響 因此 國內(nèi)外對用于驅(qū)動(dòng)液 體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵的燃?xì)獍l(fā)生器進(jìn)行了大量研究 2 4 卜 2 引 燃?xì)獍l(fā)生器還可以用于為座椅彈射系統(tǒng) 軍用武器發(fā)射系統(tǒng) 2 9 3 0 提供彈射氣 源 由于燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生的高溫燃?xì)庵饕糜隍?qū)動(dòng)渦輪或引射器等 因此對燃?xì)?發(fā)生器出口燃?xì)鈪?shù)要求嚴(yán)格 一般要求燃?xì)獍l(fā)生器出口燃?xì)鉁囟染鶆?最高溫 度不能超過渦輪泵葉片或引射器材料的耐熱極限 出口燃?xì)鈮毫ΡM可能接近設(shè)計(jì) 第1 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院工學(xué)碩士學(xué)位論文 壓力 同時(shí)通常要求燃?xì)獍l(fā)生器系統(tǒng)簡單 可靠 推進(jìn)劑無毒尢污染 可重復(fù) 快速起動(dòng) 燃?xì)獍l(fā)生器具有燃?xì)鉁囟鹊?推進(jìn)劑混合比偏離化學(xué)當(dāng)量比 液體推進(jìn)劑在 燃燒室內(nèi)的停留時(shí)間長 燃燒室壓力范圍廣等特點(diǎn) 容易出現(xiàn)點(diǎn)火困難 低頻不 穩(wěn)定燃燒 燃燒室內(nèi)表面局部過熱 燃燒室出口溫度不均勻等問題 對燃?xì)獍l(fā)生 器開展進(jìn)一步研究 加深對其內(nèi)部工作過程的認(rèn)識 對提高燃?xì)獍l(fā)生器設(shè)計(jì)和使 用水平具有重要意義 1 2 燃?xì)獍l(fā)生器的分類與研究現(xiàn)狀 燃?xì)獍l(fā)生器是一個(gè)很寬泛的概念 在航空 航天領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用 考慮到 在工作原理 研究內(nèi)容與方法等方面存在較大差異 本文主要對采用液體火箭發(fā) 動(dòng)機(jī)技術(shù)的燃?xì)獍l(fā)生器進(jìn)行分類介紹 未對應(yīng)用于航空領(lǐng)域的燃?xì)獍l(fā)生器 以及 采用固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的燃?xì)獍l(fā)生器 3 1 卜 蚓展開介 紹 對于采用液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的燃?xì)獍l(fā)生器 按照其推進(jìn)劑組元數(shù)的不同 可分為單組元燃?xì)獍l(fā)生器 兩組元燃?xì)獍l(fā)生器和三組元燃?xì)獍l(fā)生器 1 2 1 單組元燃?xì)獍l(fā)生器 單組元燃?xì)獍l(fā)生器主要用于引射系統(tǒng) 一般采用催化分解方案 其推進(jìn)劑主 要包括肼類 過氧化氫和一氧化二氮等 由于目前主要采用無毒 無污染的綠色 推進(jìn)劑f 3 5 1 肼類推進(jìn)劑已很少使用 目前國內(nèi)外主要對過氧化氫和一氧化二氮催 化分解的單組元燃?xì)獍l(fā)生器 3 6 4 3 進(jìn)行研究 迄今為止 國內(nèi)外對過氧化氫催化分解的單組元燃?xì)獍l(fā)生器己開展了大量研 究 采用過氧化氫催化分解方案的單組元燃?xì)獍l(fā)生器也已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用 過氧化氫催化分解的單組元燃?xì)獍l(fā)生器有很多優(yōu)點(diǎn) 其推進(jìn)劑無毒無污染 可長時(shí)間貯存 燃?xì)饨M分干凈清潔 常溫下推進(jìn)劑以液體形式存儲(chǔ) 供應(yīng)系統(tǒng)簡 單 燃?xì)獍l(fā)生器系統(tǒng)本身重量輕 體積小 但過氧化氫催化分解的單組元燃?xì)獍l(fā) 生器也有許多不足之處 其燃?xì)鉁囟炔桓?焓值較低 引射能力不強(qiáng) 催化劑有 壽命限制 工作一定時(shí)間后需要更換 催化劑床床載有限 催化前一般需要預(yù)熱 燃?xì)夂趿扛?