CN115653788A - 过氧化氢煤油双组元燃气发生器及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种过氧化氢煤油双组元燃气发生器及工作方法，包括：端盖、催化室、燃烧室、出口喉道、过氧化氢入口、过氧化氢上集液室、过氧化氢下集液室、催化室腔体、过氧化氢喷孔、催化室测压测温孔、催化网支撑、上燃烧室、下燃烧室、梯形扰流环、催化后燃气喷注孔、煤油喷注孔、煤油入口、煤油输送管道、燃烧室测压测温孔，采用本发明技术方案可实现多次重复点火，且无需采用电火花点火器辅助点火，具有较高安全性与经济性。
Description
技术领域
本发明涉及火箭发动机技术领域，具体是一种过氧化氢煤油双组元燃气发生器。
背景技术
燃气发生器是产生具有一定压力及温度的燃烧气体作为驱动工质的装置。典型形式的燃气发生器包括火箭发动机、喷气发动机和火炬点火器等，燃气发生器组合尾喷管可将其所产生高温燃气转化成高速气流喷射出去，推动飞行器前进。
随着液体推进剂的发展，以过氧化氢为代表的绿色自燃推进剂越来越受到工程上的青睐，过氧化氢具有密度比冲高、无毒无污染、高比热、常温可储存、可自燃等优点，非常适合于做现代火箭发动机的氧化剂。在以往的研究中，过氧化氢单组元燃气发生器获得了广泛的应用，但其性能落后于N2O4-偏二甲肼双组元燃气发生器，且过氧化氢消耗量较大。过氧化氢-煤油双组元燃气发生器可以利用催化分解过氧化氢后所产生的高温氧化剂成分与煤油发生自燃反应，从而产生高温燃气用于推进与点火，具有可重复使用、多次点火的特点，且90%过氧化氢-煤油燃气发生器性能与N2O4-偏二甲肼相近。
发明内容
本发明的目的在于解决问题，提供一种过氧化氢煤油双组元燃气发生器及工作方法。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种过氧化氢煤油双组元燃气发生器，包括：上方的端盖1、端盖下方的催化室2、催化室下方的燃烧室3、燃烧室3下方的出口喉道4；端盖1、催化室2、燃烧室3、出口喉道4可拆卸式连接在一起；
端盖1包含过氧化氢入口101、过氧化氢上集液室102，过氧化氢入口101固定连接在端盖1顶部中心，过氧化氢上集液室102为端盖内部中心的腔体；过氧化氢入口101内部设有连通过氧化氢上集液室102的通孔；
催化室2内部上方设有过氧化氢下集液室202，过氧化氢下集液室202为和过氧化氢上集液室102上下位置对应、直径一致的腔体，二者共同构成过氧化氢集液室；过氧化氢集液室下方的腔体为催化室腔体205，过氧化氢喷孔201均匀布置在过氧化氢下集液室202底部中心区域；催化室腔体205的侧壁上设有催化室测压测温孔206，催化室腔体205的底部设有催化网和用于支撑催化网的催化网支撑207；
燃烧室3：燃烧室3包括上燃烧室307、下燃烧室310、以及连接在两者之间的梯形扰流环305，梯形扰流环305的横截面为直角梯形，上燃烧室307上表面中心区域均布有催化后燃气喷注孔302，煤油喷注孔303均匀分布于催化后燃气喷注孔302之间，燃气喷注孔302出口方向和法向的夹角γ 1 ≠0，煤油喷注孔303出口方向和法向夹角为γ 2 ≠0；燃烧室的侧面设有煤油入口301，煤油入口301通过煤油输送管道304与煤油喷注孔303连通，下燃烧室310的外壁上设有燃烧室测压测温孔306；
端盖底部和过氧化氢下集液室202之间通过密封装置密封，过氧化氢下集液室202和上燃烧室307之间通过密封装置密封。
