气氧/煤油富燃燃气发生器积碳特性试验研究

张 锋，严 宇，杨伟东，杨尚荣

(1.西安航天动力研究所，陕西 西安 710100；2.液体火箭发动机技术重点实验室，陕西 西安 710100)

气氧/煤油富燃燃气发生器积碳特性试验研究

张 锋1，2，严 宇1，2，杨伟东1，2，杨尚荣1，2

(1.西安航天动力研究所，陕西 西安 710100；2.液体火箭发动机技术重点实验室，陕西 西安 710100)

开展了气氧/煤油富燃燃气发生器在混合比0.25～0.50、室压1.0～4.0 MPa范围内的燃烧试验，获得了混合比和室压对发生器碳烟生成及沉积特性的影响规律。试验表明，在本研究范围内，富燃燃气发生器内的燃烧未达到化学平衡状态。当混合比小于0.4时，积碳量随混合比的增大略有增加，但均不明显；当混合比大于0.4时，积碳量显著增加。在室压1.0～4.0 MPa范围内，室压对碳烟的生成具有重要影响，并存在一个介于1.0～2.0 MPa之间的临界压力，当室压低于此临界压力时，燃烧过程中无碳烟生成。

煤油；富燃燃气发生器；碳烟；临界压力

0 引言

世界各国现有的液氧/煤油发动机主要有补燃循环和燃气发生器循环两种发动机系统方案。俄罗斯的RD-120和RD-180发动机及中国的YF-100和YF-115发动机等液氧/煤油发动机均采用了补燃循环[1]，除了发动机总体比冲性能较高之外，由于采用了富氧燃气发生器，还避免了富燃燃气发生器存在的积碳问题。美国的F1，H1和Merlin系列发动机和俄罗斯RD-108和RD-111发动机等液氧/煤油发动机则采用了燃气发生器循环[2-3]，虽然该循环发动机比冲较低，但由于其系统相对简单、工作更可靠、生产使用成本较低，仍具有一定的生存空间。对于燃气发生器循环液氧/煤油火箭发动机来说，富燃燃气发生器的积碳问题是必须解决的技术难题，以避免过多的积碳影响涡轮的正常工作。

上世纪80、90年代，美国针对液氧/煤油发动机富燃燃气发生器的积碳问题进行了大量研究工作。Lawver[4-5]开展了液氧/煤油富燃燃气发生器混合比范围0.238～0.367、室压范围8.9～17.5 MPa的积碳试验，通过测量安装在发生器收敛段前的涡轮模拟件前、后压差随试验时间的变化以推算涡轮模拟件流通面积的变化，进而得到模拟件通道壁面上积碳厚度随时间的变化。然而，由于涡轮模拟叶片受热膨胀同样会造成涡轮模拟件流通面积的减小，因此，很难通过涡轮模拟件流通面积的减小准确确定其壁面的积碳速率。如果将测量得到的流通面积的减小完全归因于积碳的话，该试验得到的相同混合比条件下的积碳速率是太阳神I发动机燃气发生器积碳速率的2～4倍。Merlyn等人[6]借鉴了Lawver的试验方法开展了混合比范围0.25～1.0、室压范围为5～10 MPa的液氧/煤油富燃积碳试验，重点研究了混合比与室压对积碳特性的影响。其试验结果表明，混合比0.34与0.25时的积碳速率基本相当且均不太明显，而混合比增大至0.57时，积碳速率明显增大；此外，在相同混合比情况下，室压对积碳速率的影响不明显，且无明显规律。随后，美国Aerojet公司针对液氧/煤油、液氧/丙烷和液氧/甲烷富燃燃气发生器的积碳问题进行了大量试验研究[7]。其试验结果表明，在所研究条件范围内(混合比0.2～0.6、室压5～11.5 MPa)，混合比是影响积碳速率的主要因素，压力的影响很小；当混合比小于0.4时，液氧/煤油与液氧/丙烷的积碳均不明显；液氧/甲烷在混合比0.2～0.6范围内均不存在积碳问题。上述试验结果[4-7]均表明，在混合比较低时，液氧/煤油富燃燃烧过程由液滴蒸发和化学动力学双重因素控制，并未达到化学平衡状态，受此影响，实际碳烟生成量与燃气温度和特征速度一样，均明显低于化学平衡模型的预测结果。

