馮 飛 方 濤 王克軍

(北京航天試驗技術研究所 北京 100074)

1 引言

中國某型號運載火箭在靶場進行了發(fā)射前合練,根據實際流程加注了液氧和煤油。由于箭上貯箱為共底模式,此狀態(tài)下貯箱內部分煤油會隨著液氧加注時間推移緩慢降溫。煤油降溫過程中的主要問題是煤油中水分和煤油自身結晶,結晶體可能對火箭輸送系統(tǒng)產生影響[1]。烏克蘭南方廠在RD-120 發(fā)動機試車時,曾因煤油中的水分結冰堵塞主管道過濾器而造成試車失敗[2]。國內某型號發(fā)動機試驗時直接采用液氮對煤油進行降溫,得到過冷煤油,試車時燃料路壓力低于正常試車數值,且壓力值不平穩(wěn),觸發(fā)緊急關機條件造成試驗失敗,試車故障定位在低溫煤油結晶導致過濾網堵塞。

煤油內的水以溶解狀態(tài)和游離狀態(tài)存在,水在煤油中的溶解度隨著溫度、壓力和濕度的變化而變化。隨著溫度的升高,煤油飽和含水量會逐漸增大[3]。常壓20 ℃時水在煤油中的溶解度為0.064%,0 ℃時為0.004 1%,-10 ℃時為0.002 6%[1]。當煤油溫度低于0 ℃時,游離水可能會生成微小的冰晶體。另外,煤油中若含有水分,會使其冰點提高[2]。當溫度進一步下降到低于煤油冰點時,低溫煤油會產生結晶。對于液氧煤油火箭發(fā)動機推進劑輸送系統(tǒng)來說,這些冰晶體就會堵塞過濾器濾網而造成嚴重后果。

在低溫煤油試驗系統(tǒng)設計方面,來代初等[1]設計了煤油換熱系統(tǒng),可以根據顯示的流量、溫度情況調節(jié)煤油流量和換熱工質的供應量。邱一男等[4]設計了煤油降溫特性研究系統(tǒng),根據進液口的位置、數量和出液口深度3 類條件獲得了不同工況下的煤油降溫特性。王娟麗等[5]設計了煤油冰點分析系統(tǒng),可以獲取不同類型煤油的冰點值。

本文設計了低溫煤油結晶試驗驗證系統(tǒng),運用低溫氮氣冷卻和液氮冷卻兩種方式對煤油進行降溫。低溫氮氣降溫方式與全箭真實狀態(tài)最為接近,據此可以對火箭發(fā)動機使用低溫煤油的適應性進行分析,通過液氮冷卻方式可以研究過冷煤油試驗時用液氮進行冷卻的可行性。

2 試驗系統(tǒng)設計

通過試驗方法模擬煤油在真實使用環(huán)境下的降溫過程,煤油降溫方案分為低溫氮氣降溫和液氮降溫兩種。煤油降溫到一定程度會出現結晶,結晶在回溫過程中會由大變小溶解[6],在流經過濾器時,未完全溶解的結晶會堵塞濾網從而引起過濾器前后壓差變化。

試驗系統(tǒng)如圖1 所示,在低溫氮氣降溫試驗中,煤油容器內預先加注常溫煤油,經預混器獲取低溫氮氣,T1為預混器出口溫度,T2為換熱盤管外壁溫,手閥3 保持關閉狀態(tài),開啟手閥1,觀察T1,根據理論計算值適度調整液氮和氮氣流量,使T1溫度穩(wěn)定在-70— -50 ℃,然后關閉手閥1,開啟手閥2,讓低溫氮氣進入換熱盤管與容器內煤油換熱,容器內布置3 個溫度測點T3—T5用于表征底層、中層和上層煤油溫度,當煤油溫度下降至穩(wěn)定后,說明換熱達到平衡,之后開啟泄出口流量調節(jié)閥。在過濾器前設置溫度測點T6,用于監(jiān)測流經過濾器的煤油溫度。通過煤油容器增壓壓力和流量調節(jié)閥對煤油流量進行控制,使用流量計對煤油過流流量進行監(jiān)測,使用壓差計對過濾器前后壓差進行測量,用于表征過濾器是否堵塞。在液氮降溫試驗中,手閥2 保持關閉狀態(tài),開啟手閥3,液氮進入換熱盤管與容器內煤油換熱,其余流程和低溫氮氣降溫試驗相同。

