气氧_酒精点火器设计及试验研究_冯欣.pdf

Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 13 期37文章编号：2095-6835（2023）13-0037-03气氧/酒精点火器设计及试验研究冯 欣，李海涛，赵 宏，张海栋，戴芳立，敖春芳（北京航天试验技术研究所，北京 100074）摘要：针对蒸汽发生器多次重复稳定点火的需求，设计了一种气氧/酒精点火器。根据点火流量、压力、温度需求理论计算得到点火器的结构参数，并对点火器进行了冷调试验和点火试验研究，验证了其点火可靠性。试验结果表明，点火器采用双组元气液混合喷嘴+圆筒状燃烧室+喉部收缩出口的结构方案，出口能生成稳定的点火火炬，点火参数符合设计要求；点火器的混合比和总流量能够在一定范围内调整，多种不同混合比下，点火器均能够成功点火，点火成功率几乎为 100%。关键词：火炬点火器；结构参数；燃烧试验；理论设计中图分类号：V231.2；V430文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.13.010蒸汽发生器是基于液体火箭发动机推力室工作原理设计，通过燃烧燃料产生一定流量的高温高压气体，是国内外各类发动机地面试验的重要设备。采用非自燃工质的蒸汽发生器的工作过程主要分为点火前准备、点火器点火起动、蒸汽发生器点火起动、蒸汽发生器稳定工作和蒸汽发生器关机等阶段。研究表明，蒸汽发生器工作可靠性主要依赖于蒸汽发生器点火起动成功率，而点火器的可靠性直接影响蒸汽发生器点火起动成功率1。火炬式点火器主要由喷嘴、燃烧室、喷管、燃气导管、火花塞点火系统等组成，工作时燃料由供应系统输送，通过喷嘴喷入点火器燃烧室内雾化混合，在火花塞点火系统的作用下燃烧，形成高温燃气并通过燃气导管喷出，出口形成稳定火焰。因其具有能多次点火、很宽的参数工作范围等优点被广泛地研究和应用2-5。从燃料自身出发，火炬式点火器又可分为液液点火、气液点火和气气点火等形式，本文研究的是性价比较高的气氧/酒精点火器。在设计火炬式点火器时，因其燃烧，温度一般大于等于 1 000 K，因此核心问题之一是点火器的热防护问题，常用的热防护手段有夹层冷却、充氮气冷却、液膜冷却等方式，要根据点火器的燃料类型、余氧系数、工作时间等选择合适的热防护方式。本文通过试验手段，对采用酒精燃料旋转液膜冷却的气氧/酒精点火器进行点火分析，验证其工作性能。1点火器装置设计如图 1 所示，气氧/酒精点火器包括酒精腔外环、酒精喷嘴、气氧喷嘴、酒精进口接管咀、气氧进口接管咀组成的气氧/酒精喷嘴、圆筒形燃烧室、火花塞支座、火花塞密封圈、喉部、接口法兰和螺栓连接组件等。考虑到点火器壁面的热防护问题，点火器气氧/酒精喷嘴设计时选用双组元气液混合喷嘴，气氧喷嘴设在中心，为直流式喷嘴，酒精喷嘴为外旋式离心喷嘴，将酒精以一定的喷射角旋转喷入点火器燃烧室。点火时，在火花塞作用下，靠近内侧的酒精与中心的气氧雾化、混合、蒸发、燃烧形成高温燃气，靠近壁面的酒精在燃烧室内壁形成保护液膜，隔离高温燃气，对点火器壁面和火花塞端面进行有效热防护。1火花塞安装座；2点火器燃烧室；3火花塞密封圈；4喉部；5接口法兰一；6法兰密封垫；7接口法兰二；8螺栓连接组件；9燃烧室压接管咀；10气氧进口接管咀；11气氧喷嘴；12酒精喷嘴；13酒精腔外环；14酒精进口接管咀。图 1点火器结构示意图点火器的主要设计参数如表 1 所示。点火器总流量设计为 40 g/s，根据使用需求，点火器室压应为 2.06543211011121314798科技与创新Science and Technology&Innovation382023 年 第 13 期2.5 MPa，设计时取 2.2 MPa。同时为了达到较高的点火能量，将氧/燃混合比设为 1，通过热力计算，得到该混合比下燃气总温大于 2 000 K。表 1点火器的主要设计参数参数名称设计要求备注燃气流量40 g/s燃料酒精氧化剂气氧300 K点火方式火花塞放电频率为 10 Hz混合比1试验过程中可调整理论燃气温度2 000 K点火器室压2.2 MPa依据液体火箭发动机推力室设计理论6，可理论计算得到气氧/酒精点火器的结构参数，即点火器燃烧室内径为 30 mm，长度为 200 mm，气喷嘴直径为 1.8 mm，酒精喷嘴直径为 5.6 mm，酒精切向孔直径为 0.7 mm。2试验研究点火器试验原理图如图 2 所示。氮气源为氮气配气板，配备手阀和减压阀，用于管路、点火器腔内吹除和贮箱增压。点火器酒精燃料由酒精贮箱增压供给，氧气由氧气瓶（配手阀和减压阀）供给，通过调节音速喷嘴前压力改变氧气流量。试验过程中主要监测的参数有音速喷嘴前压力 Pgio1、音速喷嘴后压力 Pgio2、点火器内腔室压力 Pgc、酒精喷前压力 Pgif、酒精贮箱压力 Ptf2 和氧气源压力 O2。图 2点火器试验原理图2.1冷调试验点火试验前通常要对点火器的双组元气液混合喷嘴进行冷调试验，验证喷嘴的加工质量与流量系数等参数。