26 kg/s級低溫氫氣蒸發(fā)輸送與安全排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方濤 孫德 張國慶

摘 要：針對氫氧火箭發(fā)動機(jī)地面試驗(yàn)過程中26 kg/s級低溫氫氣長時間安全排放問題，設(shè)計(jì)了一套低溫氫氣蒸發(fā)輸送與安全排放系統(tǒng)，運(yùn)用汽化器對低溫氫氣進(jìn)行升溫處理，通過高空排放管排出。結(jié)合某型發(fā)動機(jī)試驗(yàn)工況，對關(guān)鍵系統(tǒng)特性進(jìn)行建模仿真，結(jié)果表明，高空排放管出口溫度和出口流速均滿足安全設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：氫氧發(fā)動機(jī)試驗(yàn)；低溫氫氣；蒸發(fā)輸送；安全排放；仿真分析

中圖分類號：V19? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）10-0041-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.10.010

0? ? 引言

隨著我國探月、探火等重大航天工程的推進(jìn)，火箭發(fā)動機(jī)推力逐漸增大，使得推進(jìn)劑使用量大為增加，相應(yīng)的需排放處理氫氣量也大大增加。國防科委情報研究所曾統(tǒng)計(jì)過NASA報道的96次事故原因，因氫排放到大氣中引起著火的事故占所有事故的62%[1]。由此可見，氫氣排放在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)過程中易發(fā)生事故。

目前，液體火箭試驗(yàn)臺和發(fā)射臺對低溫氫氣的排放，一般有高空排放、火炬燃燒、燃燒池處理等途徑[2]。高空排放是發(fā)動機(jī)試驗(yàn)以及火箭發(fā)射最早采用的氫氣處理方式，氫氣經(jīng)排放管直接排入大氣，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。法國發(fā)射阿里安系列火箭的庫魯茲發(fā)射場以0.6 m3/min大流量加注時采用高空排放，美國宇航局的一些試驗(yàn)站也部分采用了高空排放[3]。如果單純應(yīng)用高空排放，在低溫氫氣排放量升高時，需要通過增加排放管路面積來實(shí)現(xiàn)充分換熱和減小流速，這就會使排放系統(tǒng)設(shè)施布局加大。因此，在處理大流量的低溫氫氣的安全排放問題時，會采用燃燒處理的方法。火炬燃燒主體結(jié)構(gòu)和高空排放系統(tǒng)類似，區(qū)別在于排放管末端增加了點(diǎn)火裝置[4]。通過人為點(diǎn)燃低溫氫氣，使其在空氣中燃燒成水蒸氣，以消除低溫氫氣與空氣形成的可燃混合氣的潛在危害[5]。燃燒池是另一種采用燃燒處理可燃?xì)怏w的方式，氫氣排入水中，溢出水面后與空氣混合燃燒，池水既能防止回火，又能有效阻止外界空氣進(jìn)入排放管，起到水封作用[5]。燃燒池的缺點(diǎn)是投資大。

由上可見，對于大流量氫排放問題來說，氫燃池安全可靠，但設(shè)施規(guī)模大、建造成本高，相比而言，采用高空排放管方式結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但需保證管路出口流速和溫度，目前國內(nèi)外尚未有采取該方式處理大流量低溫氫氣排放的先例。本文基于汽化器+高空排放管結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一套低溫氫氣蒸發(fā)輸送及排放處理系統(tǒng)，對其進(jìn)行了仿真論證。

1? ? 低溫氫氣排放工況分析

在試驗(yàn)中發(fā)動機(jī)氫泄出流量的變化過程如表1所示，具體流程如下：由于排放管路長時間不使用，管路內(nèi)積存有大量空氣，推進(jìn)劑加注前需對氫排放管路進(jìn)行氮?dú)庵脫Q；在低溫推進(jìn)劑加注過程中，發(fā)動機(jī)會逐漸降溫，為防止排放管路空氣倒吸，此時開啟小流量氫氣封；進(jìn)入程序預(yù)冷后發(fā)動機(jī)開始有1.73 kg/s氫泄出，然后進(jìn)行額定預(yù)冷，發(fā)動機(jī)泄出流量會爬升到2.7 kg/s；最后進(jìn)入主級段，流量會在1 s時間內(nèi)迅速爬升到26 kg/s，然后進(jìn)行450 s的長時間排放。

2? ? 低溫氫氣排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高空排放管安全排放氫氣應(yīng)滿足以下要求：1）在排放低溫氫氣前，排放管須先吹除置換，確保排放管內(nèi)空氣置換干凈；2）排放管出口氫氣流速應(yīng)小于0.2 Ma，避免因流速過大導(dǎo)致靜電積累過高，在排放管出口引起著火燃燒[1]；3）為防止在排放管口附近形成液空甚至固空，應(yīng)確保低溫氫氣在排放管出口升溫到液化空氣溫度（80 K）以上。

針對26 kg/s氫排放流量，試驗(yàn)臺建設(shè)了低溫氫氣蒸發(fā)輸送及安全排放系統(tǒng)，如圖1所示。

氫蒸發(fā)輸送系統(tǒng)包括發(fā)動機(jī)泄出口至汽化器出口的管路，主要包括氫排放閥1、汽化器入口管路、汽化器、氫排放閥2、汽化器出口至高空排放管管路，排放管末端分成6路，連接6臺汽化器。氫排放閥1后一周設(shè)置有氫吹接口和氮吹接口。汽化器為翅片管換熱器，每臺汽化器頂部設(shè)置有4個風(fēng)機(jī)。

