外熱源式AIP裝置無氣體產(chǎn)生燃料金屬粉末供應(yīng)系統(tǒng)研究

李大鵬，王 臻

?

外熱源式AIP裝置無氣體產(chǎn)生燃料金屬粉末供應(yīng)系統(tǒng)研究

李大鵬1，王 臻2

(1. 海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，武漢 430033；2. 海軍大連艦艇學(xué)院 外訓(xùn)系，遼寧大連 112600)

針對外熱源式AIP裝置無氣體產(chǎn)生燃料金屬粉末供應(yīng)系統(tǒng)，對國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀進行了綜述，提出了AIP裝置金屬粉末燃料供應(yīng)系統(tǒng)的技術(shù)要求，給出了適用于AIP裝置的金屬粉末燃料氣力供應(yīng)系統(tǒng)的技術(shù)方案和系統(tǒng)構(gòu)成，并對所涉及到的相關(guān)問題進行了研究和討論。

無氣體產(chǎn)生燃料 AIP 金屬粉末 燃料供應(yīng)系統(tǒng)

0 引言

無氣體產(chǎn)生燃料是指一些化學(xué)物質(zhì)，在正常條件下，當(dāng)在與空氣隔絕的封閉空間內(nèi)燃燒時，其燃燒產(chǎn)物僅為液體或固體而不會產(chǎn)生氣體。在外熱源式AIP裝置上使用無氣體產(chǎn)生燃料，可以徹底解決AIP裝置反應(yīng)產(chǎn)物排放問題，大幅提高潛艇隱蔽性。

使用金屬作為外熱源式潛艇AIP裝置的無氣體產(chǎn)生燃料。金屬與可與多種氧化劑反應(yīng)，放出大量熱量，稱為“金屬燃燒”。金屬燃燒常使用輕金屬，以Mg和Al為主。

輕金屬以液態(tài)形式進入燃燒室更有利，但如果處于氣態(tài)，裝置性能指標(biāo)會更高。輕金屬如采用固態(tài)燃燒，常是粉末狀顆粒，較小顆粒度的粉末會帶來較高的火災(zāi)爆炸危險性，并要使用惰性氣體或CO2保護的粉末運輸、儲存容器的裝載和清空。

金屬粉末燃料在沖壓發(fā)動機上得到了廣泛應(yīng)用。金屬粉末沖壓發(fā)動機具有比沖高、燃料易貯存、耐老化、流量可調(diào)、可多次啟動等優(yōu)點，已成為沖壓發(fā)動機的一個重要發(fā)展方向[1]。在此方向的研究成果，可作為使用金屬粉末燃料外熱源式AIP裝置研究的借鑒。

金屬粉末供應(yīng)系統(tǒng)是輕金屬無氣體產(chǎn)生燃料外熱源式AIP裝置的重要組成部分，關(guān)系到燃燒室乃至整個AIP裝置的工作性能。

本文就無氣體產(chǎn)生燃料金屬粉末燃料供應(yīng)系統(tǒng)進行了分析，對國外相似系統(tǒng)進行了綜述和研究，提出了適用于外熱源式AIP裝置的無氣體產(chǎn)生燃料金屬粉末供應(yīng)系統(tǒng)。

1 研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)40年代，金屬粉末作為發(fā)動機燃料的概念首次提出并開始了相關(guān)研究，但金屬粉末燃料的流化與供應(yīng)、燃燒效率、燃燒產(chǎn)物沉積等難題，使得該方向的研究停滯不前[2]。

70年代，Lofius等對Al-AP粉末燃料火箭發(fā)動機進行研究[3,4]。發(fā)動機組成包括：燃料粉末供應(yīng)系統(tǒng)、噴射器、點火系統(tǒng)和燃燒室。供應(yīng)系統(tǒng)將金屬粉末燃料流化，流化后的金屬粉末燃料經(jīng)噴射器進入燃燒室，點火后使AP粉燃燒，進一步使Al粉燃燒。