對下游管路要求苛刻 過氧化氫價(jià)格昂貴 燃?xì)獍l(fā)生器運(yùn)行成本 高 經(jīng)濟(jì)性不好 高濃度過氧化氫雖然無毒 但是安全性極差 遇到雜質(zhì)極易分 解 因此 過氧化氫催化分解的單組元燃?xì)獍l(fā)生器應(yīng)用范圍較窄 主要應(yīng)用于車 載或機(jī)載引射系統(tǒng)等對尺寸 重量限制苛刻的領(lǐng)域m 美國陸軍的戰(zhàn)術(shù)高能激光器 l i t h e l a c t d 和美國空軍的機(jī)載激光器采用過 第2 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院工學(xué)碩士學(xué)位論文 氧化氫催化分解的單組元燃?xì)獍l(fā)生器 采用7 0 的過氧化氫高溫催化分解產(chǎn)物作 為引射系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)工質(zhì) 燃?xì)獍l(fā)生器不需要特殊的防熱措施 系統(tǒng)重量輕 體積 小 國內(nèi)外研究人員對一氧化二氮催化分解的單組元燃?xì)獍l(fā)生器也進(jìn)行了大量研 究 研究發(fā)現(xiàn)一氧化二氮是一種性能優(yōu)越的推進(jìn)劑 4 5 卜 4 7 1 一氧化二氮常溫下性質(zhì) 穩(wěn)定 安全性較高 同時(shí) 一氧化二氮還具有獨(dú)特的性質(zhì) 2 9 4k 時(shí)其飽和蒸汽壓 為5 1 4m p a 在此壓力下一氧化二氮以氣液兩相形式存在 且具有自增壓特性 常溫液態(tài)一氧化二氮與酒精 汽油和煤油等液體燃料的密度相當(dāng) 是一種高密度 推進(jìn)劑 常溫下一氧化二氮汽化熱不高 很容易通過換熱器實(shí)現(xiàn)液態(tài)到氣態(tài)的轉(zhuǎn) 變 從而實(shí)現(xiàn)以液體形式存儲(chǔ)而以氣體形式供給 一氧化二氮絕熱分解溫度可以 達(dá)到1 6 4 0 燃?xì)忪手蹈?以一氧化二氮作為單組元燃?xì)獍l(fā)生器的推進(jìn)劑 是一 種很有潛力的方案 但是一氧化二氮與過氧化氫一樣 催化分解后燃?xì)夂趿扛?對下游管路要求苛刻 1 2 2 兩組元燃?xì)獍l(fā)生器 兩組元燃?xì)獍l(fā)生器廣泛應(yīng)用于現(xiàn)有的大型液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中 主要用于提供 驅(qū)動(dòng)泵壓式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵的高溫燃?xì)?其推進(jìn)劑與主發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑相同 熱力學(xué)分析可知 主發(fā)動(dòng)機(jī)所用推進(jìn)劑組合以恰當(dāng)混合比反應(yīng)時(shí) 燃燒溫度一般 都很高 為了使出口氣體溫度在材料允許范圍內(nèi) 兩組元燃?xì)獍l(fā)生器一般采用混 合比極度偏離恰當(dāng)混合比的低溫富燃或富氧燃燒方案 即一種推進(jìn)劑全部參與 另一種推進(jìn)劑部分參與燃燒的方案 迄今為止 國內(nèi)外學(xué)者通過理論分析嘲 數(shù)值計(jì)算 4 9 1 5 5 和試驗(yàn) 5 6 5 明等手段 對兩組元燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)部工作過程進(jìn)行了大量研究 這些研究主要集中在提高燃 氣發(fā)生器點(diǎn)火性能唧 提高燃?xì)饩鶆蛐?6 1 1 和對燃?xì)獍l(fā)生器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化 6 2 1 1 6 3 增方 面 為了使燃?xì)獍l(fā)生器出口氣體溫度在材料承受范圍內(nèi) 燃?xì)獍l(fā)生器一般采用推 進(jìn)劑混合比極度偏離恰當(dāng)混合比的富燃或富氧方案即 從而導(dǎo)致燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火 較困難 為了解決點(diǎn)火問題 目前常用的做法是將部分噴嘴設(shè)計(jì)為推進(jìn)劑混合比 接近恰當(dāng)混合比的高溫噴嘴 高溫噴嘴噴霧燃燒后形成的高溫區(qū)可以作為火焰穩(wěn) 定區(qū)域 能有效解決燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火困難問題 6 引 但是這種方法要考慮減輕高溫 噴嘴產(chǎn)生的高溫氣團(tuán)的影響 燃燒室內(nèi)需要設(shè)計(jì)增強(qiáng)混合過程的濺板 