作为优选方式，m o 为过氧化氢入口101注入的过氧化氢流量，v 0 为燃气喷注孔302出口特征速度，γ 1 为燃气喷注孔302出口法向夹角；m f 为经煤油入口301注入煤油流量，v f 为催化后燃气喷注孔302出口特征速度，γ 2 为煤油喷注孔303出口法向夹角，满足m o v o sinγ 1 = m f v f sinγ 2 ，喷注后过氧化氢和煤油两股流体汇流角δ为0度。
作为优选方式，过氧化氢入口101用于向催化室注入过氧化氢；
催化室2：用于过氧化氢催化分解；
过氧化氢集液室用于将过氧化氢通过过氧化氢喷孔201喷注入催化室分解；
燃烧室3用于催化室催化分解后的氧化氢与煤油发生自燃反应；
煤油入口301用于向燃烧室提供煤油；
出口喉道4用于将燃烧室产生的燃气供给应用区域。
作为优选方式，端盖底部和过氧化氢下集液室202之间的密封装置为：端盖1底部的催化室上密封槽103、过氧化氢下集液室202顶部的催化室下密封槽203，催化室上密封槽103为向下的环状凸起，催化室下密封槽203为向下的环状凹槽且与催化室上密封槽103位置对应、凸凹配合；
过氧化氢下集液室202和上燃烧室307之间的密封装置为：过氧化氢下集液室202底部的燃烧室上密封槽208，上燃烧室307顶部的燃烧室下密封槽308，燃烧室上密封槽208为向下的环状凸起；燃烧室下密封槽308为向下的环状凹槽且与燃烧室上密封槽208位置对应、凸凹配合；
所有的下密封槽凹陷部分内径小于与之配合的上密封槽凸起内径0.2mm，所有的下密封槽凹陷部分外径大于与之配合的上密封槽凸起外径0.2mm，配合的上、下密封槽之间的间隙通过垫圈配合进行密封。
作为优选方式，端盖1的外边缘沿周向设有多个催化室上固定通孔104，
催化室2的外边缘沿周向设有多个催化室下固定通孔204，
燃烧室3的外边缘沿周向设有多个固定螺纹孔309；
固定螺纹孔309内设置螺栓并穿过催化室下固定通孔204、催化室下固定通孔204，使端盖1、催化室2、燃烧室3可拆卸式连接。
作为优选方式，催化网支撑207为环形且中间设有十字形支撑。
作为优选方式，出口喉道4包括紫铜垫圈401和喉道402，出口喉道4通过螺纹与燃烧室3进行连接，由紫铜垫圈401进行密封，燃气由喉道402供给应用区域。
本发明还提供一种所述过氧化氢煤油双组元燃气发生器的工作方法，其为：
过氧化氢通过过氧化氢入口进入过氧化氢集液室，经过氧化氢喷孔201注入催化室205，过氧化氢在过氧化氢喷孔201的喷注压Pi大于过氧化氢催化分解后催化室205的压力P1，P1经催化室测压测温孔206的压力传感器测得，过氧化氢注入催化室腔体205后与催化网进行催化分解反应，生成温度约1000K的水蒸气与氧气的高温混合气体，所述高温混合气体经催化后燃气喷注孔302注入燃烧室307，煤油由入口301通过煤油输送管道304经煤油喷注孔303注入燃烧室307，煤油喷注孔303的注入煤油压力Pf不小于燃烧室压力P2，燃烧室压力P2经燃烧室测压测温孔306的压力传感器测得；喷注后的混合气体在燃烧室307内发生自燃反应产生主要成分为水蒸气与二氧化碳的燃气，梯形扰流环305通过在其自身附近形成回流区从而起到提升燃气驻留时间的作用，提高自燃点火成功率；然后所述燃气由喉道402进入应用场景。
本发明设计了一种过氧化氢煤油双组元燃气发生器，该方案推进剂绿色环保、具有传统推进剂N2O4-偏二甲肼相当性能，同时可以多次自燃点火、重复使用。
进一步的，在催化室顶端进行过氧化氢喷注，催化室内设有银制催化网，喷注后过氧化氢可与催化网进行分解反应并放热，产生高温氧化气体。
