冷氦增壓系統(tǒng)換熱器換熱性能研究

杜正剛 尹貽國 張志廣 王道連 陳二鋒

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所 北京 100076)

1 引言

冷氦增壓系統(tǒng)是液體火箭的關(guān)鍵技術(shù)之一，通常利用氦氣作為增壓介質(zhì)，且氦氣瓶浸泡在液氫箱內(nèi)形成低溫高壓的氦氣，經(jīng)過減壓和加溫后用于對氧箱進(jìn)行增壓，低溫氦氣具有增壓效率高，性能穩(wěn)定的特點，在液體火箭上獲得大量的應(yīng)用［1］。為提高低溫氦氣的增壓能力，通常需要將低溫氦氣進(jìn)行加溫，低溫氦氣的加溫方式主要有兩種，一種是利用發(fā)動機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器的燃?xì)鈱Q熱器加溫［2］，使低溫氦氣溫度提高之后對氧箱增壓;另一種是利用液氧箱內(nèi)的液氧對液氫溫區(qū)的氦氣換熱，并對氧箱增壓［3］。為確?；鸺脑鰤盒阅?，在火箭的研制階段通常需要開展大量的試驗，以驗證換熱器換熱的性能。中國某型號液體火箭通過發(fā)動機(jī)對氦氣進(jìn)行加溫，在該增壓系統(tǒng)的研制階段開展過大量的研制試驗［4］，獲得了換熱器入口在恒定壓力和固定流量條件下?lián)Q熱器換熱性能，但未開展過變流量和變壓力條件下?lián)Q熱器的換熱性能研究。為提高該冷氦增壓系統(tǒng)的工作能力和適應(yīng)范圍，通過開展數(shù)值仿真分析和搭載發(fā)動機(jī)試車進(jìn)行冷氦增壓系統(tǒng)換熱器性能試驗研究，分析在入口流量和壓力改變條件下?lián)Q熱器的性能，為提升冷氦增壓系統(tǒng)的工作性能打下基礎(chǔ)。

2 試驗系統(tǒng)

為開展變流量工況下?lián)Q熱器的換熱性能研究，搭建了試驗系統(tǒng)，試驗系統(tǒng)原理如圖1所示。試驗通過將常溫高壓氦氣進(jìn)行減壓，之后再經(jīng)過液氮和液氫溫區(qū)的換熱器進(jìn)行降溫，使進(jìn)入發(fā)動機(jī)換熱器的氦氣溫度保持在25 K左右，在發(fā)動機(jī)進(jìn)出口設(shè)計有溫度和壓力傳感器，在試驗過程中監(jiān)測發(fā)動機(jī)換熱器進(jìn)出口溫度和壓力。發(fā)動機(jī)通過換熱管對低溫氦氣加溫后進(jìn)入模擬貯箱，模擬貯箱通過3個排氣閥門將氣體排出，通過壓力控制儀控制排氣閥門的開閉。試驗系統(tǒng)和測控界面現(xiàn)場如圖2和圖3所示。

圖1 試驗系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic of test sysytem

圖2 試驗系統(tǒng)圖片F(xiàn)ig.2 Picture of test sysytem

3 試驗內(nèi)容

試驗主要考核在不同流量工況下，發(fā)動機(jī)換熱器對氦氣的加溫效果，試驗的設(shè)計流量有4種工況，分別為20、30、40和50 g/s。試驗中通過將常溫減壓器的出口壓力調(diào)節(jié)為5 MPa，并根據(jù)減壓器出口壓力設(shè)計出不同的孔板，根據(jù)不同的孔板組合調(diào)節(jié)出4種流量。試驗內(nèi)容及參數(shù)見表1。

圖3 測量系統(tǒng)圖片F(xiàn)ig.3 Picture of measurement sysytem

表1 試驗流量參數(shù)表Table 1 Experimental parameters of mass flowrate

試驗中通過在模擬貯箱外層加液氮，防止進(jìn)入貯箱的增壓氦氣溫度迅速升高導(dǎo)致箱壓上升，通過對壓力控制儀設(shè)置不同的控制壓力帶，并控制電磁閥的開啟和關(guān)閉，使模擬貯箱的壓力保持在0.2ˉ0.3 MPa之間，試驗過程中壓力控制儀和排氣閥圖片見圖4。