擾流環(huán)等 結(jié)構(gòu) 國內(nèi)外研究人員就濺板和擾流環(huán)的安裝位置 結(jié)構(gòu)尺寸和安裝方式對燃燒過 程的影響 以及混合比 推進(jìn)劑總流量 燃燒室壓力等參數(shù)對燃燒性能的影響 第3 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院工學(xué)碩士學(xué)位論文 進(jìn)行了大量的研究 得到了一些有指導(dǎo)性的結(jié)果 關(guān)于這部分的研究結(jié)果在文獻(xiàn) 6 6 兒6 7 j 中有較為詳細(xì)的介紹 文中不再贅述 只對他們沒有具體介紹的研究內(nèi)容與 進(jìn)展進(jìn)行補(bǔ)充介紹 童曉艷1 6 2 1 等以液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器身部為研究對象 在對其進(jìn)行面向 設(shè)計(jì)的多學(xué)科分析的基礎(chǔ)上 建立了燃?xì)獍l(fā)生器身部的多學(xué)科優(yōu)化模型 涉及流 動(dòng) 傳熱 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度三個(gè)相互耦合的學(xué)科 引入了一種新的多目標(biāo)方法 物理 規(guī)劃方法處理其中的多目標(biāo)優(yōu)化問題 通過類別函數(shù)將設(shè)計(jì)者的偏好轉(zhuǎn)化為優(yōu)化 目標(biāo) 避免了對各個(gè)不同大小和量綱的分目標(biāo)之間重要性的比較和權(quán)衡 優(yōu)化結(jié) 果顯示 利用多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化減輕了燃?xì)獍l(fā)生器的質(zhì)量 改善了原有設(shè)計(jì) 能夠 提高發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)水平 西北工業(yè)大學(xué)的馮喜平 6 8 6 9 開發(fā)了燃?xì)獍l(fā)生器燃燒過程的數(shù)值計(jì)算程序 對 液氧 煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)獍l(fā)生器縮迸燃燒室和主燃燒室進(jìn)行了三維流動(dòng)和燃燒過程 的穩(wěn)態(tài)模擬 結(jié)果表明燃燒室內(nèi)溫度分布嚴(yán)重不均勻 為此需要在燃?xì)獍l(fā)生器尾 部增加一個(gè)擾流環(huán) 加快燃?xì)庵g的摻混 提高燃?xì)鉁囟鹊木鶆蚨?韓俊峰 7 0 j 根據(jù)工程實(shí)際的需要 進(jìn)行了液氧 煤油發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪吹風(fēng)試驗(yàn)用空氣 酒精燃?xì)獍l(fā)生器的設(shè)計(jì) 對燃?xì)獍l(fā)生器的功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 試驗(yàn)結(jié)果 主要性能 以及主要關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了介紹 對不同室壓 不同混合比條件下的燃?xì)獍l(fā)生 器性能參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算 完成了單個(gè)噴嘴及噴注單元的冷流試驗(yàn) 全面 系統(tǒng)地 分析了單個(gè)噴嘴及噴注單元的流量特性和霧化特性 為點(diǎn)火熱試驗(yàn)研究奠定了基 礎(chǔ) 針對點(diǎn)火和轉(zhuǎn)主級問題 進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究工作 試驗(yàn)研究結(jié)果表明 燃?xì)獍l(fā)生器性能良好 滿足工程應(yīng)用的需要 曹再勇等 7 l 以閉式循環(huán)高壓補(bǔ)燃液氧 煤油液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)獍l(fā)生器為研 究對象 采用s i m p l e c 方法和非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格技術(shù)對其燃燒室進(jìn)行了三維燃燒流 場的穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬 利用計(jì)算結(jié)果對燃?xì)獍l(fā)生器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了討論 結(jié)果表明雖 然二次噴注破壞了燃?xì)鉁囟确植嫉木鶆蛐?