相较于现有技术，本发明所提供的一种过氧化氢-煤油双组元燃气发生器具有如下有益效果：
（1）对燃气发生器所用燃料与氧化剂进行了调整，具有无毒无害且完全燃烧后产物环保的特点；
（2）燃气发生器采用自燃点火方式，相较于电火花点火器和火炬点火器具有安全、结构简单等特点。
（3）基于双组元燃气发生器的燃烧室做出改进，设置梯形扰流环，具有增强点火和提高燃烧效率，进而提升燃气发生器性能的特点。该燃气发生器具有多次重复点火能力。
附图说明
图1为本发明的过氧化氢-煤油双组元燃气发生器的整体结构示意图。
图2为本发明中过氧化氢-煤油双组元燃气发生器结构剖面图。
图3为本发明图2中的局部放大图C-C。
图4为本发明图2中的过氧化氢催化室上视图A-A。
图5为本发明图2中的燃烧室剖面视图B-B。
图6为本发明中催化后燃气喷注与煤油喷注时燃气喷注孔302、煤油喷注孔303的喷注角度示意图。
1为端盖，101为过氧化氢入口，102为过氧化氢上集液室，103为催化室上密封槽，104为催化室上固定通孔，2为催化室，201为过氧化氢喷孔，202为过氧化氢下集液室，203为催化室下密封槽，204为催化室下固定通孔，205为催化室腔体，206为催化室测压测温孔，207为催化网支撑，208为燃烧室上密封槽，3为燃烧室，301为煤油入口，302为催化后燃气喷注孔，303为煤油喷注孔，304为煤油输送管道，305为梯形扰流环，306为燃烧室测压测温孔，307为上燃烧室，308为燃烧室下密封槽，309为固定螺纹孔，310为下燃烧室；4为出口喉道，401为紫铜垫圈，402为喉道。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如图1所示，本实施例提供一种过氧化氢煤油双组元燃气发生器，包括：上方的端盖1、端盖下方的催化室2、催化室下方的燃烧室3、燃烧室3下方的出口喉道4；端盖1、催化室2、燃烧室3、出口喉道4可拆卸式连接在一起；
如图2所示，端盖1包含过氧化氢入口101、过氧化氢上集液室102，过氧化氢入口101固定连接在端盖1顶部中心，过氧化氢上集液室102为端盖内部中心的腔体；过氧化氢入口101内部设有连通过氧化氢上集液室102的通孔；
催化室2内部上方设有过氧化氢下集液室202，过氧化氢下集液室202为和过氧化氢上集液室102上下位置对应、直径一致的腔体，二者共同构成过氧化氢集液室；过氧化氢集液室下方的腔体为催化室腔体205，如图4所示，过氧化氢喷孔201均匀布置在过氧化氢下集液室202底部中心区域；催化室腔体205的侧壁上设有催化室测压测温孔206，催化室腔体205的底部设有催化网和用于支撑催化网的催化网支撑207；
燃烧室3：燃烧室3包括上燃烧室307、下燃烧室310、以及连接在两者之间的梯形扰流环305，梯形扰流环305的横截面为直角梯形，如图2所示；上燃烧室307上表面中心区域均布有催化后燃气喷注孔302，如图5所示，煤油喷注孔303均匀分布于催化后燃气喷注孔302之间，如图6所示，燃气喷注孔302出口方向和法向的夹角γ 1 ≠0，煤油喷注孔303出口方向和法向夹角为γ 2 ≠0；燃烧室的侧面设有煤油入口301，煤油入口301通过煤油输送管道304与煤油喷注孔303连通，下燃烧室310的外壁上设有燃烧室测压测温孔306，
端盖底部和过氧化氢下集液室202之间通过密封装置密封，过氧化氢下集液室202和上燃烧室307之间通过密封装置密封。
