空气/煤油燃气发生器技术研究
金盛宇，许宏博，吉 林
【摘 要】介绍了某动力装置采用空气/煤油燃气发生器的研究情况。为了实现某动力装置的燃料无毒化，研制了空气/煤油燃气发生器，并完成与涡轮的联动试验，试验结果表明燃气发生器性能满足动力装置要求。该燃气发生器采用电火花点火，具备富燃（余氧系数α＜0.3）和富氧（余氧系数α＞4.5）双模式工作能力，两种模式下均实现了轴功率输出。此外，燃气发生器还能在两模式间连续切换，且不熄火。这为满足功率需求提供了第三种工作模式。该模式也实现了轴功率输出。 【期刊名称】火箭推进 【年(卷),期】2014(040)003 【总页数】4
【关键词】动力装置；燃气发生器；空气/煤油
0 引言
燃料无毒化是某动力装置改进发展方向[1-2]。最初，该动力装置采用单组元肼燃料[3]，系统无需点火装置、结构简单、起动可靠，但肼燃料有毒，带来了生产、贮存、运输、使用条件和地面勤务操作复杂、维护使用成本高等问题。针对这些问题，美国多个类似的型号经大量研究分析对比后，最终采用了“空气+煤油”燃料方案[4-5]。我国也开展了空气/煤油燃气发生器研究，研制成功燃气发生器原理样机，并与涡轮进行联动试验，实现系统功能演示。本文介绍该空气/煤油燃气发生器的研究情况。
1 设计方案
空气/煤油燃气发生器具备富氧和富燃两种工作模式，设计参数见表1。燃气发生器原理样机结构形式见图1，主要由喷注器、点火段、身部直筒段、身部折角段以及燃烧室等构成。
由于空气/煤油推进剂组合属于非自燃推进剂，因此设置两路电火花点火器（冗余）。燃气发生器采用双路燃油喷嘴[6]，以满足富氧和富燃工况的两种燃油流量的需求。燃气发生器采用二次燃烧方案，空气分两级进入燃烧室，初级空气从燃烧室头部进入，通过旋流器雾化燃油，并在燃烧室内形成强旋流，以便稳定火焰[7]；次级空气从燃烧室中后部进入燃烧室，进行再次燃烧和掺混，控制燃气温度。
2 燃气发生器试验
空气/煤油燃气发生器经历十多轮状态调整及地面热试车，逐步实现点火以及再起动点火，点火成功率和性能不断提高，最终通过单机考核。考核表明燃气发生器点火可靠，燃气压力、温度和流量等参数均达到设计要求。随后与涡轮等装置进行地面联动试验，考察燃气发生器与涡轮、控制器的工作匹配性和功率输出特性，验证了系统功能。图2为燃气发生器单机试验点火照片，联试时主要测量参数见表2。
3 试验结果及分析
3.1 富氧模式
燃气发生器实现富氧模式工作，实测燃气压力为0.8 MPa，燃气温度为6 5 0℃，最大输出功率为1 8kW。图3为联动试验燃气发生器富氧工作模式的试验曲线，试验程序时间1 5 s，负载功率由2 0kW下调到1 5kW，燃气发生器再起动1次。从图3中可见：燃气发生器富氧点火响应时间1.2 s左右，涡轮
达到6 0%额定转速时间不超过2 s。另外，燃气发生器富氧模式再起动响应时间仅0.1 s左右，可实现脉冲工作。 3.2 富燃模式
在富燃模式，燃气发生器稳态工作时，涡轮输出功率达到最大值，而低功率输出时，燃气发生器在控制器的控制下，进行脉冲模式工作，以保证涡轮转速恒定和功率输出需求。燃气发生器实现富燃模式工作，燃气压力2.0M P a，稳态燃气温度8 5 0～9 5 0℃。燃气发生器响应快，脉冲工作可靠，与涡轮工作匹配，实现了稳定功率输出。
图4给出了联动试验富燃模式的典型工作曲线。图4(a)试验设定负载5 3kW，燃气发生器再起动8次，波形一致性较好，脉冲工作周期0.5 s左右；图4(b)试验设定负载2 3kW，燃气发生器再起动1 2次，脉冲工作周期0.3 s左右，最小间隔时间小于0.1 s。由此可见，燃气发生器富燃工作模式实现了5 3～2 3kW的功率输出，负载功率需求越小，脉冲工作时间越短，频率越高，脉冲最小周期3 0 0 m s。根据实际脉冲工作占空比，推算燃气发生器最大可输出功率达7 5kW以上。
由于富燃模式采用电火花直接点火方式，燃气发生器再起动压力峰较高，尤其是在负载功率较小的情况下。试验中通过优化点火时序，在一定程度上可以降低压力峰，但是无法消除。为此，后续又开展了火炬点火方式的研究工作，希望解决再起动压力峰问题，确保系统工作的平稳可靠。 3.3 富燃模式火炬点火
燃气发生器单机试验还验证了富燃模式和富氧模式可相互切换，切换工作中，燃气发生器不熄火。这为富燃模式脉冲工作提供了另一种点火方式，即富燃模
空气煤油燃气发生器技术研究