但是可以有效地降低燃?xì)鉁囟?擾流 環(huán)可以加速燃?xì)獾膿交?改善燃?xì)鉁囟鹊木鶆蛐?因此在結(jié)構(gòu)上二次噴注孔與擾 流環(huán)的存在是合理的 總之 兩組元燃?xì)獍l(fā)生器在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用 相關(guān) 研究工作也進(jìn)行的比較充分 但仍存在一些技術(shù)難點(diǎn)亟待解決 例如 富燃燃?xì)?發(fā)生器的含碳燃料容易生成積炭和結(jié)焦 7 2 富氧燃?xì)獍l(fā)生器 7 1 7 3 1 雖然有某方面的 優(yōu)點(diǎn) 但其對下游管路的抗氧化性要求高 由于普遍采用極度富燃或富氧的方案 兩種推進(jìn)劑流量差別較大 如何使推進(jìn)劑均勻混合 防止使用過程中由于組分分 布不均勻在燃燒室局部產(chǎn)生高溫氣團(tuán) 燒蝕燃?xì)獍l(fā)生器噴注面板或燃燒室壁面 也是研制兩組元燃?xì)獍l(fā)生器的重點(diǎn) 第4 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院工學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 3 三組元燃?xì)獍l(fā)生器 目前 三組元燃?xì)獍l(fā)生器主要用于地面試驗(yàn)的引射系統(tǒng) 以模擬試驗(yàn)需要的 低壓環(huán)境 其推進(jìn)劑組合為氧化劑 燃料 調(diào)溫劑 三組元燃?xì)獍l(fā)生器按燃燒組織方式可分為兩種 一種為先燃燒后降溫方式 為敘述方便 本文稱之為燃燒降溫式三組元燃?xì)獍l(fā)生器 其工作原理如圖1 1 所示 燃?xì)獍l(fā)生器設(shè)計(jì)有燃燒室和噴霧降溫室 燃料和氧化劑在燃燒室內(nèi)燃燒后產(chǎn)生高 溫燃?xì)?調(diào)溫劑噴入降溫室與高溫燃?xì)饣旌虾?在降溫室出口處得到所需溫度的 燃?xì)?這種方案的燃?xì)獍l(fā)生器工作過程可以分為兩個(gè)階段 高溫燃燒階段與摻混 降溫階段 前一階段的燃?xì)獍l(fā)生器工作原理類似于兩組元液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī) 推進(jìn) 劑在燃燒室內(nèi)燃燒產(chǎn)生高溫燃?xì)?后一階段則利用特殊設(shè)計(jì)的降溫室來實(shí)現(xiàn) 在 降溫室中噴入調(diào)溫介質(zhì)對燃?xì)膺M(jìn)行降溫 通過調(diào)節(jié)推進(jìn)劑流量 可以在降溫室出 口得到滿足要求的燃?xì)?這種方案技術(shù)較為成熟 但是這種方案需要對燃燒室進(jìn) 行熱防護(hù)和特殊設(shè)計(jì)的降溫室 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 身部大量噴入調(diào)溫介質(zhì) 容易導(dǎo)致燃 氣參數(shù)不能精確控制和出口燃?xì)鉁囟确植疾痪鶆?圖1 1 燃燒降溫方案三組元燃?xì)獍l(fā)生器原理示意圖 蠼氣 燃?xì)?圖1 2 直接燃燒方案三組元燃?xì)獍l(fā)生器原理示意圖 另一種三組元燃?xì)獍l(fā)生器工作原理如圖1 2 所示 其三種推進(jìn)劑均通過頭部噴 注器進(jìn)入燃燒室直接參與燃燒 本文稱之為直接燃燒式三組元燃?xì)獍l(fā)生器 直接 燃燒式三組元燃?xì)獍l(fā)生器是國防科技大學(xué)航天與材料工程學(xué)院借鑒在國內(nèi)得到充 第5 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院工學(xué)碩士學(xué)位論文 分發(fā)展的三組元火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)而提出的一種方案 直接燃燒式方案中 燃?xì)獍l(fā) 生器將傳統(tǒng)的雙組元推進(jìn)劑與調(diào)溫介質(zhì)直接混合燃燒 以形成溫度和其它參數(shù)大 范圍可調(diào)的混合燃?xì)?