如图6所示，m o 为过氧化氢入口101注入的过氧化氢流量，v 0 为燃气喷注孔302出口特征速度，γ 1 为燃气喷注孔302出口法向夹角；m f 为经煤油入口301注入煤油流量，v f 为催化后燃气喷注孔302出口特征速度，γ 2 为煤油喷注孔303出口法向夹角，满足m o v o sinγ 1 = m f v f sinγ 2 ，喷注后过氧化氢和煤油两股流体汇流角δ为0度。
过氧化氢入口101用于向催化室注入过氧化氢；
催化室2：用于过氧化氢催化分解；
过氧化氢集液室用于将过氧化氢通过过氧化氢喷孔201喷注入催化室分解；
燃烧室3用于催化室催化分解后的氧化氢与煤油发生自燃反应；
煤油入口301用于向燃烧室提供煤油；
出口喉道4用于将燃烧室产生的燃气供给应用区域。
端盖底部和过氧化氢下集液室202之间的密封装置为：端盖1底部的催化室上密封槽103、过氧化氢下集液室202顶部的催化室下密封槽203，如图3所示，催化室上密封槽103为向下的环状凸起，催化室下密封槽203为向下的环状凹槽且与催化室上密封槽103位置对应、凸凹配合；
过氧化氢下集液室202和上燃烧室307之间的密封装置为：过氧化氢下集液室202底部的燃烧室上密封槽208，上燃烧室307顶部的燃烧室下密封槽308，如图4所示，燃烧室上密封槽208为向下的环状凸起；燃烧室下密封槽308为向下的环状凹槽且与燃烧室上密封槽208位置对应、凸凹配合；
所有的下密封槽凹陷部分内径小于与之配合的上密封槽凸起内径0.2mm，所有的下密封槽凹陷部分外径大于与之配合的上密封槽凸起外径0.2mm，配合的上、下密封槽之间的间隙通过垫圈配合进行密封。
端盖1的外边缘沿周向设有多个催化室上固定通孔104，
催化室2的外边缘沿周向设有多个催化室下固定通孔204，如图4所示；
燃烧室3的外边缘沿周向设有多个固定螺纹孔309，如图3所示；
固定螺纹孔309内设置螺栓并穿过催化室下固定通孔204、催化室下固定通孔204，使端盖1、催化室2、燃烧室3可拆卸式连接。
催化网支撑207为环形且中间设有十字形支撑，如图4所示。
出口喉道4包括紫铜垫圈401和喉道402，出口喉道4通过螺纹与燃烧室3进行连接，由紫铜垫圈401进行密封，燃气由喉道402供给应用区域。
本实施例还提供一种所述的过氧化氢煤油双组元燃气发生器的工作方法，其为：
过氧化氢通过过氧化氢入口进入过氧化氢集液室，经过氧化氢喷孔201注入催化室205，过氧化氢在过氧化氢喷孔201的喷注压Pi大于过氧化氢催化分解后催化室205的压力P1，P1经催化室测压测温孔206的压力传感器测得，过氧化氢注入催化室腔体205后与催化网进行催化分解反应，生成温度约1000K的水蒸气与氧气的高温混合气体，所述高温混合气体经催化后燃气喷注孔302注入燃烧室307，煤油由入口301通过煤油输送管道304经煤油喷注孔303注入燃烧室307，煤油喷注孔303的注入煤油压力Pf不小于燃烧室压力P2，燃烧室压力P2经燃烧室测压测温孔306的压力传感器测得；喷注后的混合气体在燃烧室307内发生自燃反应产生主要成分为水蒸气与二氧化碳的燃气，绿色环保；梯形扰流环305起到提升燃气驻留时间的作用，提高自燃点火成功率；然后所述燃气由喉道402进入应用场景。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种过氧化氢煤油双组元燃气发生器，其特征在于，包括：上方的端盖（1）、端盖下方的催化室（2）、催化室下方的燃烧室（3）、燃烧室（3）下方的出口喉道（4）；端盖（1）、催化室（2）、燃烧室（3）、出口喉道（4）可拆卸式连接在一起；