圖1 低溫煤油結晶試驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of low temperature kerosene crystallization experiment system

試驗采用縮比的方案,按照與箭體上流經過濾網煤油流速一致的原則對煤油流量進行計算。在某型號全箭真實情況中,一級貯箱內-7 ℃以下煤油約為21 L,流經輸送系統(tǒng)過濾器時間約為0.2 s,體積流量為378 m3/h;二級貯箱內-7 ℃以下煤油約為423 L,流經輸送系統(tǒng)過濾器時間約為25 s,體積流量為60.9 m3/h,-30— -10 ℃煤油約為23 L,流經輸送系統(tǒng)過濾器時間約為1.3 s,體積流量為63.7 m3/h。根據箭體管路通徑,計算得到流速,本文在試驗過程中選取最大值流速,另外煤油過流時間不小于箭體上的最大時間。

試驗系統(tǒng)的難點在于獲取溫度恒定且可調的低溫氮氣,本系統(tǒng)設計了靜態(tài)螺旋式混合器,將液氮和常溫氮氣進行均勻混合形成低溫氮氣,其結構如圖2所示?；旌掀饔幸粋€液氮入口、一個常溫氮氣入口、一個低溫氮氣出口和一個排放口?；旌掀鞯幕旌辖M件由液氮入口的起旋器和混合器內的引流混合單元兩部分組成。

圖2 液氮-氮氣預混器剖面圖Fig.2 Sectional view of liquid nitrogen-nitrogen premixer

流體在入口處被起旋器分割成兩股,起旋器后為微擴張的帶孔錐筒,起旋后的兩股液氮通過錐筒減速擴散。氮氣從側壁入口進入混合器腔體,在正對入口的錐筒的下游設置了擋板以達到均流目的,同時氮氣通過錐筒上的孔進入錐筒內與液氮初步摻混。隨后流體進入混合器內的混合單元,該單元的作用主要為對流體進行軸向的分流和徑向的混合。

混合器內置3 個混合單元,每個混合單元由兩個板材加工的半橢圓形相互垂直90°焊接而成,橢圓片與管道截面成45°,流體經過旋流單元時會被強制旋流均分成兩股流體,且相鄰兩個單元旋轉方向相反,增加了摻混強度。

經過驗證,混合器出入口的壓差小于0.1 MPa,可認為其混合過程為定壓過程?；旌掀鲉挝粫r間內流入質量與流出質量相同,可認為混合器內流體總質量保持不變,根據能量方程及定壓過程系統(tǒng)功的變化可以得到:

由焓變的定義:

聯合導出定壓過程中:

式中:Qp為系統(tǒng)與外界的熱量交換,J;U為系統(tǒng)內能,J;p為系統(tǒng)壓力,Pa;V為系統(tǒng)體積,m3;H為系統(tǒng)焓值,即混合器與外界的熱量交換為系統(tǒng)焓的變化,J。

本系統(tǒng)中混合器外有聚氨酯發(fā)泡絕熱,混合時間又極短,可認為混合過程為絕熱過程,因此與外界的熱量交換為零,即混合過程系統(tǒng)的焓變?yōu)榱?因此根據氮氣和液氮流量可以計算得出混合后低溫氮氣的溫度,通過流量調節(jié)得到合適溫度的低溫氮氣。

3 煤油低溫氮氣冷卻試驗分析

試驗中采用常溫氮氣與液氮均勻混合,獲得了-70— -50 ℃的低溫氮氣,采用換熱盤管對貯罐內的煤油進行降溫,模擬火箭加注過程中的煤油溫度下降。對貯罐增壓將低溫煤油排出,通過控制貯罐壓力和泄出口調節(jié)閥對煤油流量進行控制。使用壓差計對過濾器前后壓差進行測量,以此確認煤油中是否有結晶析出造成過濾器堵塞。試驗共進行了兩次。

圖3 為第一次試驗時換熱盤管外壁溫曲線,初始溫度為-68.1 ℃。圖4 為第一次試驗時煤油容器內溫度曲線,可以看出,越靠近容器底部溫度越低,這和換熱盤管的布置位置靠近容器底部有關,且圖示初始段煤油溫度已經穩(wěn)定,說明低溫氮氣和煤油不斷換熱后達到了平衡狀態(tài)。圖3 和圖4 溫度曲線上升的原因是在14 s 時開啟泄出口調節(jié)閥煤油開始過流同時停止制取低溫氮氣,此時換熱盤管內還殘存有低溫氮氣,與外部換熱后表現為T2 溫度逐漸升高,煤油容器內的煤油通過底部出口流出,且容器內煤油存在和外界環(huán)境的換熱作用,表現為T3—T5 溫度逐漸升高。通過圖5 可以看出試驗過程中煤油容器壓力控制較穩(wěn)定,約為0.3 MPa。

