裂解度对甲醇ATR发动机的性能影响分析

张留欢，杜 泉，逯婉若，张蒙正，李光熙

(西安航天动力研究所，陕西 西安710100)

0 引言

空气涡轮火箭发动机(Air Turbo Rocket, ATR)将火箭发动机与涡轮喷气发动机组合[1-2]，使涡轮入口气体参数与飞行条件解耦，拓宽了发动机工作范围，其可作为临近空间飞行器的新型动力。

从热力循环方式来说，ATR发动机主要分为燃气发生器循环和膨胀循环两种方案[3-7]。燃气发生器循环ATR发动机多使用双组元(液氧/液氢、液氧/甲烷及H2O2/煤油等)作为推进剂[8-9]，这种方式发动机自带氧化剂，且推进剂低温或热稳定性差；膨胀循环ATR发动机(Air-Turbo-Ram Expander Cycle，ATREX)使用液氢作为推进剂[10-11]，其做功能力强，燃烧热值高，但密度低，储存容积大且对材料性能要求高，操作性较差[12]。

甲醇(CH3OH)作为燃料在汽车发动机等内燃机方面的应用研究较多[13-15]，其成分单一，特性稳定，属于清洁燃料。一般利用发动机排气余热将常温液体甲醇加热、蒸发[16]，并在催化剂作用下，将甲醇裂解[17-19]为H2和CO等，进入发动机内燃烧。甲醇裂解气中氢气含量最高可达67%，可充分利用氢气的燃烧特性，但不需要解决储氢的问题[20]。同时，裂解气中碳氢化合物含量极少，结焦问题不明显。此外，张琴等[21]研究了甲醇作为吸热燃料应用于超燃冲压发动机主动冷却技术的可行性，给出了不同涂层催化剂对甲醇分解的影响结果。

本文提出了一种基于甲醇裂解工作的ATR发动机(下文简称甲醇ATR发动机)方案，详细阐述了该发动机工作原理，并开展了发动机性能计算，研究了甲醇裂解度对发动机性能的影响规律，可为后续吸气式组合发动机方案研究及推进剂选取提供新的思路。

1 工作原理及性能

甲醇ATR发动机主要包括进气道、压气机、气体发生装置、涡轮、燃烧室、尾喷管及换热装置等组件。甲醇ATR发动机的特点主要是其气体发生装置利用甲醇受热、催化裂解产生H2和CO等气体的特性。甲醇裂解的反应方程为：CH3OH+90kJ→2H2+CO，为吸热反应。图1为甲醇ATR发动机工作原理示意图。在发动机工作过程中，首先采用单独设计安装的燃气发生器(固体或液体)产生高温高压富燃燃气驱动发动机短暂工作，之后一定压力、流量的甲醇进入发动机，通过换热装置实现升温裂解，产生的高温高压气相物进入气体发生装置，直接驱动涡轮带动压气机工作，大气中的空气经压气机增压后直接进入涡轮后的燃烧室，在燃烧室内和经过涡轮做功后的可燃气体进行燃烧，生成的高温燃气通过喷管膨胀产生推力。

为方便公式说明，图2给出了ATR发动机组成及截面示意图。考虑发动机远前端来流截面(序号0)及进气道入口截面(序号1)，给定发动机入口(即压气机入口)截面序号为2，发动机出口(即尾喷管出口)截面序号为8。

图1 甲醇ATR发动机工作原理示意图Fig.1 Sketch of working principle for methanol ATR engine

图2 ATR发动机及其截面示意图Fig.2 Sketch of ATR engine and its sections

根据甲醇ATR发动机工作原理，建立了发动机工作平衡方程。

1)涡轮与压气机物理转速平衡:

nc=nt

(1)

式中：n为物理转速；下标c为压气机；下标t为涡轮。

2)发动机流道压力平衡(不考虑气体沿程压力损失)：

(2)

