外热源式AIP装置无气体产生燃料金属粉末供应系统研究

李大鹏，王 臻



外热源式AIP装置无气体产生燃料金属粉末供应系统研究

李大鹏1，王 臻2

(1. 海军工程大学 动力工程学院，武汉 430033；2. 海军大连舰艇学院 外训系，辽宁大连 112600)

针对外热源式AIP装置无气体产生燃料金属粉末供应系统，对国内外相关研究现状进行了综述，提出了AIP装置金属粉末燃料供应系统的技术要求，给出了适用于AIP装置的金属粉末燃料气力供应系统的技术方案和系统构成，并对所涉及到的相关问题进行了研究和讨论。

无气体产生燃料 AIP 金属粉末 燃料供应系统

0 引言

无气体产生燃料是指一些化学物质，在正常条件下，当在与空气隔绝的封闭空间内燃烧时，其燃烧产物仅为液体或固体而不会产生气体。在外热源式AIP装置上使用无气体产生燃料，可以彻底解决AIP装置反应产物排放问题，大幅提高潜艇隐蔽性。

使用金属作为外热源式潜艇AIP装置的无气体产生燃料。金属与可与多种氧化剂反应，放出大量热量，称为“金属燃烧”。金属燃烧常使用轻金属，以Mg和Al为主。

轻金属以液态形式进入燃烧室更有利，但如果处于气态，装置性能指标会更高。轻金属如采用固态燃烧，常是粉末状颗粒，较小颗粒度的粉末会带来较高的火灾爆炸危险性，并要使用惰性气体或CO2保护的粉末运输、储存容器的装载和清空。

金属粉末燃料在冲压发动机上得到了广泛应用。金属粉末冲压发动机具有比冲高、燃料易贮存、耐老化、流量可调、可多次启动等优点，已成为冲压发动机的一个重要发展方向[1]。在此方向的研究成果，可作为使用金属粉末燃料外热源式AIP装置研究的借鉴。

金属粉末供应系统是轻金属无气体产生燃料外热源式AIP装置的重要组成部分，关系到燃烧室乃至整个AIP装置的工作性能。

本文就无气体产生燃料金属粉末燃料供应系统进行了分析，对国外相似系统进行了综述和研究，提出了适用于外热源式AIP装置的无气体产生燃料金属粉末供应系统。

1 研究现状

20世纪40年代，金属粉末作为发动机燃料的概念首次提出并开始了相关研究，但金属粉末燃料的流化与供应、燃烧效率、燃烧产物沉积等难题，使得该方向的研究停滞不前[2]。

70年代，Lofius等对Al-AP粉末燃料火箭发动机进行研究[3,4]。发动机组成包括：燃料粉末供应系统、喷射器、点火系统和燃烧室。供应系统将金属粉末燃料流化，流化后的金属粉末燃料经喷射器进入燃烧室，点火后使AP粉燃烧，进一步使Al粉燃烧。

典型的金属粉末燃料供应系统见图1。金属粉末燃料装填在燃料筒中，通过活塞杆流入的流化气体进入燃料粉末床，将金属粉末燃料流化并带走。活塞表面均匀分布小孔，可使气固混合物分布均匀，同时防止金属粉末燃料回流。

喷射器结构有同轴式和预混式。同轴式喷射器的金属粉末燃料由旁侧孔进入，被中心孔进入的氧化剂带走；预混式喷射器的燃料粉末由中心孔进入，与旁侧孔进入的氧化剂混合后喷出。

使用水和金属粉末燃料对喷射器进行了测试。金属粉末燃料为30 μm和3 μm颗粒直径的Al颗粒，按7:3的质量百分比混合，200 μm和55 μm颗粒直径的AP颗粒按77:23质量百分比混合。Al粉使用CH4流化，AP粉使用N2和O2流化。测试表明，对于同轴式喷射器结构，颗粒直径为55 μm的AP粉表现出较好的流动特性。

Meyer[5]研究的使用A1粉和O2作为推进剂的火箭发动机金属粉末燃料供应系统采用了与Lofius相似的结构。金属粉末燃料储存在圆柱形容器中，容器由N2填充。活塞杆引入气体进入圆筒并将粉末带走。活塞依靠气体推动并始终紧靠粉末，从而避免存在空隙造成的金属粉末燃料流化不稳定。

采用这种供应方式情况下，所需N2占Al粉质量的1％。实验使用颗粒直径分别为15 μm，25 μm和60 μm的Al粉。实验表明，25 μm颗粒直径Al粉的流动和燃烧性能优于其余两种颗粒直径的Al粉，且流化气流量是影响金属粉末燃料供应量的主要因素。

随着火星探测的进行，火星上Mg和CO2丰富，Mg也因此成为火星探测器推进系统燃料的首选。Goroshin[6]等研究了Mg+CO2推进系统，见图2。Mg粉由活塞推动，被CO2气流夹带输入燃烧室。Mg粉流化和供应与燃烧分离，防止Mg粉因受热而结团。