燃?xì)獍l(fā)生器燃燒室內(nèi)氣體溫度較低 熱防護(hù)簡單 省去了 降溫室 使得燃?xì)獍l(fā)生器在高效 可靠工作的同時(shí) 結(jié)構(gòu)更簡單 本文中的燃?xì)獍l(fā)生器屬于直接燃燒式三組元燃?xì)獍l(fā)生器 燃?xì)獍l(fā)生器以空氣 和氧氣作為氧化劑 水作為調(diào)溫介質(zhì) 目前 國內(nèi)外對三組元燃?xì)獍l(fā)生器的開展了一定研究 取得了一定成果和進(jìn) 展 文獻(xiàn) 6 6 指出美國研制的可移動(dòng)戰(zhàn)術(shù)高能激光器m t h e l 采用燃燒降溫方案 的三組元燃?xì)獍l(fā)生器 其推進(jìn)劑組合為氧氣 j p 8 水 俄羅斯波羅的海技術(shù)大學(xué)的 燃?xì)獍l(fā)生器采用燃燒降溫方案的三組元燃?xì)獍l(fā)生器 燃?xì)獍l(fā)生器設(shè)計(jì)有一個(gè)燃燒 室和一個(gè)氣化室 空氣和酒精從噴注器進(jìn)入燃燒室進(jìn)行燃燒 生成的高溫燃?xì)馀c 水在氣化室內(nèi)混合形成所需要的低溫燃?xì)?文獻(xiàn) 6 7 指出 v u l c a i n5 和 v u l e a i n4 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)獍l(fā)生器采用了 n 2 0 4 一u d m h h 2 0 三組元方案 燃?xì)獍l(fā)生器的混合比接近化學(xué)當(dāng)量混合比 水的流量約占燃?xì)獍l(fā)生器流量的1 5 用于冷卻燃?xì)獍l(fā)生器和降低燃燒產(chǎn)物的溫 度 國防科技大學(xué)的田章福和周偉勇 6 6 6 7 等人對直接燃燒方案的三組元燃?xì)獍l(fā)生 器進(jìn)行了研究 其推進(jìn)劑組合為低濃度過氧化氫 酒精 通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬深入 研究了低濃度酒精的霧化與蒸發(fā) 過氧化氫催化分解 低濃度酒精在過氧化氫催 化分解產(chǎn)物中的點(diǎn)火和燃燒等過程 研究結(jié)果對低濃度過氧化氫 酒精燃?xì)獍l(fā)生器 的設(shè)計(jì)和性能改進(jìn)有重要意義 劉盛田 等以引射器高溫引射工質(zhì)使用需求為背景 設(shè)計(jì)了單噴嘴三組元燃 氣發(fā)生器 并進(jìn)行了試驗(yàn) 該燃?xì)獍l(fā)生器推進(jìn)劑組合為一氧化二氮 酒精 水 首先 將酒精與水配成溶液 然后在燃?xì)獍l(fā)生器后部注水 以調(diào)節(jié)燃?xì)獍l(fā)生器出口燃?xì)?溫度 直接燃燒式三組元燃?xì)獍l(fā)生器與其它燃?xì)獍l(fā)生器相比 具有很多優(yōu)點(diǎn) 首先 直接燃燒式三組元燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)簡單 由于調(diào)溫劑通過噴注器直接 進(jìn)入燃燒室參與燃燒 直接燃燒式三組元燃?xì)獍l(fā)生器燃燒室內(nèi)氣體溫度較低 熱 防護(hù)簡單 省去了降溫室 使得燃?xì)獍l(fā)生器在高效 可靠工作的同時(shí) 結(jié)構(gòu)更簡 單 其次 直接燃燒式三組元燃?xì)獍l(fā)生器推進(jìn)劑綜合性能優(yōu)越 直接燃燒式三組 元燃?xì)獍l(fā)生器推進(jìn)劑選擇多樣 如氧化劑可以選擇氧氣或空氣 調(diào)溫劑可以選擇 水等 這些推進(jìn)劑使用技術(shù)成熟 貯存 操作方便 獲取容易 無毒無污染 燃 第6 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院工學(xué)碩士學(xué)位論文 燒產(chǎn)物清潔 價(jià)格便宜 經(jīng)濟(jì)性能良好 再次 直接燃燒式三組元燃?xì)獍l(fā)生器燃?xì)鈪?shù)調(diào)節(jié)方便 通過調(diào)節(jié)三種推進(jìn) 劑的配比 可以根據(jù)需要 方便快捷地大范圍調(diào)節(jié)燃?xì)獍l(fā)生器出口燃?xì)獾臏囟扰c 壓力 直接燃燒式三組元燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)簡單 運(yùn)行成本低 可以長時(shí)間工作 具 有快速 重復(fù)起動(dòng)能力 