液氧甲烷缩比喷注器地面试验预混器设计与改造

姚巍 王超月

摘要：在研究液氧甲烷缩比喷注器地面试验时，燃料路获需取低温甲烷气体（200K和234K两种状态），采用了预混器的方式;将低温液甲烷与常温气体混合，得到所需要温度的低温甲烷气体。

关键词：液氧/甲烷缩比喷注器;预混器系统;低温甲烷气体

1、引言

液氧甲烷缩比喷注器试验是为了确定全尺寸推力室喷嘴方案而必须开展的试验，通过缩比试验，可以获取不同结构参数和工作参数的双组元同轴直流式喷嘴、离心式喷嘴的流量特性和雾化、燃烧性能，并验证液氧甲烷缩比喷注器起动点火时序及点火安全性;液氧甲烷缩比试验采用液氧和不同温度的低温气态甲烷点火，其中不同的低温气态甲烷的获取主要采用预混器的设计将常温气体与低温液甲烷混合得到，本文主要介绍了预混器系统的设计与改造。

2、系统组成及试验能力

2.1 液态甲烷输送系统

建立的液态甲烷输送系统主要由液态甲烷贮箱、液态甲烷增压组件、低温阀门、补偿器、流量计、汽蚀管、及对接金属软管等组成。其主要元件参数如下：

（1）液态甲烷输送系统设计压力：17.6MPa

（2）液态甲烷贮箱：V=1.5m3，PN17.6Mpa;内设置电容式液位计，可以远距离测量贮箱内液面高度并判断推进剂的体积量，试车时增压气体气垫量和安全剩余量能够满足试验使用要求;

（3）主管道内径为DN50不锈钢管路，外层发泡绝热保温;

（4）加注过滤器DN25 PN20MPa 过滤精度40?，主管路過滤器DN40 PN20MPa，过滤精度40?;

（5）主管道补偿器：DN50 PN20MPa不锈钢波纹管，系统设置的补偿量大于2mm/m

（6）主输送管路安装汽蚀管和低温涡轮流量计，汽蚀管用于控制推进剂流量，涡轮流量计用于测量试验过程中推进剂流量，低温涡轮流量计规格为：DN50 PN20MPa  体积流量范围0～16L/s;

（7）液态甲烷增压系统：采用多路“孔板+电磁阀”智能控制增压方式，可实现手动和按程序自动增压，增压气体采用氢气增压，流量最大可达0.5kg/s;

（8）汽蚀管、流量计入口设置温度和压力测点，用以换算液态甲烷密度和判断系统管路预冷温度，汽蚀管并联旁路阀门，以便于汽蚀管后系统的预冷;

（9）系统主要阀门采用可远程控制的气动阀门，贮箱设置智能放气阀门和安全阀，确保试验系统安全;

（10）液态甲烷排空管：DN200铝制排空管，H型结构，参照氢气排空标准设置，用于贮箱内液态甲烷挥发后的甲烷气体及增压氢气的排放。

2.2 常温气态甲烷输送系统

建立的温度气态甲烷输送系统主要由常温甲烷集气排、常温甲烷气源阀、自动增压系统、缓冲气罐、音速喷嘴、常温甲烷应急阀门及输送管路等组成。为保证较小的压力损失，输送主管路内径采用DN50不锈钢管路，系统主要元件参数如下：

（1）液态甲烷输送系统设计压力：20MPa

（2）常温甲烷气源：40瓶、80L、20Mpa常温甲烷气瓶;

（3）气态甲烷自动增压系统：采用多路“孔板+电磁阀”智能控制增压方式，可实现手动和按程序自动增压，增压气体采用氢气增压，流量最大可达2kg/s;

（4）缓冲气罐：V=0.9m3，PN20Mpa;用于稳定音速喷嘴入口压力，防止气态甲烷流量波动较大;

（5）音速喷嘴： 入口压力15MPa，入口温度300K，用于控制气态甲烷流量，音速喷嘴入口安装温度和压力测点，便于计算气态甲烷密度和流量核算;

（6）系统主要阀门：采用远程控制气动阀门，规格为DN50、PN23Mpa，缓冲器管设置安全阀和安全排空系统，确保试验系统安全;

2.3 预混器系统

为获取低温甲烷气体（200K和234K两种状态），采用了预混器的方式获取，其原理是根据质量守恒定律和等焓定律，采用液态甲烷（约120K）和常温甲烷气体混合式换热的方式，因此，试验系统配备了预混器系统。结构为层板式高压低温混合器，分为液态甲烷层板和气态甲烷层板，两种介质按照一定的流量进入预混器后均匀混合，获取稳定的低温气态甲烷温度。

本项试验中，预冷器获取210K低温甲烷理论计算约为LCH4：CH4=1：1.9，考虑到试验前预冷效果，实际约为LCH4：CH4=1：2。主要参数元件如下：

（1）预混器：高压低温层板式预混器，其材料的耐压强度可满足静压条件下15MPa压力;（2）甲烷主阀：低温截止阀门，DN65、PN20Mpa;（3）甲烷预冷阀：DN25、PN20Mpa;（4）甲烷过滤器：DN40、PN23Mpa，过滤精度14?;（5）高压金属软管：DN25、PN15Mpa，L=0.8m;（6）输送管路：Φ58×4、Φ48×4，1Cr18Ni9Ti冷拔不锈钢无缝钢管。

3.预混器技术研究

3.1 预混器结构设计

采用层板式高压低温气体预混器获取低温甲烷气体，其基本设计原理是将一定量的常温甲烷气体和液态甲烷通入到预混器中进行换热，获得需要的低温甲烷气体，根据低温甲烷气体要求的温度配置不同流量的液态甲烷和气态甲烷，其遵循质量守恒定律和等焓定律，层板式混合器是利用层板的微小缝隙将常温、低温试验介质掺混，在相临两个很薄的流体层间存在着较大的温度梯度和浓度梯度，导致两层流体强烈地扩散和掺混直到温度和组分达到均匀分布。通过调节液态甲烷/常温气态甲烷的流量比，即可得到要求的总流量、温度及压力值。

其主体由厚度为1mm的250片液态甲烷层板和250片气态甲烷层板组成。每个层板在中心设一个孔，圆周处有多个与中心孔相通的孔，由中心孔连接形成低温气态甲烷通道。

3.2 试验冷调与结果

试验前，对预混器进行调试，摸清实际液气配比，获得低温甲烷气体（即预混器出口温度调试）;预混器液气比为0.82：1时，预混器出口温度可达到200 5K;当预混器液气比为0.47：1.35时，预混器出口温度可达到220 5K;预混器调试共进行了3天十几次的调试，在预混器调试结束后，进行了调试后的数据分析和技术交流，认为预混器出口温度满足试验要求。图1为液气比为0.82：1时的温度曲线;图2为液气比为0.47：1.35时的温度曲线;

4.结论

建立的液氧甲烷缩比喷注器头部降温挤压试验系统已经成功完成液氧甲烷缩比喷注器试验7次，证明预混器系统完全满足液氧甲烷缩比喷注器试验任务要求，系统安全、合理、可靠。

参考文献：

1  郭霄峰，液体火箭发动机试验 .北京：宇航出版社，1990

2 王占林，低温贮箱增压问题探讨 北京：低温工程，2005

3  孙万民，层板式高压气氢混合器 北京：适用新型专利，2009