在碳烟生成机理及其仿真研究方面，直到上实际80年代初，对于碳烟的反应生成路径仍然是未知的。1984年，Frenklach[8-11]通过大量实验和理论研究，提出了一套目前被广泛采用的碳烟生成路径及机理，该机理认为，燃烧过程中碳烟的生成与前驱物PAH(多环芳香烃，如芘C16H10)的产率密切相关。前驱物PAH相互碰撞而发生二聚反应，并形成初始的碳烟颗粒。乙烯对初始二聚物的生成起了决定性作用。在该机理中，碳烟的生成过程包含了四个过程：晶核形成、凝结、表面生长和氧化。1992年，Nickerson和Johnson[2，12]在上述碳烟生成机理基础上对TDK计算程序进行了改进，并对可能会生成碳烟的液氧/烃(煤油、甲烷、丙烷)富燃燃烧室进行了性能计算。结果表明，改进后的程序可以准确预测上述三种推进剂组合的富燃燃气发生器的性能参数和混合比对燃气中碳烟质量含量的影响规律，碳烟的生成过程主要取决于温度和混合比，受压力的影响较弱。2004年，韩国的Lee和Yu[13]采用文献[14]给出的煤油燃烧详细反应机理以及Frenklach提出的碳烟生成机理发展出了一套液氧/煤油富燃燃烧非平衡化学反应计算模型，并对混合比0.3～0.4范围内碳烟生成情况进行了仿真预测。其仿真结果表明，在该混合比范围内，燃气中碳烟的体积分数小至可以忽略，仅为10-9量级。该结果与文献[2]的计算结果一致。

国内有关液氧/煤油富燃燃烧的研究较少。本文作者开展了气氧/煤油富燃燃气发生器燃烧试验，研究了气氧/煤油富燃燃气发生器的热力特性[16]和积碳特性。本文将主要介绍积碳特性方面的研究结果。

1 试验装置与试验工况

1.1 试验装置

气氧/煤油富燃燃气发生器结构为内径Φ40的热沉结构(见图1)，主要由喷注器、圆柱段、扰流环、涡轮叶片模拟件、喷管段等部分组成。燃气发生器采用火花塞进行点火，火花塞位于喷注器的中心位置，在其周围安装有3个气氧/煤油同轴直流离心喷嘴。在文献[16]中已经对喷嘴的主要结构尺寸以及试验中压力、流量、温度等参数的测量方法进行了详细介绍，此处不再赘述。

涡轮叶片模拟件安装在发生器圆柱段和喷管段之间。随着试验时间的延续，流经叶片间燃气通道的燃气中的碳烟将逐渐在叶片壁面上沉积，随着碳烟沉积厚度的增大，燃气流通面积不断减小，模拟件前、后的压差将逐渐增大，由此可以反推出碳烟厚度随时间的变化规律。文献[4-6]均基于此实现了对叶片壁面上积碳厚度的测量。但该方式对测量模拟件前、后压差的压力传感器的测量精度要求很高。本文采用了称重法，即测量涡轮模拟件试验前后重量求其差值的方式以获得各试验工况的涡轮叶片模拟件中的积碳质量。

1.2 试验工况

表1 混合比影响试验工况表Tab.1 Operating conditions of Test I

表2 室压影响试验工况表Tab.2 Operating conditions of Test II

2 试验结果与分析

2.1 混合比对碳烟生成及沉积特性的影响

图2给出了混合比影响试验(Test I)各工况尾气排放照片。从图中可以看出，在室压3.0 MPa、混合比0.25～0.50范围内，随着混合比的增大，尾气的颜色由浅灰色逐渐变为深灰色，并最后变为浓黑色，说明在此混合比范围内尾气中均有一定程度的碳烟存在，而且尾气中的碳烟含量随着混合比的增大而逐渐增大；这一趋势在混合比超过0.4之后，变化更加明显。该变化趋势与各工况涡轮叶片模拟件的积碳量变化趋势也是相互吻合的，如图3和图4所示。由图4可以看出，当混合比小于0.4时，积碳量随混合比的增大略有增加，但总体相对较少；当混合比大于0.4时，积碳量显著增加。这一变化趋势与文献[6]和[7]的试验结果是一致的，这与基于化学平衡理论预测的变化趋势恰恰相反，如图4所示。这说明，在本实验研究的混合比工况条件下，氧气与煤油的燃烧反应未达到化学平衡状态。