適合用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試車臺(tái) 沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)地面 試驗(yàn)系統(tǒng) 以及激光器的壓力恢復(fù)系統(tǒng)和真空模擬系統(tǒng)等領(lǐng)域 目前 對直接燃燒式三組元燃?xì)獍l(fā)生器開展的研究還不夠充分和深入 對其 開展進(jìn)一步研究 加深加入調(diào)溫劑對燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火性能與燃燒過程影響的規(guī)律 的認(rèn)識 對提高該類燃?xì)獍l(fā)生器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用水平有重要意義 1 3 直接燃燒式三組元燃?xì)獍l(fā)生器工作過程分析 直接燃燒式三組元燃?xì)獍l(fā)生器與典型的兩組元液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相比 其主要 特點(diǎn)在于調(diào)溫介質(zhì)直接噴入燃燒室 在降低燃?xì)獍l(fā)生器燃燒室溫度的同時(shí) 顯著 降低了燃燒室內(nèi)液滴蒸發(fā)速率 火焰?zhèn)鞑ニ俾屎突瘜W(xué)反應(yīng)速率 燃?xì)獍l(fā)生器容易 出現(xiàn)火焰穩(wěn)定困難 燃燒效率不高等問題 1 3 1 水的加入對燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火性能的影響分析 1 3 1 1 燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火過程 由于調(diào)溫介質(zhì)的加入 導(dǎo)致燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火性能下降 因此 本文采用點(diǎn)火 能力強(qiáng) 可重復(fù)起動(dòng)的火炬點(diǎn)火器作為燃?xì)獍l(fā)生器的點(diǎn)火裝置 本文所用的火炬工作在富氧工況下 其燃燒產(chǎn)物是富氧的 燃?xì)獍l(fā)生器也在 富氧工況下起動(dòng) 可以假設(shè)在點(diǎn)火過程中 火炬點(diǎn)火器燃燒產(chǎn)物不與燃?xì)獍l(fā)生器 推進(jìn)劑發(fā)生反應(yīng) 這時(shí)燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火過程可以采用文獻(xiàn) 7 4 中的熱氣流點(diǎn)燃理論 進(jìn)行分析 如圖1 3 所示 設(shè)通過一直徑為以的圓管 火炬點(diǎn)火器高溫燃燒產(chǎn)物噴 入燃?xì)獍l(fā)生器燃燒室 其溫度 速度分別為乙和 而周圍是燃?xì)獍l(fā)生器可燃混 氣 它的溫度 速度分別是疋和 它們之間的溫度比已 已 l 由射流混合規(guī) 律可以知道 外邊界0 l 線上溫度是燃?xì)獍l(fā)生器推進(jìn)劑的溫度乏 濃度是燃料濃度 0 內(nèi)邊界0 2 線上溫度是點(diǎn)火熱氣流溫度 燃料濃度為零 在外邊界處燃料濃 度很高 但溫度很低 因此化學(xué)反應(yīng)速率趨于零 在內(nèi)邊界處溫度很高 但燃料 濃度為零 化學(xué)反應(yīng)也不能發(fā)生 化學(xué)反應(yīng)首先在溫度和濃度最有利的區(qū)域發(fā)生 這個(gè)區(qū)域只能是圖1 3 中的陰影區(qū)域 圖1 3 中溫度分布的虛線表示由于化學(xué)反應(yīng) 使溫度分布發(fā)生了變形 第7 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院工學(xué)碩士學(xué)位論文 當(dāng)熱氣流溫度足夠高時(shí) 在某個(gè)位置的斷面上 溫度分布將出現(xiàn)局部突起 也就是局部混氣發(fā)生了著火 產(chǎn)生了圖1 4 中的初始火焰 由于初始火焰的存在使 溫度分布變形加劇 火焰穿出混合區(qū) 最后在低溫混氣中形成了傳播火焰 使火 焰?zhèn)鞑サ秸麄€(gè)燃燒室內(nèi) 點(diǎn)火過程完成 五稱為著火距離 如果點(diǎn)火熱氣流溫度 不夠高 則葺將大于熱氣流初始段長度 這時(shí)燃?xì)獍l(fā)生器燃料將不能被點(diǎn)燃 因?yàn)槌^射流初始段后溫度分布將普遍下降 當(dāng)著火距離置小于射流初始段長度 