圖4 試驗系統(tǒng)中壓力控制儀及排氣閥圖片F(xiàn)ig.4 Picture of pressure controled instrument and exhaust valve

4 試驗結(jié)果及分析

通過搭載發(fā)動機(jī)試車，研究不同流量和入口壓力條件下?lián)Q熱器的流損、換熱性能。

4.1 試驗流量分析

在本次試驗中，減壓器將孔板入口壓力穩(wěn)定在設(shè)計值，試驗過程中孔板直徑和入口壓力一定，因而試驗流量為恒定值。通過測量氣源內(nèi)的溫度和壓力，能獲得該工況下氦氣的密度，在已知氣源容積為3.2 m3的條件下進(jìn)而可計算出試驗過程中的流量，設(shè)計工況為50 g/s試驗過程中氣源壓力和溫度曲線如圖5所示，試驗的實際流量結(jié)果見表2，可見試驗中實際達(dá)到的流量與設(shè)計值基本一致。

圖5 設(shè)計流量50 g/s工況氣源溫度和壓力曲線Fig.5 Gas pressure and temperature curve for designed mass folwrate 50 g/s

表2 試驗流量計算結(jié)果(表壓)Table 2 Mass folwrate calculated of experiments

4.2 換熱器流損試驗結(jié)果及分析

不同流量下?lián)Q熱器的流損大小，對系統(tǒng)的設(shè)計有重要影響，試驗中通過測量換熱器入口和出口的壓力，可計算出換熱器的流動損失大小，設(shè)計流量為50 g/s的換熱器進(jìn)出口壓力曲線如圖6所示，不同設(shè)計流量換熱器壓力損失試驗結(jié)果見表3。

圖6 設(shè)計流量50 g/s換熱器壓力曲線Fig.6 Pressure curve of heat exchenger for designed mass folwrate 50 g/s

表3 換熱器壓力損失試驗結(jié)果表Table 3 Pressure drop of heat exchenger experimental results

通過對試驗壓力損失數(shù)據(jù)分析，可見隨著換熱器入口流量的增加，通過換熱器的壓力損失增大。在換熱管流阻損失系數(shù)不變的情況下，試驗結(jié)果表明氦氣的壓力損失與入口壓力和氦氣在管道內(nèi)的流速平方成正比，與經(jīng)典的流體力學(xué)理論趨勢完全一致。

4.3 換熱性能試驗結(jié)果及分析

對設(shè)計流量為50 g/s工況的試驗溫度曲線如圖7所示。發(fā)動機(jī)換熱器進(jìn)口溫度21.2ˉ23 K的范圍內(nèi)，出口溫度穩(wěn)定在64.6ˉ65.8 K的范圍內(nèi)，說明在該流量工況下發(fā)動機(jī)換熱器能將50 g/s的氦氣由22 K加溫至65 K。液氫杜瓦換熱器出口溫度為18.6ˉ19.2 K，說明由換熱器出口至發(fā)動機(jī)換熱器的管路溫升約為4 K。不同流量工況下，換熱器換熱性能試驗結(jié)果如表4所示。

圖7 換熱器試驗溫度曲線(50 g/s)Fig.7 Temperature curve of heat exchenger fordesigned mass folwrate 50 g/s

表4 換熱性能試驗結(jié)果表Table 4 Experimental results of heat exchanger performance

通過對試驗結(jié)果分析可知，在換熱器入口溫度變化很小情況下，換熱器的出口溫度隨質(zhì)量流量的增加而降低，說明雖然經(jīng)過換熱管內(nèi)氦氣的流速增加提高了氦氣的對流換熱系數(shù)，但由于流量增加較大，在換熱器內(nèi)總換熱量變化很小的條件下，流量的增加導(dǎo)致出口溫度明顯變低，氦氣的流量是影響換熱器加溫效果的重要因素。