典型的金屬粉末燃料供應(yīng)系統(tǒng)見圖1。金屬粉末燃料裝填在燃料筒中，通過活塞桿流入的流化氣體進入燃料粉末床，將金屬粉末燃料流化并帶走?；钊砻婢鶆蚍植夹】祝墒箽夤袒旌衔锓植季鶆?，同時防止金屬粉末燃料回流。

噴射器結(jié)構(gòu)有同軸式和預(yù)混式。同軸式噴射器的金屬粉末燃料由旁側(cè)孔進入，被中心孔進入的氧化劑帶走；預(yù)混式噴射器的燃料粉末由中心孔進入，與旁側(cè)孔進入的氧化劑混合后噴出。

使用水和金屬粉末燃料對噴射器進行了測試。金屬粉末燃料為30 μm和3 μm顆粒直徑的Al顆粒，按7:3的質(zhì)量百分比混合，200 μm和55 μm顆粒直徑的AP顆粒按77:23質(zhì)量百分比混合。Al粉使用CH4流化，AP粉使用N2和O2流化。測試表明，對于同軸式噴射器結(jié)構(gòu)，顆粒直徑為55 μm的AP粉表現(xiàn)出較好的流動特性。

Meyer[5]研究的使用A1粉和O2作為推進劑的火箭發(fā)動機金屬粉末燃料供應(yīng)系統(tǒng)采用了與Lofius相似的結(jié)構(gòu)。金屬粉末燃料儲存在圓柱形容器中，容器由N2填充?；钊麠U引入氣體進入圓筒并將粉末帶走?；钊揽繗怏w推動并始終緊靠粉末，從而避免存在空隙造成的金屬粉末燃料流化不穩(wěn)定。

采用這種供應(yīng)方式情況下，所需N2占Al粉質(zhì)量的1％。實驗使用顆粒直徑分別為15 μm，25 μm和60 μm的Al粉。實驗表明，25 μm顆粒直徑Al粉的流動和燃燒性能優(yōu)于其余兩種顆粒直徑的Al粉，且流化氣流量是影響金屬粉末燃料供應(yīng)量的主要因素。

隨著火星探測的進行，火星上Mg和CO2豐富，Mg也因此成為火星探測器推進系統(tǒng)燃料的首選。Goroshin[6]等研究了Mg+CO2推進系統(tǒng)，見圖2。Mg粉由活塞推動，被CO2氣流夾帶輸入燃燒室。Mg粉流化和供應(yīng)與燃燒分離，防止Mg粉因受熱而結(jié)團。

Goroshin等[7]對金屬和非金屬粉末用于沖壓發(fā)動機的研究表明，Al粉綜合性能最好。見圖3所示氣力輸送系統(tǒng)。Al粉顆粒直徑5.8 μm，填充比50％，使用激光探針監(jiān)控粉末濃度。

美國賓西法尼亞州立大學(xué)應(yīng)用實驗室提出了使用Al粉與海水反應(yīng)用于自主式水下航行器推進系統(tǒng)[8,9]。Al粉能量密度較高，海水更是取之不竭，因此，這種金屬粉末燃料+氧化劑組合對于海洋動力裝置具有良好的應(yīng)用前景。自然，在潛艇AIP裝置上的應(yīng)用也是可行的。

圖2 Mg+CO2推進系統(tǒng)

圖3 氣力輸送系統(tǒng)

研究使用的金屬粉末燃料供應(yīng)系統(tǒng)與文獻(xiàn)[3,4]中所采用的相似，都由活塞桿引入流化氣，將儲存在燃料筒內(nèi)的金屬粉末燃料流化，由電動機、壓縮氣體或機械推動的活塞維持氣固混合物壓力。鋁粉填充容積率0.37，流化氣可使用惰性氣體或有利于點火和穩(wěn)定燃燒的氣體。

金屬粉末燃料供應(yīng)系統(tǒng)最多可裝填的Al粉為59 kg，可連續(xù)工作時問1 h。通過改變活塞壓力和噴射孔尺寸實現(xiàn)金屬粉末燃料流量的調(diào)節(jié)。