式中：p为发动机截面气体总压；π为压比；下标2，4和7分别为压气机入口截面、涡轮入口截面和喷管喉部截面。

3)气体质量流量平衡：

2006年5月20日，湖南省凤凰县、贵州省雷山县由于其独特的苗族银饰锻造技术，顺利入选国务院第一批国家级非物质文化遗产代表名录。

m7=m2+m4

(3)

式中m为单位时间通过某截面气体质量流量。

4)涡轮与压气机功率平衡(不考虑机械功损失)：

Lc=Lt

(4)

式中L为功率。

基于上述基本平衡方程，建立了发动机计算模型，发动机设计点(100%转速百分比)部分组件参数取值见表1。发动机设计点空气流量为10 kg/s，同时考虑到换热装置设计难度，给定甲醇裂解气总温(涡轮前气体总温)为1 000 K。

表1 甲醇ATR发动机设计点组件参数(部分)

基于上述发动机参数，对地面状态甲醇ATR发动机性能进行了计算。计算过程中，假设甲醇完全裂解为H2和CO，则进入涡轮的甲醇裂解气中H2和CO的质量比为1∶7。图3和图4分别给出了完全裂解条件下甲醇ATR发动机推力F、比冲Isp和燃烧室参数(总压p、总温T、余气系数α)随发动机转速n变化结果(横坐标为转速百分比)。燃烧室参数在较大程度上影响着发动机推力性能。图3显示，随着发动机转速上升，发动机推力逐渐上升，比冲先增大后减小。在90%转速时，发动机比冲最高约793 s(介于火箭发动机与涡轮发动机之间)。甲醇裂解气H2和CO在涡轮中做功后进入燃烧室与空气掺混燃烧，随着转速上升，燃烧室余气系数逐渐减小，燃烧总温与总压逐渐升高，具体如图4所示。

图3 推力、比冲随转速变化结果Fig.3 Results of thrust and specific impulse with rotating speed

图4 燃烧室参数随转速变化结果Fig.4 Results of combustor parameters with rotating speed

2 裂解度影响

甲醇裂解存在不完全现象，此时裂解气主要含有H2和CO以及未裂解的甲醇气体[22]。采用特殊催化剂(如铜基/钯基催化剂[21-22])可提高甲醇裂解度N(甲醇裂解度定义为已裂解甲醇与全部甲醇质量比)。图5和图6分别给出了基于上述发动机组件参数的甲醇ATR发动机甲醇流量mf、推力及比冲等随裂解度N(75%,80%，85%，90%，95%及100%)、转速(60%，70%，80%，90%及100%)等的变化结果。其中，假设已裂解的甲醇全部反应为H2和CO气体。

图5 不同裂解度、不同转速下甲醇流量变化结果Fig.5 Mass flow rate of methanol at different cracking ratios and rotating speeds

图6 不同裂解度、不同转速下推力和比冲变化结果Fig.6 Thrust and specific impulse at different cracking ratios and rotating speeds

图7给出了1 000 K温度条件下甲醇裂解气比热容cp[23]随裂解度变化的结果。图7显示，随着裂解度逐渐升高，裂解气比热容逐渐升高。由于涡轮等熵膨胀功有LT=mf·cp·ΔT[24]，在相同的膨胀功条件下，涡轮前裂解气的cp越高，需要供应的甲醇流量mf越小，发动机比冲越高，即同一转速下，甲醇裂解度越高，裂解气cp数值越大，甲醇流量越小，发动机比冲越高。

图7 不同裂解度时裂解气cp变化结果Fig.7 Specific heat capacity of cracking gas at different cracking ratios

3 结论

提出了一种基于甲醇裂解工作的ATR发动机方案，并对裂解度100%的甲醇ATR发动机性能进行计算，研究了裂解度对发动机性能的影响规律，获得以下结论：

1)随着发动机转速上升，推力逐渐上升，比冲先增加后减小。在90%转速百分比时，比冲最高。

2)在同一转速下，随着裂解度升高，比冲逐渐升高。在裂解度100%、转速百分比90%条件下，发动机比冲最高达到约793 s。

3)同一转速下，甲醇裂解度越高，裂解气比热容数值越大。