安全排放系統(tǒng)設(shè)置在導(dǎo)流槽末端空地上，主要功能是將試驗(yàn)過程中排放的氫氣安全點(diǎn)燃。大流量氫氣通過6個高空排放管來降低排放量和流速。排放管路主體采用DN300不銹鋼管路，末端變徑到DN500，豎直向上排入大氣，總高20 m。每根排放管路頂部及底部一周均預(yù)留3個氮?dú)鈿夥饨涌冢欧殴艹霈F(xiàn)不可控火焰時可以及時將火焰吹滅。設(shè)置氫氣源至高空排放管的點(diǎn)火氣源總管，引出6路至排空管頂端。

3? ? 系統(tǒng)仿真分析

運(yùn)用AMESim軟件對表1中的氫排放過程進(jìn)行仿真，以獲取汽化器換熱性能及高空排放管出口氫氣溫度，已知的仿真參數(shù)如表2所示。

基于上述條件所建立的仿真模型如圖2所示。

圖3分別為低壓預(yù)冷、額定預(yù)冷、主級階段發(fā)動機(jī)泄出口液氫排出流量、孔板后壓力的變化曲線，從圖中可以看出主級段發(fā)動機(jī)泄出口孔板排出后的壓力為0.52 MPa。

圖4為汽化器工作特性曲線，從圖中可以看出單臺汽化器（包含4個風(fēng)機(jī)）中空氣流動速度基本維持在67 kg/s，主級段由于汽化器溫度急劇下降造成空氣流動速度略有下降。空氣溫度由293 K的環(huán)境溫度分別下降到283.3 K（低壓預(yù)冷段）、279.8 K（額定預(yù)冷段）、130.4 K（主級段），氫氣溫度由293 K（小流量預(yù)冷開始時，冷氫到達(dá)汽化器時很快就被汽化到環(huán)境溫度）下降到243.8 K。由于氫汽化器采用的是逆流式，空氣由上往下流動，氫由下往上流動，所以主級段汽化器氫出口溫度大于空氣出口端溫度。

圖5為單個氫高空排放管出口氫氣溫度特性曲線。從圖中可以看出，預(yù)冷階段氫氣的排放溫度沒有達(dá)到穩(wěn)態(tài)，溫度一直處于下降狀態(tài)。主級段在50 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，排放溫度穩(wěn)定在260.9 K。

根據(jù)仿真結(jié)果計(jì)算高空排放管出口氫氣馬赫數(shù)，6個高空排放管處理的總流量為26 kg/s，單個排放管流量取4.4 kg/s，根據(jù)計(jì)算得到的排放管出口溫度及當(dāng)?shù)貕毫梢缘玫匠隹跉錃饷芏龋鶕?jù)m=ρvA，就可以計(jì)算得到出口流速v=241.0 m/s。根據(jù)排放出口氫氣音速的計(jì)算公式c=，得到c=1 227.3 m/s。由此可以得到排放管出口Ma=v/c≈0.196，滿足小于0.2倍的馬赫數(shù)的要求，因此產(chǎn)生的靜電累積量是安全的。

隨著氫汽化器工作時間的延長，氫汽化器表面從底部開始結(jié)冰，造成換熱效率下降。因此，將換熱系數(shù)變?yōu)槌跏脊ぷ鲿r的一半進(jìn)行仿真，得到的汽化器出口和排放口的溫度如圖6所示。換熱效率下降一半后，汽化器氫出口溫度下降到148.9 K，空氣出口溫度提高到220.9 K，在高空排放口，氫出口溫度為202.3 K。經(jīng)計(jì)算，排放管出口馬赫數(shù)為0.173，符合安全排放要求。

由于試驗(yàn)時間為450 s，根據(jù)汽化器廠家提供的數(shù)據(jù)，在此時間內(nèi)，氫汽化器表面結(jié)冰結(jié)霜現(xiàn)象不算嚴(yán)重，因此，可知汽化器氫的出口溫度應(yīng)該遠(yuǎn)大于148.9 K，從而在末端高排出口氫的出口溫度也遠(yuǎn)在202.3 K以上，汽化器設(shè)計(jì)具有較大余量。

4? ? 結(jié)論

本文對氫氧火箭發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺26 kg/s級低溫氫氣的安全排放問題進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一套蒸發(fā)輸送與安全排放系統(tǒng)，并結(jié)合發(fā)動機(jī)試驗(yàn)工況進(jìn)行了仿真分析。本文得出的主要結(jié)論如下：

1）在不考慮汽化器表面結(jié)霜等因素對換熱系數(shù)的影響時，汽化器氫出口溫度為243.8 K，高空排放管出口溫度穩(wěn)定在260.9 K，排放口馬赫數(shù)為0.196，滿足安全排放要求。

2）在考慮汽化器表面結(jié)霜等因素對換熱系數(shù)的影響時，汽化器氫出口溫度下降到148.9 K，高空排放管出口溫度穩(wěn)定在202.3 K，排放口馬赫數(shù)為0.173，滿足安全排放要求。

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收稿日期：2014-01-08

作者簡介：方濤（1994—），男，北京人，碩士，工程師，研究方向：火箭發(fā)動機(jī)試驗(yàn)技術(shù)。