燃烧处理装置的作用是在常规补燃发动机富氧发生器半系统联合试验时,对试验过程排放的大量有毒富氧燃气进行实时补燃,达到无毒排放的目的。燃烧处理装置的总体结构由降压器和燃烧器两部分组成,结构示意图见图2。处理装置首先要解决的技术难题是降低高压排气的压力,通常高压补燃循环发动机发生器的燃烧压力非常高,如RD-253发生器的室压是24 MPa^[15],SSME发生器的室压则高达33 MPa^[16],将发生器试验的排气压力降低至合适的范围,不仅可以大幅降低处理装置的设计难度,也可以控制处理装置的结构尺寸,方便在空间有限的发动机试验台上进行布局和装卸。其次,需要突破富氧燃气高效补燃的关键技术,实现发动机试验排气的无毒化。

图2 燃烧处理装置的结构示意图
Fig.2 Sketch of the gas combustion device

降压器的功能是大幅降低发生器试验时的排气压力,采用两级降压实现排气压降比(排气压降与进口压力之比)不小于0.85。其工作原理是:首先利用拉法尔喷管,使高压排气在喷管扩张段内膨胀加速形成超声速气流,在一定背压的条件下,喷管扩张段内会产生激波,经激波后气流压力首次降低,不同的喷管扩张比可以适应不同的压降比需求^[17]; 然后,在喷管出口设置多孔阻尼板,气流在经过突缩和突扩流动后,压力进一步降低,改变阻尼板的开孔率可以控制压降比; 最后,在降压器的出口设置整流装置,对降压后的气流进行整流,降低紊流度,导直气流方向,保证进入下游燃烧器的气流参数均匀^[18-19]。

降压器流道压力分布的仿真计算结果如图3所示,压力损失主要集中在喷管扩张段和多孔阻尼板处,计算条件下降压器的压降比超过0.88。

图3 降压器内的压力分布图
Fig.3 Pressure distribution of the decompression device

经降压整流后的富氧燃气进入燃烧器,与燃烧器内喷注的燃料进行补燃生成高温燃气,通过调整混合比和燃烧温度,控制燃气中氮氧化合物的去除率。

选择何种燃料是燃烧器设计的关键。文献[11]选择煤油作为燃烧处理N₂O₄的燃料,但是需要补充大量的空气,一次空气和一次煤油燃烧形成稳定的火焰,在高温下二次煤油与N₂O₄反应,未完全反应的煤油再与二次空气反应后排放,处理20 g/s的N₂O₄废气需要150 g/s的空气量,当需要实时处理的废气量达到每秒百千克时,发动机试验现场难以提供如此巨大的空气量。考虑点火和燃烧特性,并结合试验现场的条件,借鉴常规发动机推力室的燃烧技术,燃烧器的燃料选择与发动机相同的偏二甲肼,与发动机不同的是,在燃料中掺入一定比例的水形成混水燃料,目的是调整燃烧器的总混合比,避免燃烧温度过高,同时保证高的氮氧化合物去除率。为了验证混水燃料的可行性,专题开展了混水燃料和富氧燃气的补燃试验,试验的点火照片见图4,结果表明,水与燃料的流量比在0～2.5的范围变化时均能维持稳定的燃烧,但是随着掺水比例的不断增大,燃烧效率会有所降低,因此,为了获得较高的燃烧效率,需要选取合适的掺水比例。

图4 混水燃料的点火试验
Fig.4 The combustion test of mixed-water fuel

为了实现每秒超百千克燃料的喷注以及喷注的均匀性,燃烧器采用分级燃烧的设计思路^[20],在燃气流动方向上选择多个截面分别喷注混水燃料,结合了支杆喷射和壁面喷射多种燃料喷射方式,各喷射位置的燃料流量可以通过供应系统进行调节,匹配发动机不同工况试验时的补燃需求。混水偏二甲肼与富氧排气混合可以自燃,因此燃烧器不需要设计点火器。

图6给出了试验过程中降压器进出口的排气压力曲线,图中的纵坐标是无量纲排气压力,即实际排气压力与设计状态的排气压力之比。发动机试验的排气在流经降压器后,压力显著降低,在燃烧器点火前,出/进口压比小于0.044。当燃烧器点火后,降压器出口压力随之升高,出/进口压比也随之增大到0.115,但仍远小于进口压力,处理装置的补燃过程不会对发动机的工作参数造成扰动。试验过程中发动机进行了变工况调节,降压器进口的排气压力随发动机的工况提高而增大,出口压力变化很小,降压器的喷管扩张段内的激波位置发生下移,气流速度增大,引起降压幅度增大,表明降压器可以自适应发动机变工况试验的压力调节。

图6 降压器进出口无量纲排气压力曲线
Fig.6 Non-dimensional exhaust pressure curve of the decompression device

图7给出了不同状态点的排气压降比,图中的横坐标是状态点,不同状态点对应不同的进口排气压力,其中状态1和状态2为补燃前状态,其余状态点为补燃状态。补燃前的压降比可以达到95.5,补燃状态的压降比基本维持在88～89.2之间,与仿真结果的符合性较好,降压器工作稳定,试验的重复性较好。

图7 不同状态下的压降比
Fig.7 Pressure drop ratio with different conditions

图8给出了燃烧器工作过程的燃烧室压力曲线。从室压曲线的起动段可以看出,没有出现明显的点火延迟,点火过程迅速平稳,没有压力峰。在稳态工作段,室压曲线的波动非常小(采样频率1 kHz),燃烧过程非常稳定,室压相对峰峰值小于1。在关机段,室压快速下降,没有出现关机冲击。参考火箭发动机特征速度效率的评估方法,计算得到燃烧器的补燃效率在0.9左右。试验结果表明,混水燃料的点火和燃烧稳定性与常规推进剂的特性基本相同,因为在燃料中掺混大量的水,燃烧效率会有所降低。

图8 燃烧室的压力曲线
Fig.8 Pressure curve of the combustion chamber

处理装置内的NO_x来自于未反应完的氧化剂,当混水燃料中的偏二甲肼(C₂H₈N₂)与排气中的四氧化二氮(N₂O₄)的混合比接近化学当量混合比时,补燃生成的产物是无毒的CO₂、N₂和H₂O。为了避免在富燃条件下燃烧产生新的氮氧化合物,将混合比设定为略大于当量混合比。另外,通过调节燃料的混水比例,一方面降低补燃温度,保证结构可靠; 另一方面控制温度不低于1 200 ℃,保证NO完全分解为N₂和O₂。

图9是试验过程中处理装置的录像截图,其中图9(a)是处理装置点火前的排放照片,发动机试验排气经过处理装置后排出,周边环境中出现了大量的黄棕色气体,处理装置的周边有喷水,对排气进行稀释; 图9(b)是处理装置点火后的排放照片,喷口没有再出现黄棕色气体,而是明亮的燃烧火焰,发动机试验产生的有毒富氧排气经过补燃,得到了有效的无毒化处理,满足常规发动机试验的排放要求。

图9 处理装置试验的火焰照片
Fig.9 Combustion flame photos of the gas combustion devise