5 與數(shù)值仿真對比

數(shù)值仿真建模過程中，發(fā)動機(jī)換熱器管外為高溫燃?xì)獾臎_刷換熱，冷氦換熱管內(nèi)為冷氦的強(qiáng)制對流換熱，換熱管內(nèi)、外則為通過金屬壁的導(dǎo)熱。由于發(fā)動機(jī)燃?xì)鉃楦邷馗粴淙細(xì)?，燃?xì)馀c換熱管接觸形成水蒸氣，并附著在換熱管上，當(dāng)燃?xì)庵兴魵夂偷陀谙鄳?yīng)壓力下飽和溫度的壁面相接觸時，在壁面上就會發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象。換熱管外氣、液相凝結(jié)換熱機(jī)理復(fù)雜，膜狀凝結(jié)時，壁面總是被一薄層凝液所覆蓋，蒸汽凝結(jié)時放出的潛熱通過液膜傳遞給壁面，使得該液膜成為膜狀凝結(jié)的主要熱阻，換熱器外壁與燃?xì)獾膶α鲹Q熱系數(shù)h選取是數(shù)值仿真的關(guān)鍵參數(shù)。在進(jìn)行數(shù)值仿真計算過程中，根據(jù)發(fā)動機(jī)換熱器在研制過程中的經(jīng)驗公式對換熱管外側(cè)與燃?xì)獾膶α鲹Q熱系數(shù)進(jìn)行修正，管外壁與燃?xì)鈸Q熱根據(jù)對流傳熱公式計算［5］:

式中:q為換熱量，W;h為修正后的燃?xì)馀c換熱管外壁對流傳熱系數(shù)W/m2˙K;tgas為燃?xì)鉁囟?，K，根據(jù)發(fā)動機(jī)提出參數(shù)進(jìn)行計算;twall為燃?xì)馔獗跍囟?，K;通過對不同流量和壓力換熱器換熱性能進(jìn)行數(shù)值仿真，試驗結(jié)果和數(shù)值仿真仿真結(jié)果見圖8。不同入口壓力條件換熱器出口溫度見圖9。

圖8 數(shù)值仿真和試驗結(jié)果對比圖Fig.8 Results comparison of experiment and numerical simulation

圖9 不同入口壓力換熱器出口溫度圖Fig.9 Outlet temperature curve of heat exchenger for different inlet pressure

從圖8可見，數(shù)值仿真結(jié)果與試驗結(jié)果一致性較好，換熱器入口溫度為25 K的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致;入口溫度為20 K的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果最大誤差為5 K，產(chǎn)生誤差的主要原因是低溫氦氣的物性參數(shù)與真實介質(zhì)存在一定的誤差，但數(shù)值仿真準(zhǔn)確預(yù)測了在變流量工況下，氦加溫器對低溫氦氣的加溫效果。從圖9可見不同的入口壓力條件下?lián)Q熱器出口溫度趨勢完全一致，出口溫度差別不超過2 K，仿真結(jié)果說明入口壓力對換熱性能的影響較小。

6 結(jié)論

通過開展搭載發(fā)動機(jī)試車試驗和數(shù)值仿真分析，研究發(fā)動機(jī)換熱器在不同流量和壓力條件的換熱性能，為后續(xù)擴(kuò)展冷氦增壓系統(tǒng)的使用范圍打下基礎(chǔ)，主要結(jié)論如下:

(1)在換熱器入口流量為20ˉ50 g/s范圍內(nèi)，換熱器能將25 K的低溫氣體加溫至65ˉ85 K，換熱器出口溫度隨質(zhì)量流量增加而降低，質(zhì)量流量是影響換熱性能的重要因素;

(2)在流量范圍20ˉ50 g/s內(nèi)，換熱器的流阻隨流量的增大而增大，流阻范圍在0.12ˉ0.42 MPa之間，氦氣的壓力損失與入口壓力和氦氣在管道內(nèi)的流速平方成正比;

(3)數(shù)值仿真結(jié)果與試驗結(jié)果一致性較好，計算的最大誤差不超過5 K;計算結(jié)果表明換熱器入口壓力變化對換熱器換熱性能影響較小。

1 張福忠.冷氦增壓系統(tǒng)的研制［J］.低溫工程，1996，92:7-12.

2 Alain teissier，Gabriel Dussollier，Ariane 5 Main Stage Oxygen Tank Pressurization［R］，AIAA 93-1969，1993.

3 Toshihiko Nakagawa，Akira Konno.Captive firing test ofh-iia launch vehicle second stage［R］，AIAA-99-2771，1999.

4 曾源華.20.4 K冷氦加溫及氧箱的模擬增壓試驗技術(shù)［J］.低溫工程，1994，79:55-58.

5 楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)［M］.北京:中國高等教育出版社，2006.