2.2 室压对碳烟生成及沉积特性的影响

图5给出了室压影响试验(Test II)各工况尾气排放照片。从图中可以看出，在混合比0.4的情况下，室压为2.0 MPa，3.0 MPa和4.0 MPa时，均呈现出了不同程度的灰色，而且随着室压的增大，尾气颜色逐渐加深，说明尾气中的碳烟含量随室压的增大而逐渐增大。然而，室压为1.0 MPa时，尾气则与上述3个室压时的尾气显著不同，呈现的完全是“白色蒸气”状，丝毫看不出有碳烟的存在。上述4个工况涡轮叶片模拟件试验前后的重量变化如图所示，可见积碳量的随室压的变化趋势与尾气的变化趋势是一致的。由此可以认为，在混合比0.4、室压1.0～4.0 MPa的范围内，室压对碳烟的生成有重要影响，存在一个介于1.0～2.0 MPa之间的临界压力，当室压低于此临界压力时，燃烧过程中无碳烟生成，而当室压高于此临界压力时，燃气中的碳烟含量随着室压的增大而增大。由于本文只开展了混合比为0.4条件下的室压对碳烟生成及沉积特性的影响试验，因此，其它混合比条件下，是否仍存在上述临界压力以及临界压力值随混合比如何变化等问题需要后续开展进一步的试验研究。

室压对积碳特性的上述影响规律与文献[6]和[7]的“室压对积碳速率的影响不明显”的研究结论不一致，但两者并不矛盾。这是因为由于本文与后者试验的室压范围不同导致的。由图6可以看出，虽然积碳速率随着室压的增大而不断增大，但增大幅度随着室压的增大而逐渐减小，可以预期，随着室压的继续增大，其对积碳速率的影响将变得不再明显，这将与文献[6]和[7]的结论是一致的。

3 结论

本文通过对以气氧/煤油富燃燃气发生器的积碳试验，得出以下结论：

1)室压为3 MPa的情况下，当混合比小于0.4时，积碳量随混合比的增大略有增加，但总体而言相对较少；当混合比大于0.4时，积碳量显著增加。

2)在本试验研究范围内，氧气与煤油的燃烧反应未达到化学平衡状态，碳烟含量随混合比的变化趋势与化学平衡理论预测结果相反。

3)混合比为0.4的情况下、在室压1.0～4.0 MPa的范围内，室压对碳烟的生成有重要影响，并且存在一个介于1.0～2.0 MPa之间的临界压力，当室压低于此临界压力时，燃烧过程中无碳烟生成；而当室压高于此临界压力时，燃气中的碳烟含量随着室压的增大而增大，但增大幅度随着室压的增大而逐渐减小。

4)后续将进一步开展更大混合比范围内及更高室压条件下的碳烟生成及沉积特性的试验研究。

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Experimental investigation on soot deposition in a fuel-rich GOX/kerosene gas generator

ZHANG Feng1，2，YAN Yu1，2，YANG Weidong1，2，YANG Shangrong1，2

(1. Xi’an Aerospace Propulsion Institute，Xi’an 710100，China； 2. Science and Technology on Liquid Rocket Engine Laboratory，Xi’an 710100，China)

A series of combustion experiments were carried out using a fuel-rich GOX/kerosene gas generator，at mixture ratios from 0.25 to 0.50 and chamber pressures from 1.0 to 4.0 MPa. The effects of mixture ratio and chamber pressure on soot formation and deposition characteristics were obtained. The results showed that the state of chemical equilibrium was not attained in the combustion process. When mixture ratio is smaller than 0.4，soot deposition is not significant and increases with the increase of mixture ratio slightly；when mixture ratio is larger than 0.4，soot deposition increases remarkably. At chamber pressure from 1.0 to 4.0 MPa，soot formation is found to be strongly dependent on chamber pressure. There is a critical pressure for soot formation which is between 1.0～2.0 MPa. If chamber pressure is smaller than the critical pressure，there is no soot formation in the combustion.

kerosene；fuel-rich gas generator；soot；critical pressure

2017-04-25；

2017-07-21

重点实验室基金项目(61427040101)

张锋(1981—)，男，硕士，高级工程师，研究领域为喷雾燃烧技术

V434+.22-34

A

1672-9374(2017)06-0076-06

(编辑：陈红霞)