用于輔助推進(jìn)系統的燃燒器的特性研究的論文

　　輔助推進(jìn)系統與主推進(jìn)系統一樣，是航天運載系統和航天器的重要組成部分，其功用包括：姿態(tài)控制、速度修正、軌道變換組修正、位置保持、推進(jìn)劑沉底以及航天器上的各種輔助動(dòng)力裝置等。輔助推進(jìn)系統現已發(fā)展成為液體火箭推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支，其發(fā)展趨勢為：高性能、高可靠性，具有質(zhì)量輕、尺寸小、響應快、品種多的特點(diǎn)。為了解決燃燒中熱損失大，燃燒不穩定的等問(wèn)題，國際上很多研究人員采取了以下兩種措施：一方面是增加熱循環(huán)，另一方面是利用多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)，這種兩種措施已經(jīng)被驗證了其可行性和有效性。

　　本研究中，采用正庚烷作為燃燒工質(zhì)，并設計了一種帶回熱結構和多孔介質(zhì)的小型燃燒器。利用回熱結構預熱液體庚烷及未燃混合物，促進(jìn)庚烷液滴的蒸發(fā)。利用多孔介質(zhì)增加液滴蒸發(fā)表面積，增加氣體庚烷和空氣接觸的時(shí)間，使混合更充分。從可燃極限、燃燒室形狀、火焰傳播速率幾個(gè)角度進(jìn)行實(shí)驗探討。本文中定義，可燃混合氣中空氣質(zhì)量流量與燃油質(zhì)量流量之比為空燃比。

　　1 實(shí)驗方案

　　1.1 實(shí)驗系統

　　本實(shí)驗在微燃燒實(shí)驗臺上進(jìn)行�？諝獾牧髁坎捎眯吞枮镈 0727A /ZM的質(zhì)量流量控制器來(lái)調節，量程0~5SLM ，測量誤差小于滿(mǎn)量程的1% 。液體正庚烷的流量采用LSP 01-1A 型號的注射泵來(lái)調節和控制。壁面溫度和尾氣溫度選用外徑0.5m m 的K 型鎧裝熱電偶來(lái)測量，熱電偶誤差極限±0.75% (400~1300℃);采用FLIR A 40 紅外熱像儀測量套管外壁面溫度場(chǎng)。另外，選用C A N O N H F200 來(lái)記錄火焰位置及形狀。同時(shí)，利用LA B V IEW 軟件開(kāi)發(fā)的數據采集軟件來(lái)實(shí)時(shí)采集氣體流量、溫度等參數。

　　實(shí)驗中，氧化劑為空氣，通過(guò)調節正庚烷和空氣的流量來(lái)實(shí)現不同的空燃比。實(shí)驗時(shí)，采取在內管出口點(diǎn)火，回火點(diǎn)燃的方式。實(shí)驗中測量的主要參數包括:空氣和正庚烷的質(zhì)量流量;空燃比(A /F);內管外壁面溫度和尾氣溫度;火焰位置和形狀。

　　1.2 燃燒器模型

　　燃燒器直管是長(cháng)100m m、內徑4m m、外徑6m m 的石英管，水平放置。在內管內部從空氣進(jìn)氣端伸入一根外徑為0.4m m、內徑為0.24m m 的毛細不銹鋼管，它與注射泵針頭相連接。利用注射泵把液體燃料注入內管中。同時(shí)將空氣從左端口通入燃燒器。另外，為了回收部分廢氣熱量來(lái)預熱低溫的進(jìn)口反應物，進(jìn)而增加燃燒穩定性，設計了外套管結構。外套管有三種， M odel2、M odel3、M odel4，M odel2 套管底部為平底，M odel3 套管底部為圓底，M odel4 套管底部為凸底。套管均為石英材質(zhì)，總長(cháng)83m m、內徑10m m、外徑12m m。實(shí)驗中，選擇了聚丙烯腈基碳氈作為多孔介質(zhì)，其孔隙率大約為87% 。

　　毛細管尾端即庚烷出口置于碳氈內部，此時(shí)碳氈距內管出口44.5m m。燃燒器上布置了8 路熱電偶：TC 1、TC 3、TC 4 和TC 5 測量?jì)裙鼙诿鏈囟�，TC 6 測量燃燒尾氣溫度，TC 2 沿內管中軸線(xiàn)伸入多孔介質(zhì)測量碳氈內部溫度，外壁面溫度通過(guò)紅外攝像儀測得。

