裂解度對甲醇ATR發(fā)動機的性能影響分析

張留歡，杜 泉，逯婉若，張蒙正，李光熙

(西安航天動力研究所，陜西 西安710100)

0 引言

空氣渦輪火箭發(fā)動機(Air Turbo Rocket, ATR)將火箭發(fā)動機與渦輪噴氣發(fā)動機組合[1-2]，使渦輪入口氣體參數(shù)與飛行條件解耦，拓寬了發(fā)動機工作范圍，其可作為臨近空間飛行器的新型動力。

從熱力循環(huán)方式來說，ATR發(fā)動機主要分為燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)和膨脹循環(huán)兩種方案[3-7]。燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)ATR發(fā)動機多使用雙組元(液氧/液氫、液氧/甲烷及H2O2/煤油等)作為推進劑[8-9]，這種方式發(fā)動機自帶氧化劑，且推進劑低溫或熱穩(wěn)定性差；膨脹循環(huán)ATR發(fā)動機(Air-Turbo-Ram Expander Cycle，ATREX)使用液氫作為推進劑[10-11]，其做功能力強，燃燒熱值高，但密度低，儲存容積大且對材料性能要求高，操作性較差[12]。

甲醇(CH3OH)作為燃料在汽車發(fā)動機等內(nèi)燃機方面的應(yīng)用研究較多[13-15]，其成分單一，特性穩(wěn)定，屬于清潔燃料。一般利用發(fā)動機排氣余熱將常溫液體甲醇加熱、蒸發(fā)[16]，并在催化劑作用下，將甲醇裂解[17-19]為H2和CO等，進入發(fā)動機內(nèi)燃燒。甲醇裂解氣中氫氣含量最高可達(dá)67%，可充分利用氫氣的燃燒特性，但不需要解決儲氫的問題[20]。同時，裂解氣中碳?xì)浠衔锖繕O少，結(jié)焦問題不明顯。此外，張琴等[21]研究了甲醇作為吸熱燃料應(yīng)用于超燃沖壓發(fā)動機主動冷卻技術(shù)的可行性，給出了不同涂層催化劑對甲醇分解的影響結(jié)果。

本文提出了一種基于甲醇裂解工作的ATR發(fā)動機(下文簡稱甲醇ATR發(fā)動機)方案，詳細(xì)闡述了該發(fā)動機工作原理，并開展了發(fā)動機性能計算，研究了甲醇裂解度對發(fā)動機性能的影響規(guī)律，可為后續(xù)吸氣式組合發(fā)動機方案研究及推進劑選取提供新的思路。

1 工作原理及性能

甲醇ATR發(fā)動機主要包括進氣道、壓氣機、氣體發(fā)生裝置、渦輪、燃燒室、尾噴管及換熱裝置等組件。甲醇ATR發(fā)動機的特點主要是其氣體發(fā)生裝置利用甲醇受熱、催化裂解產(chǎn)生H2和CO等氣體的特性。甲醇裂解的反應(yīng)方程為：CH3OH+90kJ→2H2+CO，為吸熱反應(yīng)。圖1為甲醇ATR發(fā)動機工作原理示意圖。在發(fā)動機工作過程中，首先采用單獨設(shè)計安裝的燃?xì)獍l(fā)生器(固體或液體)產(chǎn)生高溫高壓富燃燃?xì)怛?qū)動發(fā)動機短暫工作，之后一定壓力、流量的甲醇進入發(fā)動機，通過換熱裝置實現(xiàn)升溫裂解，產(chǎn)生的高溫高壓氣相物進入氣體發(fā)生裝置，直接驅(qū)動渦輪帶動壓氣機工作，大氣中的空氣經(jīng)壓氣機增壓后直接進入渦輪后的燃燒室，在燃燒室內(nèi)和經(jīng)過渦輪做功后的可燃?xì)怏w進行燃燒，生成的高溫燃?xì)馔ㄟ^噴管膨脹產(chǎn)生推力。

為方便公式說明，圖2給出了ATR發(fā)動機組成及截面示意圖。考慮發(fā)動機遠(yuǎn)前端來流截面(序號0)及進氣道入口截面(序號1)，給定發(fā)動機入口(即壓氣機入口)截面序號為2，發(fā)動機出口(即尾噴管出口)截面序號為8。

圖1 甲醇ATR發(fā)動機工作原理示意圖Fig.1 Sketch of working principle for methanol ATR engine

圖2 ATR發(fā)動機及其截面示意圖Fig.2 Sketch of ATR engine and its sections

根據(jù)甲醇ATR發(fā)動機工作原理，建立了發(fā)動機工作平衡方程。

1)渦輪與壓氣機物理轉(zhuǎn)速平衡:

nc=nt

(1)

式中：n為物理轉(zhuǎn)速；下標(biāo)c為壓氣機；下標(biāo)t為渦輪。

2)發(fā)動機流道壓力平衡(不考慮氣體沿程壓力損失)：

(2)