2.1.1酒精路液流试验接通点火器喷嘴酒精供应管路，对点火器喷嘴酒精路进行液流试验，监测酒精喷前压力 Pgif 和管路流量，多次试验得到流量-压降数据，如表 2 所示。通过喷嘴流量与压降的关系式hhhdhmh2pACq=计算得到喷嘴实际的流量系数。处理数据后得到试验流量系数均值为 0.018 4，与设计流量系数 0.018 相近，同时观察到酒精喷口液膜比较均匀，满足下阶段试验要求。表 2点火器喷嘴酒精路液流数据流量/（kgs-1）压降/Pa试验流量系数 设计流量系数0.010 00370 0000.017 254 5700.0180.014 10600 0000.018 785 4520.016 10800 0000.018 543 3040.018 001 020 0000.018 350 6190.016 00800 0000.018 366 4160.014 58600 0000.019 360 8100.010 96400 0000.017 828 0822.1.2氧气冷调试验氧气冷调试验时，只需打开点火器氧气主阀 3 s后关闭，监测音速喷嘴前压力 Pgio1、音速喷嘴后压力Pgio2、点火器内腔室压力 Pgc，可得到直径 1.4 mm 的音速喷嘴的工作特性。这里以Pgio1是4.5 MPa时为例，氧气冷调时的压力曲线如图 3 所示，此时氧气流量为14 g/s。图 3氧气冷调压力曲线（Pgio1 为 4.5 MPa）2.2点火试验点火试验前先打开酒精吹除阀和气氧吹除阀对点火器内部进行吹除，确保试验安全性。10 s 后关闭吹除，提前让火花塞工作 3 s 达到稳定状态，之后打开氧气阀门，让氧气提前 1 s 喷入燃烧室，再打开酒精阀门开始点火，点火 2 s 后关闭火花塞，点火结束时关闭氧气阀门和酒精阀门，开启所有的吹除阀门对点火器腔内吹除，避免积液现象。点火试验主要针对不同混合比和点火时间展开，进行了大约 40 次试验，主要试验结果如表 3 所示。成功点火经验表明，点火器混合比较低时，不仅点火能量低，且不容易成功点火。而混合比高时又会影响结构可靠性。因此，根据点火器的设计参数及点火经验，试验过程中将点火器的混合比控制在 0.670.90，总流量在 3440 g/s 间变化。结果表明，不同混Pgio1Pgio2Pgc时间/sScience and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 13 期39合比条件下点火器均能成功点火，点火成功率几乎为100%。以序号 7 的工况为例，点火试验时点火器出口火焰图如图 4 所示，点火压力曲线如图 5 所示。可以看到，点火器出口产生了稳定的火焰；观察压力曲线得到此时点火器的音速喷嘴前压力为 4.5 MPa，酒精喷前压力为3.2 MPa，燃烧室室压为2.3 MPa，流量为35 g/s，混合比约为 0.67。表 3点火器点火试验数据工况音速喷嘴前压力/MPa点火器室压/MPa酒精喷前压/MPa酒精流量/（gs-1）混合比点火时间/s点火状态序号14.31.802.5219.000.833点火成功序号24.31.902.8021.000.733点火成功序号34.92.163.0021.280.855点火成功序号44.92.303.2022.000.82810点火成功序号54.72.183.0821.000.745点火成功序号65.12.243.1021.000.905点火成功序号74.52.503.2521.000.678点火成功注：混合比为气氧质量流量/酒精质量流量。图 4点火器出口火焰图图 5点火器点火压力曲线3结论本文针对蒸汽发生器多次重复稳定点火的需求，设计了一种气氧/酒精点火器，并对点火器进行了试验验证，得到的主要结论如下。点火器采用双组元气液混合喷嘴+圆筒状燃烧室+喉部收缩出口的结构方案，点火成功率几乎为 100%，参数符合设计要求；点火器的混合比和总流量能够在一定范围内调整，多种不同混合比下，点火器均能够成功点火。参考文献：1WILLIAMS E J，STRETTON J，CENTENO M，et al.XE-prime engine，final report.volume I.engine and facilitiesdescriptionDB/OL.2023-04-23.https:/www.osti.gov/biblio/4234944.2孙纪国，王剑虹.低温富燃火炬点火器研究J.导弹与航天运载技术，1999（6）：17-22.3刘巍，杨涛，胡建新，等.气氧/酒精火炬式点火器试验J.推进技术，2008（3）：269-272.4蔡震宇，王铁岩，曹红娟.一种气氧/气甲烷火炬式电点火器方案研究J.载人航天，2016，22（3）：338-342，405.5何修杰，晏至辉，杨样，等.新型空气/酒精火炬点火器设计及试验J.推进技术，2019，40（11）：2513-2520.6王治军，常新龙，田干，等.液体火箭发动机推力室设计M.北京：国防工业出版社，2014.作者简介：冯欣（1995），女，硕士研究生，助理工程师，研究方向为发动机试验技术。（编辑：张超）O2PgcPgio1PgifPgio2Ptf2时间/s