用于輔助推進系統的燃燒器的特性研究的論文

用于輔助推進系統的燃燒器的特性研究的論文

　　輔助推進系統與主推進系統一樣，是航天運載系統和航天器的重要組成部分，其功用包括：姿態控制、速度修正、軌道變換組修正、位置保持、推進劑沉底以及航天器上的各種輔助動力裝置等。輔助推進系統現已發展成為液體火箭推進技術領域中的一個重要分支，其發展趨勢為：高性能、高可靠性，具有質量輕、尺寸小、響應快、品種多的特點。為了解決燃燒中熱損失大，燃燒不穩定的等問題，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，另一方面是利用多孔介質燃燒技術，這種兩種措施已經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，并設計了一種帶回熱結構和多孔介質的小型燃燒器。利用回熱結構預熱液體庚烷及未燃混合物，促進庚烷液滴的蒸發。利用多孔介質增加液滴蒸發表面積，增加氣體庚烷和空氣接觸的時間，使混合更充分。從可燃極限、燃燒室形狀、火焰傳播速率幾個角度進行實驗探討。本文中定義，可燃混合氣中空氣質量流量與燃油質量流量之比為空燃比。

　　1 實驗方案

　　1.1 實驗系統

　　本實驗在微燃燒實驗臺上進行。空氣的流量采用型號為D 0727A /ZM的質量流量控制器來調節，量程0~5SLM ，測量誤差小于滿量程的1% 。液體正庚烷的流量采用LSP 01-1A 型號的注射泵來調節和控制。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。另外，選用C A N O N H F200 來記錄火焰位置及形狀。同時，利用LA B V IEW 軟件開發的數據采集軟件來實時采集氣體流量、溫度等參數。

　　實驗中，氧化劑為空氣，通過調節正庚烷和空氣的流量來實現不同的空燃比。實驗時，采取在內管出口點火，回火點燃的方式。實驗中測量的主要參數包括:空氣和正庚烷的質量流量;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預熱低溫的進口反應物，進而增加燃燒穩定性，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，總長83m m、內徑10m m、外徑12m m。實驗中，選擇了聚丙烯腈基碳氈作為多孔介質，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 測量內管壁面溫度，TC 6 測量燃燒尾氣溫度，TC 2 沿內管中軸線伸入多孔介質測量碳氈內部溫度，外壁面溫度通過紅外攝像儀測得。

　　2 實驗結果與討論

　　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表征此條件下的燃料富燃極限。

　　為了探索庚烷流量變化時，燃料可燃極限的變化趨勢。采用M odel2、M odel3、M odel4 進行了多次重復性實驗，得到了可燃極限的變化規律。在實驗過程中發現，3 個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，才能維持穩定燃燒。庚烷流量小于某臨界值時，燃料燃燒產生的能量不足以補償庚烷蒸發和熱損失帶走的能量，因而無法維持反應進行。以m odel2 所得數據為例，當庚烷流量更小達到0.11m g/s 時，無論如何調整空燃比都無法維持穩定燃燒。這是因為此時放熱量相當少，計算得知只有不到5W 。隨著庚烷流量的增加，參與反應的燃料增多，反應放熱增加，空氣在一定程度的過量或者不足時依然可以維持穩定燃燒。當庚烷流量超過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。

　　通過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，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行了測量。實驗結果表明，庚烷流量為0.8m g/s (A /F=7.69) 時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進行的燃燒實驗，并測得了溫度分布。

　　實驗結果表明，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，說明此時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;當R e 增加到132.69 時火焰接近內管出口。觀察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性增加的趨勢。TC 2 所反映的多孔介質溫度則呈現基本穩定略有下降的趨勢。同時試驗中觀察到火焰位置沒有發生太大的變化，可見，隨著燃燒溫度的增加，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，燃燒器無法穩定工作。隨著庚烷流量的增加，可燃極限增加，但增加趨勢隨著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，總體來看，由于壁面對流場的影響，底部為平底時更有利于增加可燃極限。

　　3)隨著燃燒室內溫度的增加，火焰的傳播速率也在增加。

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