圖3 第一次低溫氮氣冷卻試驗時換熱盤管外壁溫Fig.3 Outer wall temperature of heat exchange coil during the first low temperature nitrogen cooling experiment

圖4 第一次低溫氮氣冷卻試驗時煤油容器內溫度Fig.4 Temperature in kerosene container during the first low temperature nitrogen cooling experiment

圖5 第一次低溫氮氣冷卻試驗時煤油容器增壓壓力Fig.5 Pressurized pressure of kerosene container during the first low temperature nitrogen cooling experiment

圖6 為第一次試驗時過濾器入口煤油溫度曲線,過濾器前煤油初始溫度為12.8 ℃,在14 s 時開啟流量調節(jié)閥,煤油開始流動,此時煤油容器內的低溫煤油逐漸流經過濾器,表現為過濾前溫度T6 逐漸降低,伴隨著容器內煤油溫度逐漸升高,表現為過濾前溫度T6 在后面開始升高。在205 s 時關閉流量調節(jié)閥,煤油溫度在-30 ℃以下時間為62 s,較箭上真實情況更惡劣。圖7 為第一次試驗時過濾器前后壓差與煤油流量的曲線,過濾器前后壓差即為流經過濾器的流阻。試驗中貯罐內煤油按照通過箭體濾網的真實流速進行過流,流量約為8—9 m3/h。整個泄出過程中過濾器前后壓差與流量成正比,過濾器流阻約為50—60 kPa。過流過程中未出現流阻突變的情況,說明過濾器未發(fā)生堵塞。

圖6 第一次低溫氮氣冷卻試驗時過濾器入口煤油溫度Fig.6 Kerosene temperature at filter inlet during the first low temperature nitrogen cooling experiment

圖7 第一次低溫氮氣冷卻試驗時過濾器流量和前后壓差Fig.7 Filter flow and pressure difference during the first low temperature nitrogen cooling experiment

第二次試驗時煤油溫度、流量和壓差變化如圖8和圖9 所示,過濾器前煤油初始溫度為13.2 ℃,在17 s時開啟泄出口調節(jié)閥,煤油開始過流,在180 s 時關閉調節(jié)閥。試驗過程中煤油容器壓力同樣為0.3 MPa,如圖10 所示。在-30 ℃以下的煤油過流時間約為32 s,依然比箭上真實情況惡劣。過濾器前后壓差與流量成正比,流阻同樣約為50—60 kPa。過流過程中未出現流阻突變的情況,說明過濾器未發(fā)生堵塞。

圖8 第二次低溫氮氣冷卻試驗時過濾器入口煤油溫度Fig.8 Kerosene temperature at filter inlet during the second low temperature nitrogen cooling experiment

圖9 第二次低溫氮氣冷卻試驗時過濾器流量和前后壓差Fig.9 Filter flow and pressure difference during the second low temperature nitrogen cooling experiment

圖10 第二次低溫氮氣冷卻試驗時煤油容器增壓壓力Fig.10 Pressurized pressure of kerosene container during the second low temperature nitrogen cooling experiment

4 煤油液氮冷卻試驗分析

為了對煤油結晶堵塞過濾網的故障模式進行摸索,在已有試驗設備的基礎上,使用液氮對煤油進行冷卻降溫,進行了兩次低溫煤油過流試驗。

圖11 為第一次液氮冷卻試驗時煤油溫度曲線,過濾器前煤油初始溫度為-24.7 ℃,在14.4 s 時開啟泄出口調節(jié)閥,在211 s 時關閉調節(jié)閥。試驗過程中過濾器前煤油溫度最低為-35.2 ℃,低于-30 ℃的過流時間為126 s。

圖11 第一次液氮冷卻試驗時過濾器入口煤油溫度Fig.11 Kerosene temperature at filter inlet during the first liquid nitrogen cooling experiment

如圖12 所示,由于液氮溫度較低,換熱器外壁面溫度長時間低于-100 ℃,已低于本試驗溫度變換器設置下限(-100 ℃)。煤油結晶溫度約為-60 ℃,意味著換熱盤管附近存在少量的極低溫結晶煤油。