鄭邯勇等[10]指出：“Al+H2O”反應(yīng)推進系統(tǒng)存在著反應(yīng)的啟動和持續(xù)問題。添加助燃劑可減少反應(yīng)啟動時間，使用旋風(fēng)燃燒器可保證反應(yīng)持續(xù)進行，向金屬粉末燃料中添加粘合劑、制成流態(tài)藥柱，便于燃料輸送，實驗研究了Al粉顆粒度、粘合劑和助燃劑對反應(yīng)的影響。

孫展鵬等[11]對“Al+ H2O”反應(yīng)機理進行了研究，針對反應(yīng)點火困難，提出了破壞金屬表面氧化物的三種方法：使外界溫度高于氧化物熔點，氧化物流化，金屬裸露；依靠機械應(yīng)力使氧化物外殼破裂；加入化學(xué)物質(zhì)與表面氧化物反應(yīng)，或提高金屬粉末燃料和金屬氧化物的互溶性，使反應(yīng)得以持續(xù)進行。

總的說來，金屬粉末燃料供應(yīng)系統(tǒng)方面的研究已有一定的基礎(chǔ)，所提出的技術(shù)方案和研究成果，對于外熱源式AIP裝置無氣體產(chǎn)生燃料金屬粉末供應(yīng)系統(tǒng)具有參考價值。

2 金屬粉末燃料供應(yīng)系統(tǒng)的技術(shù)要求

金屬燃料應(yīng)加工為具有微小顆粒直徑的粉末，使其具有流動性。金屬燃料粉末的加工和制備在岸上進行，遵守相應(yīng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

金屬粉末燃料可直接向企業(yè)采購。金屬燃料粉末的裝載、清空、儲存和運輸，需要遵守相應(yīng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，一般使用惰性氣體或CO2保護進行。

金屬粉末燃料供應(yīng)系統(tǒng)由金屬粉末燃料儲存箱和氣力輸送系統(tǒng)組成。

金屬粉末燃料儲存在儲存箱內(nèi)，由氣力輸送系統(tǒng)供應(yīng)給AIP裝置燃燒室。點火后，與氧化劑反應(yīng)，產(chǎn)生的高溫反應(yīng)產(chǎn)物加熱AIP工質(zhì)，高溫高壓工質(zhì)進入AIP發(fā)動機，如斯特林發(fā)動機、閉式循環(huán)汽輪機和閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C內(nèi)作功。

金屬粉末燃料供應(yīng)系統(tǒng)的性能直接影響燃燒室中的燃燒，并進一步影響AIP發(fā)動機的工作性能。因此，必須對金屬粉末燃料供應(yīng)系統(tǒng)進行有針對性的設(shè)計。

金屬粉末燃料應(yīng)能在密閉的儲存箱內(nèi)長期和安全儲存，避免火災(zāi)爆炸危險，燃料不會老化，儲存成本低。為此，可使用惰性氣體或CO2充填儲存箱，以起到保護作用。

金屬粉末燃料的流化效果直接影響燃燒性能，從而影響AIP裝置工作性能。金屬粉末燃料的流化與供應(yīng)也一直是金屬燃料燃燒系統(tǒng)的技術(shù)難點，同時，也是外熱源式AIP裝置使用金屬作為無氣體產(chǎn)生燃料的關(guān)鍵技術(shù)。

氣力輸送系統(tǒng)輸送的金屬粉末燃料濃度應(yīng)穩(wěn)定且均勻，以保證燃燒室中燃燒的穩(wěn)定性、提高燃燒室燃燒效率和保證其使用壽命。

氣力輸送系統(tǒng)供應(yīng)給燃燒室的金屬粉末燃料流量應(yīng)可調(diào)節(jié)，能夠保持穩(wěn)定工況下的流量穩(wěn)定，同時滿足AIP裝置的啟動和停止、穩(wěn)定運行、工況和功率變換的要求。

3 金屬粉末燃料氣力輸送系統(tǒng)

氣力輸送系統(tǒng)是指用氣體間輸送固體顆粒的系統(tǒng)，在電力、水泥、化工、玻璃、采礦及冶金等工業(yè)領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。

