CN113663633B - 一种新型过氧化氢多级催化分解式气体发生器 - Google Patents

一种新型过氧化氢多级催化分解式气体发生器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及火箭发动机领域，具体涉及一种新型过氧化氢多级催化分解式气体发生器，包括1级过氧化氢入口，1级过氧化氢入口的下游依次设置有1级过氧化氢银网催化床、1级点阵结构、2级过氧化氢气液喷注盘、2级下游掺混腔、2级点阵结构、3级过氧化氢气液喷注盘、3级下游掺混腔、3级点阵结构和发生器出口，2级过氧化氢气液喷注盘上设置有2级过氧化氢入口，3级过氧化氢气液喷注盘上设置有3级过氧化氢入口；本发明中的气体发生器通过多级过氧化氢的自分解反应产生额定流量的高温高压气体，推动涡轮等机械设备做功，通过三级进气，实现气体发生器流量的大范围调节，同时保证工作压力平稳，并提高发生器做功能力。

Description

一种新型过氧化氢多级催化分解式气体发生器
技术领域
本发明涉及火箭发动机技术领域，具体涉及一种新型过氧化氢多级催化分解式气体发生器。
背景技术
近些年，可重复使用火箭是国内外航天的一个发展热点和趋势，它可以极大减少航天发射的成本。火箭的发动机***是火箭的核心，气体发生器循环是火箭发动机主要循环方式之一。火箭常用的发生器分为富油燃气发生器以及富氧燃气发生器。富氧燃烧能够充分利用燃料，若可以控制氧气的浓度，则可以有效的控制富氧对燃烧室等部件的灼蚀，从而提供发生器的工作效率及使用寿命。通过高浓度过氧化氢(80％以上)催化反应产生高温高氧量的气体直接推动涡轮做功的方法可以有效的大幅降低高温反应气中的氧气浓度。与此同时，可以降低发生器的冷却需求，简化***，提高安全稳定性及安全性。另外，该种发生器产生的反应气体主要包括氧气和水蒸气，绿色环保。
然而，由于催化床床载荷及反应腔内气、液两相流等因素的影响，该种发生器的流量调节范围受到限制；具体来说，在使用过程中，当实际流量小于设计流量时，容易造成发生器进出口的压力振荡(图1所示)，从而影响正常使用；当实际流量超过设计值时，由于部分过氧化氢未充分反应，发生器出口温度下降，降低发生器的工作效率。为此，提出了一种具有新型结构的过氧化氢催化分解式发生器。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种新型过氧化氢多级催化分解式气体发生器，克服了现有技术的不足，设计合理，结构紧凑，有效的解决了上述背景中提及的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种新型过氧化氢多级催化分解式气体发生器，包括1级过氧化氢入口，所述1级过氧化氢入口的下游依次设置有1级过氧化氢银网催化床、1级点阵结构、2级过氧化氢气液喷注盘、2级下游掺混腔、2级点阵结构、3级过氧化氢气液喷注盘、3级下游掺混腔、3级点阵结构和发生器出口，所述2级过氧化氢气液喷注盘上设置有2级过氧化氢入口，所述3级过氧化氢气液喷注盘上设置有3级过氧化氢入口。
优选的，所述气体发生器的外壳、1级点阵结构、2级点阵结构、2级过氧化氢气液喷注盘和3级过氧化氢气液喷注盘均采用3D打印一体化成型制造。
优选的，所述1级过氧化氢银网催化床采用方便充装的筒状结构，且1级过氧化氢银网催化床内设置有多层银网。
优选的，所述1级点阵结构和2级点阵结构中相邻节点的间距均为1mm。
优选的，所述2级过氧化氢气液喷注盘和3级过氧化氢气液喷注盘中靠近气体发生器外壳侧壁位置的出液孔及出气孔方向与气体发生器外壳侧壁平行。
优选的，所述出气孔内径为出液孔内径的3-4倍。
优选的，所述过氧化氢的质量分数大于80％。
本发明还提供了新型过氧化氢多级催化分解式气体发生器的使用方法，具体包括以下步骤：
S1：过氧化氢通过1级过氧化氢入口进入1级过氧化氢银网催化床内，经过整流分配，分解为高温氧气和水蒸汽并流入1级点阵结构；
