液氧甲烷縮比噴注器地面試驗預(yù)混器設(shè)計與改造

姚巍 王超月

摘要：在研究液氧甲烷縮比噴注器地面試驗時，燃料路獲需取低溫甲烷氣體（200K和234K兩種狀態(tài)），采用了預(yù)混器的方式;將低溫液甲烷與常溫氣體混合，得到所需要溫度的低溫甲烷氣體。

關(guān)鍵詞：液氧/甲烷縮比噴注器;預(yù)混器系統(tǒng);低溫甲烷氣體

1、引言

液氧甲烷縮比噴注器試驗是為了確定全尺寸推力室噴嘴方案而必須開展的試驗，通過縮比試驗，可以獲取不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)的雙組元同軸直流式噴嘴、離心式噴嘴的流量特性和霧化、燃燒性能，并驗證液氧甲烷縮比噴注器起動點火時序及點火安全性;液氧甲烷縮比試驗采用液氧和不同溫度的低溫氣態(tài)甲烷點火，其中不同的低溫氣態(tài)甲烷的獲取主要采用預(yù)混器的設(shè)計將常溫氣體與低溫液甲烷混合得到，本文主要介紹了預(yù)混器系統(tǒng)的設(shè)計與改造。

2、系統(tǒng)組成及試驗?zāi)芰?/p>

2.1 液態(tài)甲烷輸送系統(tǒng)

建立的液態(tài)甲烷輸送系統(tǒng)主要由液態(tài)甲烷貯箱、液態(tài)甲烷增壓組件、低溫閥門、補償器、流量計、汽蝕管、及對接金屬軟管等組成。其主要元件參數(shù)如下：

（1）液態(tài)甲烷輸送系統(tǒng)設(shè)計壓力：17.6MPa

（2）液態(tài)甲烷貯箱：V=1.5m3，PN17.6Mpa;內(nèi)設(shè)置電容式液位計，可以遠距離測量貯箱內(nèi)液面高度并判斷推進劑的體積量，試車時增壓氣體氣墊量和安全剩余量能夠滿足試驗使用要求;

（3）主管道內(nèi)徑為DN50不銹鋼管路，外層發(fā)泡絕熱保溫;

（4）加注過濾器DN25 PN20MPa 過濾精度40?，主管路過濾器DN40 PN20MPa，過濾精度40?;

（5）主管道補償器：DN50 PN20MPa不銹鋼波紋管，系統(tǒng)設(shè)置的補償量大于2mm/m

（6）主輸送管路安裝汽蝕管和低溫渦輪流量計，汽蝕管用于控制推進劑流量，渦輪流量計用于測量試驗過程中推進劑流量，低溫渦輪流量計規(guī)格為：DN50 PN20MPa? 體積流量范圍0～16L/s;

（7）液態(tài)甲烷增壓系統(tǒng)：采用多路“孔板+電磁閥”智能控制增壓方式，可實現(xiàn)手動和按程序自動增壓，增壓氣體采用氫氣增壓，流量最大可達0.5kg/s;

（8）汽蝕管、流量計入口設(shè)置溫度和壓力測點，用以換算液態(tài)甲烷密度和判斷系統(tǒng)管路預(yù)冷溫度，汽蝕管并聯(lián)旁路閥門，以便于汽蝕管后系統(tǒng)的預(yù)冷;

（9）系統(tǒng)主要閥門采用可遠程控制的氣動閥門，貯箱設(shè)置智能放氣閥門和安全閥，確保試驗系統(tǒng)安全;

（10）液態(tài)甲烷排空管：DN200鋁制排空管，H型結(jié)構(gòu)，參照氫氣排空標準設(shè)置，用于貯箱內(nèi)液態(tài)甲烷揮發(fā)后的甲烷氣體及增壓氫氣的排放。

2.2 常溫氣態(tài)甲烷輸送系統(tǒng)

建立的溫度氣態(tài)甲烷輸送系統(tǒng)主要由常溫甲烷集氣排、常溫甲烷氣源閥、自動增壓系統(tǒng)、緩沖氣罐、音速噴嘴、常溫甲烷應(yīng)急閥門及輸送管路等組成。為保證較小的壓力損失，輸送主管路內(nèi)徑采用DN50不銹鋼管路，系統(tǒng)主要元件參數(shù)如下：

（1）液態(tài)甲烷輸送系統(tǒng)設(shè)計壓力：20MPa

（2）常溫甲烷氣源：40瓶、80L、20Mpa常溫甲烷氣瓶;

（3）氣態(tài)甲烷自動增壓系統(tǒng)：采用多路“孔板+電磁閥”智能控制增壓方式，可實現(xiàn)手動和按程序自動增壓，增壓氣體采用氫氣增壓，流量最大可達2kg/s;