由于輸送物料及工況不同，氣力輸送有多種形式[12]。按照氣流壓力，分為負(fù)壓、正壓和混合輸送；按照流動狀態(tài)，分為稀相和密相輸送；按照壓力高低，分為低壓和高壓輸送；按照輸送氣體是否循環(huán)利用，分為開放和封閉輸送；按照供料方式，分為機械和倉壓式輸送；按照供氣方式，分為連續(xù)供氣和脈沖供氣輸送；按照輸送管道形式，分為單管和雙管式輸送。

正壓輸送是依靠高于大氣壓的氣體將金屬粉末燃料輸送到燃燒室，具有較高的輸送流量，適合于遠(yuǎn)距離輸送。負(fù)壓輸送系統(tǒng)是使用風(fēng)機抽吸形成的負(fù)壓氣流夾帶金屬粉末燃料從吸嘴進入燃燒室，優(yōu)點是不會發(fā)生輸送氣體及其夾帶金屬粉末燃料的外漏，但輸送距離不大。

兩種氣力輸送系統(tǒng)都要有過濾段，使金屬粉末燃料與輸送氣體分離，且輸送氣體循環(huán)使用。對于AIP裝置，輸送距離一般都比較小，為減小因金屬粉末燃料泄漏引發(fā)火災(zāi)和爆炸的危險，應(yīng)采用負(fù)壓輸送系統(tǒng)。

氣力輸送是十分復(fù)雜的過程。輸送過程中，金屬粉末燃料被氣流夾帶，金屬粉末燃料顆粒之間以及顆粒同氣力輸送系統(tǒng)固體壁面之間會發(fā)生碰撞，碰撞使得顆粒破碎和固體壁面磨損，這種情況在輸送氣體高速流動時愈發(fā)明顯。如降低輸送氣流六度，易造成堵塞。

輸送效率是氣力輸送系統(tǒng)的重要指標(biāo)，主要由金屬粉末燃料顆粒的尺度、分布、形狀、密度、硬度、脆性、可壓縮性、滲透性、粘性、分離性、爆炸性、可燃性、毒性、靜電效應(yīng)等幾何、機械、物理和化學(xué)性質(zhì)決定，并直接影響到氣力輸送系統(tǒng)的使用壽命和消耗功率。

氣力輸送方式分為稀相輸送和密相輸送。對于稀相輸送，金屬粉末燃料與輸送氣體質(zhì)量流量之比較小，輸送氣體壓力較低且流速較大，適用于輸送粉末的質(zhì)量和粒度較小、干燥、易流動、輸送距離不大的情況。

密相輸送的流速較低，固體壁面磨蝕和金屬粉末燃料顆粒破碎不嚴(yán)重，耗氣量少。由于金屬粉末燃料具有火災(zāi)和爆炸危險性，一般采用惰性氣體作為輸送氣體，密相輸送較為適合。密相輸送耗氣量少的特點，還可使后續(xù)的分離比較容易，氣體過濾設(shè)備也相對簡單。

金屬粉末燃料氣力輸送系統(tǒng)見圖4。

圖4 金屬粉末燃料氣力輸送系統(tǒng)

金屬粉末燃料的供應(yīng)和輸送氣體帶走金屬粉末燃料，是氣力輸送系統(tǒng)的兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。金屬粉末燃料的供料有4種型式。

螺旋式供料器。電機帶動螺旋，利用擠壓效應(yīng)，將金屬粉末燃料送至供料倉，再被高速輸送氣體帶走。通過調(diào)節(jié)螺旋轉(zhuǎn)速來控制金屬粉末燃料流量。缺點是存在螺紋磨損問題。

旋葉式供料器。利用葉片旋轉(zhuǎn)使金屬粉末燃料與高速輸送氣流混合，進料方式與螺旋式相似，雖然不存在螺旋磨損問題，但葉片與壁面空隙大，易造成輸送氣體泄漏。

容積式供料器。高壓輸送氣體的一部分將下落的金屬粉末燃料吹散流化，其余氣體依靠其高流速輸送金屬粉末燃料。該種型式的加料器密封性好、可靠性高，但造價高、耗氣量大，需要大功率空氣壓縮機，且輸送流量不穩(wěn)定，磨損嚴(yán)重。

