金盛宇，許宏博，吉 林

（上?？臻g推進研究所，上海201112）

0 引言

燃料無毒化是某動力裝置改進發(fā)展方向[1-2]。最初，該動力裝置采用單組元肼燃料[3]，系統(tǒng)無需點火裝置、結(jié)構(gòu)簡單、起動可靠，但肼燃料有毒，帶來了生產(chǎn)、貯存、運輸、使用條件和地面勤務(wù)操作復(fù)雜、維護使用成本高等問題。針對這些問題，美國多個類似的型號經(jīng)大量研究分析對比后，最終采用了“空氣+煤油”燃料方案[4-5]。我國也開展了空氣/煤油燃氣發(fā)生器研究，研制成功燃氣發(fā)生器原理樣機，并與渦輪進行聯(lián)動試驗，實現(xiàn)系統(tǒng)功能演示。本文介紹該空氣/煤油燃氣發(fā)生器的研究情況。

1 設(shè)計方案

空氣/煤油燃氣發(fā)生器具備富氧和富燃兩種工作模式，設(shè)計參數(shù)見表1。燃氣發(fā)生器原理樣機結(jié)構(gòu)形式見圖1，主要由噴注器、點火段、身部直筒段、身部折角段以及燃燒室等構(gòu)成。

表1 燃氣發(fā)生器設(shè)計指標Tab.1 Design characteristics of gas generator

圖1 燃氣發(fā)生器外形結(jié)構(gòu)Fig.1 Configuration of gas generator

由于空氣/煤油推進劑組合屬于非自燃推進劑，因此設(shè)置兩路電火花點火器（冗余）。燃氣發(fā)生器采用雙路燃油噴嘴[6]，以滿足富氧和富燃工況的兩種燃油流量的需求。燃氣發(fā)生器采用二次燃燒方案，空氣分兩級進入燃燒室，初級空氣從燃燒室頭部進入，通過旋流器霧化燃油，并在燃燒室內(nèi)形成強旋流，以便穩(wěn)定火焰[7]；次級空氣從燃燒室中后部進入燃燒室，進行再次燃燒和摻混，控制燃氣溫度。

2 燃氣發(fā)生器試驗

空氣/煤油燃氣發(fā)生器經(jīng)歷十多輪狀態(tài)調(diào)整及地面熱試車，逐步實現(xiàn)點火以及再起動點火，點火成功率和性能不斷提高，最終通過單機考核?？己吮砻魅細獍l(fā)生器點火可靠，燃氣壓力、溫度和流量等參數(shù)均達到設(shè)計要求。隨后與渦輪等裝置進行地面聯(lián)動試驗，考察燃氣發(fā)生器與渦輪、控制器的工作匹配性和功率輸出特性，驗證了系統(tǒng)功能。圖2為燃氣發(fā)生器單機試驗點火照片，聯(lián)試時主要測量參數(shù)見表2。

圖2 燃氣發(fā)生器點火試驗照片F(xiàn)ig.2 Picture of gas generator in ignition test

表2 試驗測量參數(shù)表Tab.2 Parameters detected in test

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 富氧模式

燃氣發(fā)生器實現(xiàn)富氧模式工作，實測燃氣壓力為0.8 MPa，燃氣溫度為6 5 0℃，最大輸出功率為1 8kW。圖3為聯(lián)動試驗燃氣發(fā)生器富氧工作模式的試驗曲線，試驗程序時間1 5 s，負載功率由2 0kW下調(diào)到1 5kW，燃氣發(fā)生器再起動1次。從圖3中可見：燃氣發(fā)生器富氧點火響應(yīng)時間1.2 s左右，渦輪達到6 0%額定轉(zhuǎn)速時間不超過2 s。另外，燃氣發(fā)生器富氧模式再起動響應(yīng)時間僅0.1 s左右，可實現(xiàn)脈沖工作。

圖3 富氧模式試驗曲線Fig.3 Test curves of oxidizer-rich mode

3.2 富燃模式

在富燃模式，燃氣發(fā)生器穩(wěn)態(tài)工作時，渦輪輸出功率達到最大值，而低功率輸出時，燃氣發(fā)生器在控制器的控制下，進行脈沖模式工作，以保證渦輪轉(zhuǎn)速恒定和功率輸出需求。燃氣發(fā)生器實現(xiàn)富燃模式工作，燃氣壓力2.0M P a，穩(wěn)態(tài)燃氣溫度8 5 0～9 5 0℃。燃氣發(fā)生器響應(yīng)快，脈沖工作可靠，與渦輪工作匹配，實現(xiàn)了穩(wěn)定功率輸出。