圖12 第一次液氮冷卻試驗時換熱盤管外壁溫Fig.12 Outer wall temperature of heat exchange coil during the first liquid nitrogen cooling experiment

根據圖13,在試驗過程當中,部分極低溫煤油低于流量計的工作溫度范圍,導致流量計工作異常,采集數據不完整。從采集到的數據分析,煤油的過流流量在8—9 m3/h,與設計目標值相當。煤油采用液氮降溫后,同樣的流量下過濾器流阻明顯增大,最高達到約210 kPa,而且流阻存在突變現象,說明過濾器可能發(fā)生了堵塞。

圖13 第一次液氮冷卻試驗時過濾器流量和前后壓差Fig.13 Filter flow and pressure difference during the first liquid nitrogen cooling experiment

第二次試驗時煤油溫度變化如圖14 所示,在29 s時開啟流量調節(jié)閥,在94 s 時關閉流量調節(jié)閥,低于-30 ℃的過流時間為27 s。圖15 為過濾器前后壓差曲線,可以看出同樣存在流阻突變現象,最大流阻約為250 kPa,說明過濾器可能發(fā)生了堵塞。

圖14 第二次液氮冷卻試驗時過濾器入口煤油溫度Fig.14 Kerosene temperature at filter inlet during the second liquid nitrogen cooling experiment

圖15 第二次液氮冷卻試驗時過濾器前后壓差Fig.15 Pressure difference before and after the filter during the second liquid nitrogen cooling experiment

對上述壓差增大及流阻突變現象進行分析,可能導致該現象的因素包括:

(1)煤油流動過程中流量發(fā)生突變。流量突變可能是由于氣枕壓力發(fā)生突變或者閥門開度發(fā)生突變。兩次試驗時煤油容器氣枕壓力如圖16 和圖17所示,氣枕壓力整體平穩(wěn),無突變現象,試驗過程中,泄出口流量調節(jié)閥均處于最大開度狀態(tài),不存在繼續(xù)增加閥門開度的可能,因此可以排除由于煤油流量發(fā)生突變導致流阻增加及突變的因素。

圖16 第一次液氮冷卻試驗煤油容器增壓壓力Fig.16 Pressurized pressure of kerosene container for the first liquid nitrogen cooling experiment

圖17 第二次液氮冷卻試驗煤油容器增壓壓力Fig.17 Pressurized pressure of kerosene container for the second liquid nitrogen cooling experiment

(2)過流煤油溫度發(fā)生突變。通過圖11 和圖14數據分析,煤油溫度變化平穩(wěn),無突變現象,且由于煤油溫度在小范圍內變化對于流阻的影響相對較小,因此該原因可以排除。

(3)煤油或煤油中的水在低溫情況下形成結晶。采用液氮冷卻降溫時換熱器壁面煤油側溫度長時間低于-100 ℃,換熱器附近區(qū)域煤油會結晶形成固體顆粒,煤油中的少量水也可能形成冰晶。試驗過程中結晶附著于過濾器表面導致過濾器流阻增大,流動過程中煤油主體溫度是高于-60 ℃的,煤油形成的結晶會逐漸融化,造成過濾器前后壓差突變。由于結晶的存在,導致過濾器的流阻始終處于較高的水平。

因此可以確定低溫結晶導致流阻增大和突變。

5 結論

通過試驗方法對低溫煤油結晶特性進行研究,分析了低溫氮氣冷卻和液氮冷卻兩種方式下的煤油結晶情況,得出的主要結論如下:

(1)使用低溫氮氣對煤油進行冷卻,可以表征真實情況下的箭上煤油流動情況。從試驗數據來看,過濾器前后壓差穩(wěn)定,約為50—60 kPa,與流量變化趨勢基本吻合。從現場過濾器視窗來看,濾網表面未發(fā)現結晶存在,由此可以判斷箭上的煤油使用環(huán)境不存在風險。

(2)使用液氮對煤油進行冷卻,過濾器前后壓差較低溫氮氣冷卻方式有明顯增加,最高可達250 kPa,且過程中存在突變的現象。經分析,煤油本身及煤油中的水在極低溫的情況下形成結晶,附著在濾網表面引起過濾器流阻增大,形成的結晶在煤油主體溫度的狀態(tài)下部分融化,反映在數據上表現為過濾器流阻突變。因此發(fā)動機過冷煤油試驗時,不宜直接采用液氮冷卻煤油。