文丘里供料器。利用噴嘴噴出高速氣體形成的負(fù)壓，使金屬粉末燃料被吸入供料倉，屬于負(fù)壓輸送系統(tǒng)，缺點是耗氣量大、效率低，且輸送流量不易控制。

對于AIP裝置，由于長期穩(wěn)定運行和頻繁功率變換的要求，供料器應(yīng)能保證輸送金屬粉末燃料流量穩(wěn)定且易于調(diào)節(jié)。此外，為保證AIP裝置使用條件下的火災(zāi)爆炸安全性，金屬粉末燃料的儲存、輸送都處于惰性氣體或CO2保護下。因此，對于AIP裝置，容積式供料器和文丘里供料器不做推薦，首選是旋葉式供料器和螺旋式供料器。

5 小結(jié)

針對AIP裝置和AIP裝置使用條件下的金屬粉末燃料供應(yīng)系統(tǒng)，由于缺乏實際運行經(jīng)驗積累，所提供的設(shè)計方案借鑒了航空航天、冶金等領(lǐng)域應(yīng)用的相應(yīng)系統(tǒng)，而這些系統(tǒng)的使用和運行條件，與AIP裝置有較大差別。

基于AIP裝置使用要求，可選用的外熱源式AIP裝置金屬燃料范圍有限，這也為今后進行有針對性的研究提供了便利。

[1] 韓超. 粉末沖壓發(fā)動機燃料供應(yīng)系統(tǒng)研究[D]. 長沙: 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2006.

[2] 張煒, 朱慧, 方丁酉, 張為華. 沖壓發(fā)動機發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)[J]. 固體火箭技術(shù), 1998, 21(3): 24-30．

[3] Loftus H.J., Montanino L.N., Bryndle R.C. Powder Rocket Feasibility Evaluation[R]. AIAA 72-1162, 1972.

[4] Loftus H.J., Marshall D., Montanino L.N. Powder Rocket Evaluation Program[R]. AD-76-9283, 1976.

[5] Mike L.Meyer. Powdered aluminum and oxygen rocket propellants: Subscale Combustion Experiments[R]. NASA-T/Vl-06439, 1993.

[6] Goroshin S., Higgins A.J., Lee.J.H.S. Powdered magnesium-carbon dioxide propulsion concepts for Mars missions[R]. AIAA-2408, 1999.

[7] Goroshin S., Higgins A.J., Kamel M. Powdered metals as fuel for hypersonic ramjets[R]. AIAA 2001 3919, 2001.

[8] Timothy F.Miller, Jeremy L.Walter, Daniel H.Kiely. A next-generation AUV energy system based on aluminum-seawater combustion[R]. IEEE, 2002.

[9] Timothy F.Miller, John D．Herr. Green rocket propulsion by reaction of AI and Mg powders and water[R]. AIAA 2004-4037, 2004.

[10] 鄭邯勇, 王永昌. 鋁水反應(yīng)機理的試驗研究與分析[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2005, 27(3): 81-83.

[11] 孫展鵬, 樂發(fā)仁. 鋁/水反應(yīng)機理初探[C]. 多樣化航天動力技術(shù)進展學(xué)術(shù)會議, 2005.

[12] 張榮善．散料輸送與貯存[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 1994: 274-315.

Fuel Feeding System of Powered Metal Used as No-gas Generation Fuel for External Heat Resource AIP Plants

Li Dapeng1, Wang Zhen2

(1. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. Naval Dalian Warship Institute, Dalian Liaoning 112700, China)

U664 TJ83

A

1003-4862（2015）02-0026-04

2014-06-05

教育部第47批歸國留學(xué)人員科研啟動基金教外司留（2013）第1792號

李大鵬(1972-)，男，博士后。研究方向：艦船動力裝置。