　　2 實(shí)驗結果與討論

　　2.1 外套管形狀對可燃極限的影響

　　本文中，用可維持燃料燃燒的最大空燃比來(lái)表征此條件下的燃料貧燃極限，同理，用可維持燃料燃燒的最小空燃比來(lái)表征此條件下的燃料富燃極限。

　　為了探索庚烷流量變化時(shí)，燃料可燃極限的變化趨勢。采用M odel2、M odel3、M odel4 進(jìn)行了多次重復性實(shí)驗，得到了可燃極限的變化規律。在實(shí)驗過(guò)程中發(fā)現，3 個(gè)模型中可燃極限的變化規律相似，只有當庚烷流量大于某臨界值時(shí)，才能維持穩定燃燒。庚烷流量小于某臨界值時(shí)，燃料燃燒產(chǎn)生的能量不足以補償庚烷蒸發(fā)和熱損失帶走的能量，因而無(wú)法維持反應進(jìn)行。以m odel2 所得數據為例，當庚烷流量更小達到0.11m g/s 時(shí)，無(wú)論如何調整空燃比都無(wú)法維持穩定燃燒。這是因為此時(shí)放熱量相當少，計算得知只有不到5W 。隨著(zhù)庚烷流量的增加，參與反應的燃料增多，反應放熱增加，空氣在一定程度的過(guò)量或者不足時(shí)依然可以維持穩定燃燒。當庚烷流量超過(guò)0.46m g/s 后，可燃極限變化趨于平緩。富燃極限幾乎都維持在5.5 左右;貧燃極限則在35附近略有波動(dòng)。

　　通過(guò)M odel2、M odel3、M odel4 中可燃極限的對比，可以看出可燃極限值最高的是M odel4，其次是M odel2，M odel3 中的可燃極限值最低。即在擴展可燃極限上，凸底套管最優(yōu)，平底套管其次，圓底套管效果最差。

　　2.2 外套管形狀對散熱的影響

　　在庚烷流量為0.8m g/s (A /F=7.69) 和0.57m g/s (A /F=10.76)條件下，分別對M odel2、M odel3、M odel4 中內外管壁壁面的溫度分布進(jìn)行了測量。實(shí)驗結果表明，庚烷流量為0.8m g/s (A /F=7.69) 時(shí)三模型中的燃燒火焰都穩定在坐標-10m m 到10m m 之間。在這一條件下，3 模型中得到的最高溫度(即TC 6 測得的廢氣溫度) 基本相同，其中M odel4 的外壁面平均溫度最低，熱量損失較少。

　　2.3 火焰傳播速率

　　改變空氣流量和庚烷流量，使燃料A /F 固定為8.5。采用M odel2進(jìn)行的燃燒實(shí)驗，并測得了溫度分布。

　　實(shí)驗結果表明，在R e 為50.2~68.13 (庚烷流量為0.34~0.46m g/s)區間段，TC 1、TC 3 和TC 2 溫度稍有下降，而TC 4、TC 5、TC 6 溫度則略有升高，這表示此時(shí)燃料流速略大于火焰傳播速率，火焰從TC 1附近非常緩慢的移向下游。在R e 為68.13~132.69 (庚烷流量為0.46~0.92m g/s)這段區間，各熱電偶測得的溫度變化較大，說(shuō)明此時(shí)的燃氣流速明顯大于火焰的傳播速度，火焰較快速的向管口移動(dòng);當R e 增加到132.69 時(shí)火焰接近內管出口。觀(guān)察R e 為132.69~200.82 (庚烷流量為0.92~1.36m g/s)這段區間，排氣和各處管壁溫度都呈現出基本穩定略有線(xiàn)性增加的趨勢。TC 2 所反映的多孔介質(zhì)溫度則呈現基本穩定略有下降的趨勢。同時(shí)試驗中觀(guān)察到火焰位置沒(méi)有發(fā)生太大的變化，可見(jiàn)，隨著(zhù)燃燒溫度的增加，火焰的傳播速率也在增加。

　　3 結論

　　1)當庚烷流量小于某臨界值時(shí)，燃燒器無(wú)法穩定工作。隨著(zhù)庚烷流量的增加，可燃極限增加，但增加趨勢隨著(zhù)庚烷流量的更加逐漸趨于平緩。

　　2)外套管底部形狀對燃燒的穩定有一定的影響，總體來(lái)看，由于壁面對流場(chǎng)的影響，底部為平底時(shí)更有利于增加可燃極限。

　　3)隨著(zhù)燃燒室內溫度的增加，火焰的傳播速率也在增加。

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