Goroshin等[7]对金属和非金属粉末用于冲压发动机的研究表明，Al粉综合性能最好。见图3所示气力输送系统。Al粉颗粒直径5.8 μm，填充比50％，使用激光探针监控粉末浓度。

美国宾西法尼亚州立大学应用实验室提出了使用Al粉与海水反应用于自主式水下航行器推进系统[8,9]。Al粉能量密度较高，海水更是取之不竭，因此，这种金属粉末燃料+氧化剂组合对于海洋动力装置具有良好的应用前景。自然，在潜艇AIP装置上的应用也是可行的。

图2 Mg+CO2推进系统

图3 气力输送系统

研究使用的金属粉末燃料供应系统与文献[3,4]中所采用的相似，都由活塞杆引入流化气，将储存在燃料筒内的金属粉末燃料流化，由电动机、压缩气体或机械推动的活塞维持气固混合物压力。铝粉填充容积率0.37，流化气可使用惰性气体或有利于点火和稳定燃烧的气体。

金属粉末燃料供应系统最多可装填的Al粉为59 kg，可连续工作时问1 h。通过改变活塞压力和喷射孔尺寸实现金属粉末燃料流量的调节。

郑邯勇等[10]指出：“Al+H2O”反应推进系统存在着反应的启动和持续问题。添加助燃剂可减少反应启动时间，使用旋风燃烧器可保证反应持续进行，向金属粉末燃料中添加粘合剂、制成流态药柱，便于燃料输送，实验研究了Al粉颗粒度、粘合剂和助燃剂对反应的影响。

孙展鹏等[11]对“Al+ H2O”反应机理进行了研究，针对反应点火困难，提出了破坏金属表面氧化物的三种方法：使外界温度高于氧化物熔点，氧化物流化，金属裸露；依靠机械应力使氧化物外壳破裂；加入化学物质与表面氧化物反应，或提高金属粉末燃料和金属氧化物的互溶性，使反应得以持续进行。

总的说来，金属粉末燃料供应系统方面的研究已有一定的基础，所提出的技术方案和研究成果，对于外热源式AIP装置无气体产生燃料金属粉末供应系统具有参考价值。

2 金属粉末燃料供应系统的技术要求

金属燃料应加工为具有微小颗粒直径的粉末，使其具有流动性。金属燃料粉末的加工和制备在岸上进行，遵守相应的工业标准和规范。

金属粉末燃料可直接向企业采购。金属燃料粉末的装载、清空、储存和运输，需要遵守相应的工业标准和规范，一般使用惰性气体或CO2保护进行。

金属粉末燃料供应系统由金属粉末燃料储存箱和气力输送系统组成。

金属粉末燃料储存在储存箱内，由气力输送系统供应给AIP装置燃烧室。点火后，与氧化剂反应，产生的高温反应产物加热AIP工质，高温高压工质进入AIP发动机，如斯特林发动机、闭式循环汽轮机和闭式循环燃气轮机内作功。

金属粉末燃料供应系统的性能直接影响燃烧室中的燃烧，并进一步影响AIP发动机的工作性能。因此，必须对金属粉末燃料供应系统进行有针对性的设计。

金属粉末燃料应能在密闭的储存箱内长期和安全储存，避免火灾爆炸危险，燃料不会老化，储存成本低。为此，可使用惰性气体或CO2充填储存箱，以起到保护作用。

金属粉末燃料的流化效果直接影响燃烧性能，从而影响AIP装置工作性能。金属粉末燃料的流化与供应也一直是金属燃料燃烧系统的技术难点，同时，也是外热源式AIP装置使用金属作为无气体产生燃料的关键技术。

气力输送系统输送的金属粉末燃料浓度应稳定且均匀，以保证燃烧室中燃烧的稳定性、提高燃烧室燃烧效率和保证其使用寿命。

气力输送系统供应给燃烧室的金属粉末燃料流量应可调节，能够保持稳定工况下的流量稳定，同时满足AIP装置的启动和停止、稳定运行、工况和功率变换的要求。

3 金属粉末燃料气力输送系统

气力输送系统是指用气体间输送固体颗粒的系统，在电力、水泥、化工、玻璃、采矿及冶金等工业领域都有着广泛应用。

由于输送物料及工况不同，气力输送有多种形式[12]。按照气流压力，分为负压、正压和混合输送；按照流动状态，分为稀相和密相输送；按照压力高低，分为低压和高压输送；按照输送气体是否循环利用，分为开放和封闭输送；按照供料方式，分为机械和仓压式输送；按照供气方式，分为连续供气和脉冲供气输送；按照输送管道形式，分为单管和双管式输送。