（4）緩沖氣罐：V=0.9m3，PN20Mpa;用于穩(wěn)定音速噴嘴入口壓力，防止氣態(tài)甲烷流量波動較大;

（5）音速噴嘴： 入口壓力15MPa，入口溫度300K，用于控制氣態(tài)甲烷流量，音速噴嘴入口安裝溫度和壓力測點，便于計算氣態(tài)甲烷密度和流量核算;

（6）系統(tǒng)主要閥門：采用遠程控制氣動閥門，規(guī)格為DN50、PN23Mpa，緩沖器管設(shè)置安全閥和安全排空系統(tǒng)，確保試驗系統(tǒng)安全;

2.3 預(yù)混器系統(tǒng)

為獲取低溫甲烷氣體（200K和234K兩種狀態(tài)），采用了預(yù)混器的方式獲取，其原理是根據(jù)質(zhì)量守恒定律和等焓定律，采用液態(tài)甲烷（約120K）和常溫甲烷氣體混合式換熱的方式，因此，試驗系統(tǒng)配備了預(yù)混器系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)為層板式高壓低溫混合器，分為液態(tài)甲烷層板和氣態(tài)甲烷層板，兩種介質(zhì)按照一定的流量進入預(yù)混器后均勻混合，獲取穩(wěn)定的低溫氣態(tài)甲烷溫度。

本項試驗中，預(yù)冷器獲取210K低溫甲烷理論計算約為LCH4：CH4=1：1.9，考慮到試驗前預(yù)冷效果，實際約為LCH4：CH4=1：2。主要參數(shù)元件如下：

（1）預(yù)混器：高壓低溫層板式預(yù)混器，其材料的耐壓強度可滿足靜壓條件下15MPa壓力;（2）甲烷主閥：低溫截止閥門，DN65、PN20Mpa;（3）甲烷預(yù)冷閥：DN25、PN20Mpa;（4）甲烷過濾器：DN40、PN23Mpa，過濾精度14?;（5）高壓金屬軟管：DN25、PN15Mpa，L=0.8m;（6）輸送管路：Φ58×4、Φ48×4，1Cr18Ni9Ti冷拔不銹鋼無縫鋼管。

3.預(yù)混器技術(shù)研究

3.1 預(yù)混器結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用層板式高壓低溫氣體預(yù)混器獲取低溫甲烷氣體，其基本設(shè)計原理是將一定量的常溫甲烷氣體和液態(tài)甲烷通入到預(yù)混器中進行換熱，獲得需要的低溫甲烷氣體，根據(jù)低溫甲烷氣體要求的溫度配置不同流量的液態(tài)甲烷和氣態(tài)甲烷，其遵循質(zhì)量守恒定律和等焓定律，層板式混合器是利用層板的微小縫隙將常溫、低溫試驗介質(zhì)摻混，在相臨兩個很薄的流體層間存在著較大的溫度梯度和濃度梯度，導(dǎo)致兩層流體強烈地擴散和摻混直到溫度和組分達到均勻分布。通過調(diào)節(jié)液態(tài)甲烷/常溫氣態(tài)甲烷的流量比，即可得到要求的總流量、溫度及壓力值。

其主體由厚度為1mm的250片液態(tài)甲烷層板和250片氣態(tài)甲烷層板組成。每個層板在中心設(shè)一個孔，圓周處有多個與中心孔相通的孔，由中心孔連接形成低溫氣態(tài)甲烷通道。

3.2 試驗冷調(diào)與結(jié)果

試驗前，對預(yù)混器進行調(diào)試，摸清實際液氣配比，獲得低溫甲烷氣體（即預(yù)混器出口溫度調(diào)試）;預(yù)混器液氣比為0.82：1時，預(yù)混器出口溫度可達到200 5K;當預(yù)混器液氣比為0.47：1.35時，預(yù)混器出口溫度可達到220 5K;預(yù)混器調(diào)試共進行了3天十幾次的調(diào)試，在預(yù)混器調(diào)試結(jié)束后，進行了調(diào)試后的數(shù)據(jù)分析和技術(shù)交流，認為預(yù)混器出口溫度滿足試驗要求。圖1為液氣比為0.82：1時的溫度曲線;圖2為液氣比為0.47：1.35時的溫度曲線;

4.結(jié)論

建立的液氧甲烷縮比噴注器頭部降溫擠壓試驗系統(tǒng)已經(jīng)成功完成液氧甲烷縮比噴注器試驗7次，證明預(yù)混器系統(tǒng)完全滿足液氧甲烷縮比噴注器試驗任務(wù)要求，系統(tǒng)安全、合理、可靠。

參考文獻：

1? 郭霄峰，液體火箭發(fā)動機試驗 .北京：宇航出版社，1990

2 王占林，低溫貯箱增壓問題探討 北京：低溫工程，2005

3? 孫萬民，層板式高壓氣氫混合器 北京：適用新型專利，2009