圖4給出了聯(lián)動試驗富燃模式的典型工作曲線。圖4(a)試驗設(shè)定負載5 3kW，燃氣發(fā)生器再起動8次，波形一致性較好，脈沖工作周期0.5 s左右；圖4(b)試驗設(shè)定負載2 3kW，燃氣發(fā)生器再起動1 2次，脈沖工作周期0.3 s左右，最小間隔時間小于0.1 s。由此可見，燃氣發(fā)生器富燃工作模式實現(xiàn)了5 3～2 3kW的功率輸出，負載功率需求越小，脈沖工作時間越短，頻率越高，脈沖最小周期3 0 0 m s。根據(jù)實際脈沖工作占空比，推算燃氣發(fā)生器最大可輸出功率達7 5kW以上。

由于富燃模式采用電火花直接點火方式，燃氣發(fā)生器再起動壓力峰較高，尤其是在負載功率較小的情況下。試驗中通過優(yōu)化點火時序，在一定程度上可以降低壓力峰，但是無法消除。為此，后續(xù)又開展了火炬點火方式的研究工作，希望解決再起動壓力峰問題，確保系統(tǒng)工作的平穩(wěn)可靠。

圖4 富燃模式試驗曲線Fig.4 Test curves of fuel-rich mode

3.3 富燃模式火炬點火

燃氣發(fā)生器單機試驗還驗證了富燃模式和富氧模式可相互切換，切換工作中，燃氣發(fā)生器不熄火。這為富燃模式脈沖工作提供了另一種點火方式，即富燃模式火炬點火方式，也就是燃氣發(fā)生器富燃模式脈沖工作過程中，富氧模式一直處于工作狀態(tài)，相當于一火炬，從而提高了富燃模式脈沖點火工作的可靠性，降低對電點火的依賴。

圖5給出了燃氣發(fā)生器富燃模式火炬點火方式的典型工作曲線。試驗設(shè)定負載5 3kW，工作時間2 0 s，再起動3次（火炬點火）。

圖5 富燃模式火炬點火方式試驗曲線Fig.5 Test curves of fuel-rich mode with torch ignition

從曲線分析可見：

1） 富燃模式火炬點火方式實現(xiàn)功率輸出，系統(tǒng)工作平穩(wěn)可靠，再起動無壓力峰。

2）富燃模式火炬點火方式再起動頻率顯著降低。再起動周期5 s以上，而原富燃模式脈沖工作再起動周期約為0.5 s，兩者相差1 0倍。這主要是因為火炬工作時仍維持著小功率燃氣輸出，導(dǎo)致關(guān)機后渦輪轉(zhuǎn)速下降緩慢（如圖5轉(zhuǎn)速變化曲線），從而整個再起動周期加長。

3） 富燃模式火炬點火方式下轉(zhuǎn)速控制精度較差（2 0%左右），需進一步優(yōu)化調(diào)整控制策略，改善轉(zhuǎn)速控制精度。

4） 富燃模式火炬點火方式的關(guān)機響應(yīng)時間長是轉(zhuǎn)速控制精度差的主要原因之一。關(guān)機響應(yīng)時間長（300ms以上），導(dǎo)致關(guān)機后轉(zhuǎn)速繼續(xù)上沖，容易超轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速上限控制困難，控制精度差。

4 結(jié)束語

空氣/煤油燃氣發(fā)生器具有無毒、高能、起動快、燃料易于獲取等特點。我國近年開展了某動力裝置無毒化論證研究工作，研制成功空氣/煤油燃氣發(fā)生器原理樣機，并完成與渦輪的聯(lián)動試驗，實現(xiàn)系統(tǒng)功能，燃氣發(fā)生器性能初步滿足某動力裝置要求。后續(xù)將開展工程環(huán)境適應(yīng)性研究工作，考察燃氣發(fā)生器高空、低溫以及其他工程應(yīng)用環(huán)境下的點火性能及可靠性，實現(xiàn)工程應(yīng)用。

[1]黃鐵山.國外機載機電系統(tǒng)技術(shù)和裝備[C]//中國航空學(xué)會.中國航空學(xué)會航空電器工程第六屆學(xué)術(shù)年會論文集.[出版地不詳]:[出版者不詳],2003:92-96.

[2]范開華.軍用飛機第二動力系統(tǒng)[C]//中國航空學(xué)會.中國航空學(xué)會控制與應(yīng)用第十屆學(xué)術(shù)年會論文集.[出版地不詳]:[出版者不詳],2002:105-112.

[3]薛鎮(zhèn)基,李令成.肼混合燃料在飛機應(yīng)急動力裝置中的應(yīng)用[J].黎明化工,1993(1):41-45.

[4]MIKE K.Recent developments in aircraft emergency power,AIAA 2000-2802[R].USA:AIAA,2000.

[5]WEIMER J.Past,present&future of aircraft electrical power systems,AIAA 2001-1147[R].USA:AIAA,2001.

[6]侯凌云,侯曉春.噴嘴技術(shù)手冊[M].北京:中國石化出版社,2007.

[7]侯曉春.高性能航空燃氣輪機燃燒技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1995.