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关于用于辅助推进系统的燃烧器的特性研究

作者:国家级期刊
出处:www.lunrr.com
时间:2019-10-13

像主推进系统一样,辅助推进系统也是航天系统和航天器的重要组成部分。它的功能包括:姿态控制,速度校正,轨道变化群校正,位置维持,推进剂沉没和各种航天器。辅助动力装置等。辅助推进系统现已发展成为液体火箭推进技术领域的重要分支。它的发展趋势是:高性能,高可靠性,重量轻,体积小,响应速度快和种类繁多。为了解决燃烧中热量损失大和燃烧不稳定的问题,世界上许多研究人员采取了以下两种措施:一种是增加热循环,另一种是使用多孔介质燃烧技术。它的可行性和有效性已得到验证。

在本研究中,正庚烷用作燃烧介质,并设计了具有再生结构和多孔介质的小型燃烧器。液态庚烷和未燃烧的混合物使用再生结构进行预热,以促进庚烷液滴的蒸发。多孔介质的使用增加了液滴的蒸发表面积,增加了气体庚烷与空气接触的时间,以使混合更加完全。从可燃极限,燃烧室形状和火焰传播速率的几个角度进行了实验。如本文所定义,可燃混合物中空气质量流量与燃料质量流量的比率是空气/燃料比率。

1个实验计划

1.1实验系统

该实验在微型燃烧台上进行。空气流量由D 0727A/ZM类型的质量流量控制器调节,范围为0至5 SLM,测量误差小于满刻度的1%。使用LSP 01-1A型的注射泵调节和控制液态正庚烷的流量。壁温和排气温度用外径为0.5 m的K型铠装热电偶测量。热电偶的误差为±0.75%(°C)。壳体的外壁的温度场通过FLIR A 40热成像相机测量。此外,选择了C A N O N H F200来记录火焰的位置和形状。同时,LA B V IEW软件开发的数据采集软件可用于实时收集气体流量和温度等参数。

在实验中,氧化剂是空气,通过调节正庚烷和空气的流速可以实现不同的空燃比。在实验过程中,采取在内管出口处着火的方式点燃点火器。实验中测量的主要参数包括:空气和正庚烷的质量流量。空燃比(A/F);内壁表面温度和废气温度;火焰的位置和形状。

1.2燃烧器型号

燃烧器直管是水平放置的长度为100 m,内径为4 m,外径为6 m的石英管。在内管的内部,从进气口插入外径为0.4m,内径为0.24m的不锈钢毛细管,并与注射泵针连接。使用注射泵将液体燃料注入内管。同时,空气从左端口传递到燃烧器。另外,为了回收一部分废热以预热低温入口反应物,从而提高燃烧稳定性,设计了外壳结构。外壳共有三种类型,即M odel2,M odel3和M odel4。 M odel2套管的底部是平底,M odel3套管的底部是圆底,而M odel4套管的底部是凸底。外壳由石英制成,全长为83m,内径为10m,外径为12m。在实验中,选择聚丙烯腈基碳毡作为多孔介质,其孔隙率约为87%。

毛细管的末端,庚烷出口位于碳毡的内部,这时碳毡距离内管的出口44.5 m。燃烧器上布置了八个热电偶:TC 1,TC 3,TC 4和TC 5用于测量内壁温度,TC 6用于测量燃烧排气温度,TC 2沿着内管的中心轴延伸到多孔介质中,从而达到测量碳毡的内部温度。外壁表面温度通过红外摄像机测量。

2实验结果与讨论

2.1外壳形状对可燃极限的影响

在本文中,此条件下的燃料燃烧极限以维持燃料燃烧的最大空燃比为特征。类似地,在这种情况下的燃料燃烧极限的特征在于维持燃料燃烧的最小空燃比。

为了探讨庚烷流量变化时燃料可燃极限的变化趋势。使用M odel2,M odel3和M odel4进行重复实验,得出可燃极限的变化。在实验过程中,发现三个模型的可燃性极限以相似的方式变化,只有当庚烷流量大于某个临界值时才能保持稳定的燃烧。当庚烷流量小于某个临界值时,由燃料燃烧产生的能量不足以补偿由庚烷蒸发和热损失带走的能量,因此不能维持反应。以从m odel2获得的数据为例,当庚烷的流量小至0.11 m g/s时,无论空燃比如何都无法维持稳定的燃烧。这是因为此时释放的热量非常小,并且据计算它小于5W。随着庚烷的流量增加,参与反应的燃料量增加,反应的放热增加,并且即使当空气过量或不足时,空气也可以维持稳定的燃烧。当庚烷流量超过0.46m g/s时,可燃性极限的变化趋于平缓。富裕限制几乎维持在5.5左右;倾斜极限大约在35左右波动。

通过比较M odel2,M odel3和M odel4的可燃性极限,可以看出最高可燃性极限是M odel4,其次是M odel2,而最低可燃性极限是M odel3。也就是说,在扩大可燃性极限时,凸底衬套是最佳的,而平底衬套是第二的,而圆底衬套是最差的。

2.2外壳形状对散热的影响

在庚烷流速分别为0.8mg/s(A/F=7.69)和0.57mg/s(A/F=10.76)的条件下,Modle2,Model3和Model4的内壁和外壁表面的温度分布分别为执行。测量。实验结果表明,当庚烷流量为0.8m g/s(A/F=7.69)时,这三种模型中的燃烧火焰在-10m至10m坐标之间是稳定的。在这种条件下,在3种模型中获得的最高温度(即,由TC 6测量的废气温度)基本相同,并且M odel4的外壁具有最低的平均温度和较少的热损失。

2.3火焰传播率

改变空气流量和庚烷流量,将燃料A/F固定为8.5。使用M odel2进行燃烧实验并测量温度分布。

实验结果表明,在re(50.2~68.13)范围内,tc 1、tc 3、tc 2的温度略有下降(庚烷流量为0.34~0.46mg/s),而tc 4、tc 5、tc 6的温度略有上升。这表明燃料流量略高于火焰传播速度,火焰从tc 1附近向下游缓慢移动。在68.13~132.69(庚烷流量为0.46~0.92mg/s)范围内,热电偶测得的温度变化较大,表明气体流速明显高于火焰传播速度,火焰向喷嘴移动较快;当re增加到132.69时,火焰接近内管出口。结果表明,在132.69-200.82(庚烷流量0.92-1.36mg/s)范围内,废气和管壁温度呈基本稳定的线性上升趋势。tc 2所反映的多孔介质温度呈稳定而略有下降的趋势。同时观察到火焰位置变化不大。结果表明,火焰传播速率随燃烧温度的升高而增大。

3结论

1)当庚烷流量小于临界值时,燃烧器不能稳定工作。燃烧极限随庚烷流量的增大而增大,但随庚烷流量的增大而增大的趋势趋于平缓。

2)外缸底部形状对燃烧稳定性有一定影响。一般来说,由于壁面对流场的影响,底部平坦时,可燃极限可以提高。

3)随着燃烧室温度的升高,火焰传播速率也随之增大。

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