黽時(shí) 則認(rèn)為點(diǎn)火成功 o 節(jié) 圖1 3 熱氣流點(diǎn)火過程示意圖 侍播火焰 圖1 4 點(diǎn)火過程中火焰?zhèn)鞑ナ疽鈭D 1 3 1 2 燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火特性分析 由以上分析可知 燃?xì)獍l(fā)生器的點(diǎn)火過程包括局部著火 火焰?zhèn)鞑ズ突鹧娣€(wěn) 定這三個(gè)階段 首先 通過物理和化學(xué)作用 使得在點(diǎn)火熱氣流的表面 燃?xì)獍l(fā) 生器推進(jìn)劑化學(xué)反應(yīng)加劇 形成初始火焰 然后 在合適的條件下 初始火焰向 未燃混氣傳播 最終 在整個(gè)燃燒室形成穩(wěn)定的火焰 點(diǎn)火過程完成 可見 首 先必須有足夠的點(diǎn)火能量 點(diǎn)燃可燃混合物 生成足夠尺寸和溫度的初始火團(tuán) 第8 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院工學(xué)碩士學(xué)位論文 而后上述火團(tuán)向整個(gè)燃燒室傳播 并維持穩(wěn)定燃燒 對于本文中的燃?xì)獍l(fā)生器 點(diǎn)火困難的原因在于調(diào)溫介質(zhì)通過頭部噴注器直 接噴入燃燒室 首先 著火燃燒發(fā)生在燃料蒸發(fā)后 水的比熱容較大 并且其蒸 發(fā)潛熱也很高 這使得其從常溫水蒸發(fā)為較高溫度水蒸汽時(shí)需要吸收大量熱量 特別是當(dāng)這種熱量吸收集中于點(diǎn)火火焰區(qū)時(shí) 會(huì)限制了燃料的蒸發(fā) 降低燃料蒸 汽的濃度和火焰區(qū)的溫度 不利于初始火焰的形成 其次 水的存在降低了火焰 傳播速度 不利于火焰穩(wěn)定與傳播 可見水的存在對于局部著火 火焰?zhèn)鞑ズ突?焰穩(wěn)定這幾個(gè)過程都不利 是導(dǎo)致燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火困難的主要原因 尤其是當(dāng)采 用空氣作為氧化劑時(shí) 對于相同流量的燃料 所需空氣流量比氧氣流量大很多 燃燒室內(nèi)氣體流速明顯增加 加速了點(diǎn)火熱氣流表明熱量的散失 降低了火焰穩(wěn) 定能力 對點(diǎn)火過程更加不利 1 3 2 水的加入對燃?xì)獍l(fā)生器燃燒性能的影響 大量水作為調(diào)溫介質(zhì)噴入燃?xì)獍l(fā)生器燃燒室 對燃?xì)獍l(fā)生器燃燒性能影響很 大 水的加入對燃燒性能的影響 是通過降低燃燒室溫度 液滴蒸發(fā)速率 火焰 傳播速率和化學(xué)反應(yīng)速率起作用的 與液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相同 燃?xì)獍l(fā)生器的內(nèi)部 燃燒過程主要有以下幾個(gè)典型過程 液體推進(jìn)劑的噴射霧化 液滴蒸發(fā) 推進(jìn)劑 組分混合和化學(xué)反應(yīng)過程 這些過程并不是孤立的 而是相互作用相互影響的 例如 液體推進(jìn)劑霧化質(zhì)量對液滴蒸發(fā)和推進(jìn)劑組分混合有很大影響 而蒸發(fā)和 混合過程對化學(xué)反應(yīng)過程又有很大影響 1 3 2 1 水的加入對燃燒室溫度的影響 由于水的比熱容和蒸發(fā)潛熱很大 從常溫水蒸發(fā)為較高溫度的水蒸氣需要吸 收大量的熱 因此 水作為調(diào)溫介質(zhì)直接噴入燃?xì)獍l(fā)生器燃燒室 會(huì)顯著降低燃 燒室溫度 通過水的降溫作用 在設(shè)計(jì)工況下 文中的氧氣 l f 8 0 燃?xì)獍l(fā)生器燃燒 室溫度為9 1 9 k 1 3 2 2 水的加入對液滴蒸發(fā)速率的影響 蒸發(fā)速率主要與推進(jìn)劑物性 燃燒室溫度 液滴尺寸和燃燒室內(nèi)組分濃度等 因素有關(guān) 對于文中的燃?xì)獍l(fā)生器 在噴嘴霧化性能相同的條件下 液滴蒸發(fā)主要與燃 燒室溫度和燃燒室內(nèi)水蒸汽濃度有關(guān) 研究表明 燃燒室溫度對液滴蒸發(fā)速率影 響很大 7 5 1 低燃燒室溫度 非常不利于液滴的蒸發(fā) 由于燃燒過程和液滴蒸發(fā)過 程均產(chǎn)生了大量的水蒸汽 燃?xì)獍l(fā)生器燃燒室內(nèi)水蒸汽的濃度很高 這對于水的 進(jìn)一步蒸發(fā)有較大的抑制作用 第9 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院工學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 2 3 水的加入對火焰?zhèn)鞑ニ俾实挠绊?