正压输送是依靠高于大气压的气体将金属粉末燃料输送到燃烧室，具有较高的输送流量，适合于远距离输送。负压输送系统是使用风机抽吸形成的负压气流夹带金属粉末燃料从吸嘴进入燃烧室，优点是不会发生输送气体及其夹带金属粉末燃料的外漏，但输送距离不大。

两种气力输送系统都要有过滤段，使金属粉末燃料与输送气体分离，且输送气体循环使用。对于AIP装置，输送距离一般都比较小，为减小因金属粉末燃料泄漏引发火灾和爆炸的危险，应采用负压输送系统。

气力输送是十分复杂的过程。输送过程中，金属粉末燃料被气流夹带，金属粉末燃料颗粒之间以及颗粒同气力输送系统固体壁面之间会发生碰撞，碰撞使得颗粒破碎和固体壁面磨损，这种情况在输送气体高速流动时愈发明显。如降低输送气流六度，易造成堵塞。

输送效率是气力输送系统的重要指标，主要由金属粉末燃料颗粒的尺度、分布、形状、密度、硬度、脆性、可压缩性、渗透性、粘性、分离性、爆炸性、可燃性、毒性、静电效应等几何、机械、物理和化学性质决定，并直接影响到气力输送系统的使用寿命和消耗功率。

气力输送方式分为稀相输送和密相输送。对于稀相输送，金属粉末燃料与输送气体质量流量之比较小，输送气体压力较低且流速较大，适用于输送粉末的质量和粒度较小、干燥、易流动、输送距离不大的情况。

密相输送的流速较低，固体壁面磨蚀和金属粉末燃料颗粒破碎不严重，耗气量少。由于金属粉末燃料具有火灾和爆炸危险性，一般采用惰性气体作为输送气体，密相输送较为适合。密相输送耗气量少的特点，还可使后续的分离比较容易，气体过滤设备也相对简单。

金属粉末燃料气力输送系统见图4。

图4 金属粉末燃料气力输送系统

金属粉末燃料的供应和输送气体带走金属粉末燃料，是气力输送系统的两个关键环节。金属粉末燃料的供料有4种型式。

螺旋式供料器。电机带动螺旋，利用挤压效应，将金属粉末燃料送至供料仓，再被高速输送气体带走。通过调节螺旋转速来控制金属粉末燃料流量。缺点是存在螺纹磨损问题。

旋叶式供料器。利用叶片旋转使金属粉末燃料与高速输送气流混合，进料方式与螺旋式相似，虽然不存在螺旋磨损问题，但叶片与壁面空隙大，易造成输送气体泄漏。

容积式供料器。高压输送气体的一部分将下落的金属粉末燃料吹散流化，其余气体依靠其高流速输送金属粉末燃料。该种型式的加料器密封性好、可靠性高，但造价高、耗气量大，需要大功率空气压缩机，且输送流量不稳定，磨损严重。

文丘里供料器。利用喷嘴喷出高速气体形成的负压，使金属粉末燃料被吸入供料仓，属于负压输送系统，缺点是耗气量大、效率低，且输送流量不易控制。

对于AIP装置，由于长期稳定运行和频繁功率变换的要求，供料器应能保证输送金属粉末燃料流量稳定且易于调节。此外，为保证AIP装置使用条件下的火灾爆炸安全性，金属粉末燃料的储存、输送都处于惰性气体或CO2保护下。因此，对于AIP装置，容积式供料器和文丘里供料器不做推荐，首选是旋叶式供料器和螺旋式供料器。

5 小结

针对AIP装置和AIP装置使用条件下的金属粉末燃料供应系统，由于缺乏实际运行经验积累，所提供的设计方案借鉴了航空航天、冶金等领域应用的相应系统，而这些系统的使用和运行条件，与AIP装置有较大差别。

基于AIP装置使用要求，可选用的外热源式AIP装置金属燃料范围有限，这也为今后进行有针对性的研究提供了便利。

[1] 韩超. 粉末冲压发动机燃料供应系统研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2006.

[2] 张炜, 朱慧, 方丁酉, 张为华. 冲压发动机发展现状及其关键技术[J]. 固体火箭技术, 1998, 21(3): 24-30．

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[11] 孙展鹏, 乐发仁. 铝/水反应机理初探[C]. 多样化航天动力技术进展学术会议, 2005.

[12] 张荣善．散料输送与贮存[M]. 北京: 化学工业出版社, 1994: 274-315.

Fuel Feeding System of Powered Metal Used as No-gas Generation Fuel for External Heat Resource AIP Plants

Li Dapeng1, Wang Zhen2

(1. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. Naval Dalian Warship Institute, Dalian Liaoning 112700, China)

U664 TJ83

A

1003-4862（2015）02-0026-04

2014-06-05

教育部第47批归国留学人员科研启动基金教外司留（2013）第1792号

李大鹏(1972-)，男，博士后。研究方向：舰船动力装置。