用于輔助推進系統(tǒng)的燃燒器的特性研究的論文
輔助推進系統(tǒng)與主推進系統(tǒng)一樣，是航天運載系統(tǒng)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(tǒng)現(xiàn)已發(fā)展成為液體火箭推進技術(shù)領(lǐng)域中的一個重要分支，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。為了解決燃燒中熱損失大，燃燒不穩(wěn)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(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(shè)計了一種帶回熱結(jié)構(gòu)和多孔介質(zhì)的小型燃燒器。利用回熱結(jié)構(gòu)預熱液體庚烷及未燃混合物，促進庚烷液滴的蒸發(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間，使混合更充分。從可燃極限、燃燒室形狀、火焰?zhèn)鞑ニ俾蕩讉€角度進行實驗探討。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 實驗方案
1.1 實驗系統(tǒng)
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(zhì)量流量控制器來調(diào)節(jié)，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(diào)節(jié)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(fā)的數(shù)據(jù)采集軟件來實時采集氣體流量、溫度等參數(shù)。
實驗中，氧化劑為空氣，通過調(diào)節(jié)正庚烷和空氣的流量來實現(xiàn)不同的空燃比。實驗時，采取在內(nèi)管出口點火，回火點燃的方式。實驗中測量的主要參數(shù)包括:空氣和正庚烷的質(zhì)量流量;空燃比(A /F);內(nèi)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(nèi)徑4m m、外徑6m m 的.石英管，水平放置。在內(nèi)管內(nèi)部從空氣進氣端伸入一根外徑為0.4m m、內(nèi)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(nèi)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(wěn)定性，設(shè)計了外套管結(jié)構(gòu)。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83m m、內(nèi)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(zhì)，其孔隙率大約為87% 。
毛細管尾端即庚烷出口置于碳氈內(nèi)部，此時碳氈距內(nèi)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(nèi)管壁面溫度，TC 6 測量燃燒尾氣溫度，TC 2 沿內(nèi)管中軸線伸入多孔介質(zhì)測量碳氈內(nèi)部溫度，外壁面溫度通過紅外攝像儀測得。
2 實驗結(jié)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(guī)律。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，3 個模型中可燃極限的變化規(guī)律相似，只有當庚烷流量大于某臨界值時，才能維持穩(wěn)定燃燒。庚烷流量小于某臨界值時，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，因而無法維持反應進行。以m odel2 所得數(shù)據(jù)為例，當庚烷流量更小達到0.11m g/s 時，無論如何調(diào)整空燃比都無法維持穩(wěn)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(wěn)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(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(nèi)外管壁壁面的溫度分布進行了測量。實驗結(jié)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(wěn)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?zhèn)鞑ニ俾?/p>
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(jié)果表明，在R e 為50.2~68.13 (庚烷流量為0.34~0.46m g/s)區(qū)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?zhèn)鞑ニ俾?，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(qū)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(nèi)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(qū)間，排氣和各處管壁溫度都呈現(xiàn)出基本穩(wěn)定略有線性增加的趨勢。TC 2 所反映的多孔介質(zhì)溫度則呈現(xiàn)基本穩(wěn)定略有下降的趨勢。同時試驗中觀察到火焰位置沒有發(fā)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(jié)論
1)當庚烷流量小于某臨界值時，燃燒器無法穩(wěn)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(wěn)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(nèi)溫度的增加，火焰的傳播速率也在增加。
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