要保持燃燒過程的持續(xù) 必須保證已經(jīng)著火的燃料不再熄火 即要求火焰前 沿能夠穩(wěn)定在某一位置 火焰前沿穩(wěn)定在某一位置的必要條件是 可燃物流動(dòng)速 度等于火焰?zhèn)鞑ニ俣?這兩個(gè)速度大小相等 方向相反 這樣火焰前沿就靜止在 某一位置上 就能使燃燒過程繼續(xù)下去 如果火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊陀谌紵覂?nèi)氣體流 速 則火焰無法在燃燒室內(nèi)穩(wěn)定 即使燃料已經(jīng)著火 火焰前沿也會(huì)被吹出燃燒 室 導(dǎo)致熄火 文獻(xiàn) 67 分析了水的加入對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?研究表明 水的 加入會(huì)顯著降低火焰?zhèn)鞑ニ俣?火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊慕档?不利于火焰的穩(wěn)定 1 3 2 4 水的加入對化學(xué)反應(yīng)速率的影響 假設(shè)燃料與氧氣的反應(yīng)為完全燃燒時(shí)的單步反應(yīng) 文獻(xiàn) j 7 6 給出了以燃料物質(zhì) 的量濃度變化表示的化學(xué)反應(yīng)速率表達(dá)式 矗r 霄 等 一么e x p 一魯 c r 1 1 l c g 為燃料和氧氣的物質(zhì)的量濃度 a 為指前因子 尺表示通用氣體常 數(shù) 丁表示溫度 e 表示化學(xué)反應(yīng)活化能 由公式1 1 可以看出 溫度對化學(xué)反應(yīng)速率影響很大 為指數(shù)規(guī)律 水的降溫 作用使得燃燒室溫度較低 較低的燃燒室溫度使得推進(jìn)劑的化學(xué)反應(yīng)速率也較低 根據(jù)文中燃料與氧氣進(jìn)行總包反應(yīng)時(shí)的化學(xué)反應(yīng)活化能計(jì)算 當(dāng)燃?xì)獍l(fā)生器燃燒 室溫度由2 0 0 0 k 降至1 0 0 0 k 時(shí) 化學(xué)反應(yīng)速率下降了三個(gè)數(shù)量級 由于調(diào)溫介質(zhì)不參與化學(xué)反應(yīng) 等壓條件下加入調(diào)溫介質(zhì)后 會(huì)降低氧氣和 燃料蒸汽的物質(zhì)的量濃度 從而進(jìn)一步降低化學(xué)反應(yīng)速率 可見水的加入會(huì)導(dǎo)致液滴蒸發(fā)速率 火焰?zhèn)鞑ニ俾屎突瘜W(xué)反應(yīng)速率顯著降低 進(jìn)而影響燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火與燃燒性能 提高點(diǎn)火與燃燒性能是直接燃燒式三組元 燃?xì)獍l(fā)生器研究的重點(diǎn)和難點(diǎn) 針對該類燃?xì)獍l(fā)生器的點(diǎn)火特性和燃燒性能開展 深入研究 深化對其內(nèi)部工作過程的理解認(rèn)識 對提高該類燃?xì)獍l(fā)生器設(shè)計(jì)和應(yīng) 用水平具有重要意義 1 4 本文研究的主要內(nèi)容 本文中的燃?xì)獍l(fā)生器熱防護(hù)結(jié)構(gòu)簡單 所用燃料和氧化劑無毒 廉價(jià) 安全 不需要專門的冷卻措施和結(jié)構(gòu) 燃?xì)獍l(fā)生器本身及其供應(yīng)系統(tǒng)均得到了簡化 但 由于直接將大量水噴入燃燒室 這樣在降低了燃燒室溫度的同時(shí) 也使得液滴蒸 發(fā)速率 火焰?zhèn)鞑ニ俣群突瘜W(xué)反應(yīng)速率顯著降低 導(dǎo)致燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火與燃燒性 能顯著下降 因此提高點(diǎn)火與燃燒性能是燃?xì)獍l(fā)生器研究的重點(diǎn)和難點(diǎn) 也是本 第1 0 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院工學(xué)碩士學(xué)位論文 文的工作重點(diǎn) 現(xiàn)階段 針對直接燃燒式三組元燃?xì)獍l(fā)生器的特點(diǎn)進(jìn)行的研究并不多見 對 其點(diǎn)火特性 燃燒