S2：监测发生器出口分解气体温度达到分解温度时，从2级过氧化氢入口通入过氧化氢，通入的过氧化氢在2级过氧化氢气液喷注盘被分解气体迅速加热，激活过氧化氢的自分解反应，通过2级下游掺混腔和2级点阵结构充分反应直至过氧化氢流量提升到设定值；
S3：监测发生器出口分解气体温度达到完全分解温度时，从3级过氧化氢入口再通入过氧化氢，经3级过氧化氢气液喷注盘激活其自分解，通过3级下游掺混腔和3级点阵结构充分反应直至过氧化氢流量提升到设定值；
S4：监测发生器出口气体温度达到完全分解温度，此时，整个气体发生器处于额定流量工作状态。
(三)有益效果
本发明实施例提供了一种新型过氧化氢多级催化分解式气体发生器，具备以下有益效果：
1、通过采用高浓度过氧化氢，绿色环保对环境无污染，气体发生器通过多级过氧化氢的自分解反应产生额定流量的高温高压气体，推动涡轮做功，1级过氧化氢流过银网催化床分解产生高温氧气和水蒸汽，并在下游激活其他各级入口通入的过氧化氢，通过三级进气，实现气体发生器流量的大范围调节，最大调节流量比为1：5：25，同时保证工作压力平稳，并提高发生器做功能力；
2、通过设置的一体化成型的1级点阵结构3和2级点阵结构4，用于增大过氧化氢的驻留时间，保证分解率，更起到抑制压力振荡效果，并且，1级点阵结构3和2级点阵结构4中相邻节点的间距均为1mm，保证结构稳定性及流阻特性；
3、通过在1级过氧化氢银网催化床2内设置有多层银网，保证过氧化氢充分接触催化床中的银网，稳定分解；
4、通过设置喷注盘的出气孔内径为出液孔内径的3-4倍，实现匹配压降，提高液体雾化效果。
附图说明
图1为发生器进出口压力振荡曲线图；
图2为本发明结构示意图；
图3为本发明点阵结构结构图；
图4为本发明喷注盘结构图。
图中：1-1级过氧化氢入口、2-1级过氧化氢银网催化床、3-1级点阵结构、4-2级点阵结构、5-3级点阵结构、6-2级过氧化氢入口、7-2级过氧化氢气液喷注盘、8-3级过氧化氢入口、9-3级过氧化氢气液喷注盘、10-2级下游掺混腔、11-3级下游掺混腔、12-发生器出口。
具体实施方式
下面结合附图2-4和实施例对本发明进一步说明：
实施例1
本实施例中，如图所示2-4，一种新型过氧化氢多级催化分解式气体发生器，包括1级过氧化氢入口1，1级过氧化氢入口1的下游依次设置有1级过氧化氢银网催化床2、1级点阵结构3、2级过氧化氢气液喷注盘7、2级下游掺混腔10、2级点阵结构4、3级过氧化氢气液喷注盘9、3级下游掺混腔11、3级点阵结构5和发生器出口12，2级过氧化氢气液喷注盘7上设置有2级过氧化氢入口6，3级过氧化氢气液喷注盘9上设置有3级过氧化氢入口8。气体发生器的外壳、1级点阵结构3、2级点阵结构4、2级过氧化氢气液喷注盘7和3级过氧化氢气液喷注盘9均采用3D打印一体化成型制造，其中，一体化成型的1级点阵结构3和2级点阵结构4，用于增大过氧化氢的驻留时间，保证分解率，更起到抑制压力振荡效果。1级点阵结构3和2级点阵结构4中相邻节点的间距均为1mm，保证结构稳定性及流阻特性。1级过氧化氢银网催化床2采用方便充装的筒状结构，且1级过氧化氢银网催化床2内设置有多层银网，保证过氧化氢充分接触催化床中的银网，稳定分解。
2级过氧化氢气液喷注盘7和3级过氧化氢气液喷注盘9的整体结构相同，二者中的喷注盘的过氧化氢液体进口设置在喷注盘径向方向，通过四层互相连通的环形汇流槽将液体介质输送到各个出液孔。出液孔沿四层环形汇流槽均匀分布，共计50个；轴向流动的高温分解气体通过液体汇流槽之间的出气孔流经喷注盘，并与出液孔所喷注的液体充分接触激活其自分解反应，出气孔分为四层，沿圆周均匀分布，共计50个。出气孔内径为出液孔内径的3-4倍，实现匹配压降，提高液体雾化效果。其中，2级过氧化氢气液喷注盘7和3级过氧化氢气液喷注盘9中靠近气体发生器外壳侧壁位置的出液孔及出气孔方向与气体发生器外壳侧壁平行，靠近中部的出液孔和出气孔沿轴向布置。过氧化氢的质量分数大于80％，绿色环保对环境无污染。
实施例2
在实施例1的基础上，该新型过氧化氢多级催化分解式气体发生器的使用方法如下：