式中：p為發(fā)動機截面氣體總壓；π為壓比；下標(biāo)2，4和7分別為壓氣機入口截面、渦輪入口截面和噴管喉部截面。

3)氣體質(zhì)量流量平衡：

2006年5月20日，湖南省鳳凰縣、貴州省雷山縣由于其獨特的苗族銀飾鍛造技術(shù)，順利入選國務(wù)院第一批國家級非物質(zhì)文化遺產(chǎn)代表名錄。

m7=m2+m4

(3)

式中m為單位時間通過某截面氣體質(zhì)量流量。

4)渦輪與壓氣機功率平衡(不考慮機械功損失)：

Lc=Lt

(4)

式中L為功率。

基于上述基本平衡方程，建立了發(fā)動機計算模型，發(fā)動機設(shè)計點(100%轉(zhuǎn)速百分比)部分組件參數(shù)取值見表1。發(fā)動機設(shè)計點空氣流量為10 kg/s，同時考慮到換熱裝置設(shè)計難度，給定甲醇裂解氣總溫(渦輪前氣體總溫)為1 000 K。

表1 甲醇ATR發(fā)動機設(shè)計點組件參數(shù)(部分)

基于上述發(fā)動機參數(shù)，對地面狀態(tài)甲醇ATR發(fā)動機性能進行了計算。計算過程中，假設(shè)甲醇完全裂解為H2和CO，則進入渦輪的甲醇裂解氣中H2和CO的質(zhì)量比為1∶7。圖3和圖4分別給出了完全裂解條件下甲醇ATR發(fā)動機推力F、比沖Isp和燃燒室參數(shù)(總壓p、總溫T、余氣系數(shù)α)隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速n變化結(jié)果(橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速百分比)。燃燒室參數(shù)在較大程度上影響著發(fā)動機推力性能。圖3顯示，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升，發(fā)動機推力逐漸上升，比沖先增大后減小。在90%轉(zhuǎn)速時，發(fā)動機比沖最高約793 s(介于火箭發(fā)動機與渦輪發(fā)動機之間)。甲醇裂解氣H2和CO在渦輪中做功后進入燃燒室與空氣摻混燃燒，隨著轉(zhuǎn)速上升，燃燒室余氣系數(shù)逐漸減小，燃燒總溫與總壓逐漸升高，具體如圖4所示。

圖3 推力、比沖隨轉(zhuǎn)速變化結(jié)果Fig.3 Results of thrust and specific impulse with rotating speed

圖4 燃燒室參數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化結(jié)果Fig.4 Results of combustor parameters with rotating speed

2 裂解度影響

甲醇裂解存在不完全現(xiàn)象，此時裂解氣主要含有H2和CO以及未裂解的甲醇?xì)怏w[22]。采用特殊催化劑(如銅基/鈀基催化劑[21-22])可提高甲醇裂解度N(甲醇裂解度定義為已裂解甲醇與全部甲醇質(zhì)量比)。圖5和圖6分別給出了基于上述發(fā)動機組件參數(shù)的甲醇ATR發(fā)動機甲醇流量mf、推力及比沖等隨裂解度N(75%,80%，85%，90%，95%及100%)、轉(zhuǎn)速(60%，70%，80%，90%及100%)等的變化結(jié)果。其中，假設(shè)已裂解的甲醇全部反應(yīng)為H2和CO氣體。

圖5 不同裂解度、不同轉(zhuǎn)速下甲醇流量變化結(jié)果Fig.5 Mass flow rate of methanol at different cracking ratios and rotating speeds

圖6 不同裂解度、不同轉(zhuǎn)速下推力和比沖變化結(jié)果Fig.6 Thrust and specific impulse at different cracking ratios and rotating speeds

圖7給出了1 000 K溫度條件下甲醇裂解氣比熱容cp[23]隨裂解度變化的結(jié)果。圖7顯示，隨著裂解度逐漸升高，裂解氣比熱容逐漸升高。由于渦輪等熵膨脹功有LT=mf·cp·ΔT[24]，在相同的膨脹功條件下，渦輪前裂解氣的cp越高，需要供應(yīng)的甲醇流量mf越小，發(fā)動機比沖越高，即同一轉(zhuǎn)速下，甲醇裂解度越高，裂解氣cp數(shù)值越大，甲醇流量越小，發(fā)動機比沖越高。

圖7 不同裂解度時裂解氣cp變化結(jié)果Fig.7 Specific heat capacity of cracking gas at different cracking ratios

3 結(jié)論

提出了一種基于甲醇裂解工作的ATR發(fā)動機方案，并對裂解度100%的甲醇ATR發(fā)動機性能進行計算，研究了裂解度對發(fā)動機性能的影響規(guī)律，獲得以下結(jié)論：

1)隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升，推力逐漸上升，比沖先增加后減小。在90%轉(zhuǎn)速百分比時，比沖最高。

2)在同一轉(zhuǎn)速下，隨著裂解度升高，比沖逐漸升高。在裂解度100%、轉(zhuǎn)速百分比90%條件下，發(fā)動機比沖最高達(dá)到約793 s。

3)同一轉(zhuǎn)速下，甲醇裂解度越高，裂解氣比熱容數(shù)值越大。