S1：过氧化氢通过1级过氧化氢入口1进入1级过氧化氢银网催化床2内，经过整流分配，分解为高温氧气和水蒸汽并流入1级点阵结构3；该步骤中的过氧化氢通入时间充足以完全激活银网，当观测到发生器出口12出口气体由白雾状变透明时或监测分解气体温度达到分解温度时，即可从2级过氧化氢入口6通入过氧化氢；
S2：监测发生器出口12分解气体温度达到分解温度时，从2级过氧化氢入口6通入过氧化氢，通入的过氧化氢在2级过氧化氢气液喷注盘7被分解气体迅速加热，激活过氧化氢的自分解反应，通过2级下游掺混腔10和2级点阵结构4充分反应直至过氧化氢流量提升到设定值；在此过程中，观察发生器出口12气体变透明或监测气体温度达到完全分解温度，即可从3级过氧化氢入口8通入过氧化氢；
S3：监测发生器出口12分解气体温度达到完全分解温度时，从3级过氧化氢入口8再通入过氧化氢，经3级过氧化氢气液喷注盘9激活其自分解，通过3级下游掺混腔11和3级点阵结构5充分反应直至过氧化氢流量提升到设定值；
S4：监测发生器出口12气体变透明或监测气体温度达到完全分解温度，此时，整个气体发生器处于额定流量工作状态。
本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种新型过氧化氢多级催化分解式气体发生器，包括1级过氧化氢入口(1)，其特征在于：所述1级过氧化氢入口(1)的下游依次设置有1级过氧化氢银网催化床(2)、1级点阵结构(3)、2级过氧化氢气液喷注盘(7)、2级下游掺混腔(10)、2级点阵结构(4)、3级过氧化氢气液喷注盘(9)、3级下游掺混腔(11)、3级点阵结构(5)和发生器出口(12)，所述2级过氧化氢气液喷注盘(7)上设置有2级过氧化氢入口(6)，所述3级过氧化氢气液喷注盘(9)上设置有3级过氧化氢入口(8)。
2.如权利要求1所述的一种新型过氧化氢多级催化分解式气体发生器，其特征在于：所述气体发生器的外壳、1级点阵结构(3)、2级点阵结构(4)、2级过氧化氢气液喷注盘(7)和3级过氧化氢气液喷注盘(9)均采用3D打印一体化成型制造。
3.如权利要求1所述的一种新型过氧化氢多级催化分解式气体发生器，其特征在于：所述1级过氧化氢银网催化床(2)采用方便充装的筒状结构，且1级过氧化氢银网催化床(2)内设置有多层银网。
4.如权利要求1所述的一种新型过氧化氢多级催化分解式气体发生器，其特征在于：所述1级点阵结构(3)和2级点阵结构(4)中相邻节点的间距均为1mm。
5.如权利要求1所述的一种新型过氧化氢多级催化分解式气体发生器，其特征在于：所述2级过氧化氢气液喷注盘(7)和3级过氧化氢气液喷注盘(9)中靠近气体发生器外壳侧壁位置的出液孔及出气孔方向与气体发生器外壳侧壁平行。
6.如权利要求5所述的一种新型过氧化氢多级催化分解式气体发生器，其特征在于：所述出气孔内径为出液孔内径的3-4倍。
7.如权利要求1所述的一种新型过氧化氢多级催化分解式气体发生器，其特征在于：所述过氧化氢的质量分数大于80％。
8.如权利要求1-7任一项所述的新型过氧化氢多级催化分解式气体发生器的使用方法，其特征在于，该气体发生器的使用方法包括以下步骤：
S1：过氧化氢通过1级过氧化氢入口(1)进入1级过氧化氢银网催化床(2)内，经过整流分配，分解为高温氧气和水蒸汽并流入1级点阵结构(3)；
S2：监测发生器出口(12)分解气体温度达到分解温度时，从2级过氧化氢入口(6)通入过氧化氢，通入的过氧化氢在2级过氧化氢气液喷注盘(7)被分解气体迅速加热，激活过氧化氢的自分解反应，通过2级下游掺混腔(10)和2级点阵结构(4)充分反应直至过氧化氢流量提升到设定值；
S3：监测发生器出口(12)分解气体温度达到完全分解温度时，从3级过氧化氢入口(8)再通入过氧化氢，经3级过氧化氢气液喷注盘(9)激活其自分解，通过3级下游掺混腔(11)和3级点阵结构(5)充分反应直至过氧化氢流量提升到设定值；
S4：监测发生器出口(12)气体温度达到完全分解温度，此时，整个气体发生器处于额定流量工作状态。
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