端盖（1）包含过氧化氢入口（101）、过氧化氢上集液室（102），过氧化氢入口（101）固定连接在端盖（1）顶部中心，过氧化氢上集液室（102）为端盖内部中心的腔体；过氧化氢入口（101）内部设有连通过氧化氢上集液室（102）的通孔；
催化室（2）内部上方设有过氧化氢下集液室（202），过氧化氢下集液室（202）为和过氧化氢上集液室（102）上下位置对应、直径一致的腔体，二者共同构成过氧化氢集液室；过氧化氢集液室下方的腔体为催化室腔体（205），过氧化氢喷孔（201）均匀布置在过氧化氢下集液室（202）底部中心区域；催化室腔体（205）的侧壁上设有催化室测压测温孔（206），催化室腔体（205）的底部设有催化网和用于支撑催化网的催化网支撑（207）；
燃烧室（3）：燃烧室（3）包括上燃烧室（307）、下燃烧室（310）、以及连接在两者之间的梯形扰流环（305），梯形扰流环（305）的横截面为直角梯形，上燃烧室（307）上表面中心区域均布有催化后燃气喷注孔（302），煤油喷注孔（303）均匀分布于催化后燃气喷注孔（302）之间，燃气喷注孔（302）出口方向和法向的夹角γ 1 ≠0，煤油喷注孔（303）出口方向和法向夹角为γ 2 ≠0；燃烧室的侧面设有煤油入口（301），煤油入口（301）通过煤油输送管道（304）与煤油喷注孔（303）连通，下燃烧室（310）的外壁上设有燃烧室测压测温孔（306）；
端盖底部和过氧化氢下集液室（202）之间通过密封装置密封，过氧化氢下集液室（202）和上燃烧室（307）之间通过密封装置密封。
2.根据权利要求1所述的过氧化氢煤油双组元燃气发生器，其特征在于：m o 为过氧化氢入口（101）注入的过氧化氢流量，v 0 为燃气喷注孔（302）出口特征速度，γ 1 为燃气喷注孔（302）出口法向夹角；m f 为经煤油入口（301）注入煤油流量，v f 为催化后燃气喷注孔（302）出口特征速度，γ 2 为煤油喷注孔（303）出口法向夹角，满足m o v o sinγ 1 = m f v f sinγ 2 ，喷注后过氧化氢和煤油两股流体汇流角δ为0度。
3.根据权利要求1所述的过氧化氢煤油双组元燃气发生器，其特征在于：
过氧化氢入口（101）用于向催化室注入过氧化氢；
催化室（2）：用于过氧化氢催化分解；
过氧化氢集液室用于将过氧化氢通过过氧化氢喷孔（201）喷注入催化室分解；
燃烧室（3）用于催化室催化分解后的氧化氢与煤油发生自燃反应；
煤油入口（301）用于向燃烧室提供煤油；
出口喉道（4）用于将燃烧室产生的燃气供给应用区域。
4.根据权利要求1所述的过氧化氢煤油双组元燃气发生器，其特征在于：
端盖底部和过氧化氢下集液室（202）之间的密封装置为：端盖（1）底部的催化室上密封槽（103）、过氧化氢下集液室（202）顶部的催化室下密封槽（203），催化室上密封槽（103）为向下的环状凸起，催化室下密封槽（203）为向下的环状凹槽且与催化室上密封槽（103）位置对应、凸凹配合；
过氧化氢下集液室（202）和上燃烧室（307）之间的密封装置为：过氧化氢下集液室（202）底部的燃烧室上密封槽（208），上燃烧室（307）顶部的燃烧室下密封槽（308），燃烧室上密封槽（208）为向下的环状凸起；燃烧室下密封槽（308）为向下的环状凹槽且与燃烧室上密封槽（208）位置对应、凸凹配合；
所有的下密封槽凹陷部分内径小于与之配合的上密封槽凸起内径0.2mm，所有的下密封槽凹陷部分外径大于与之配合的上密封槽凸起外径0.2mm，配合的上、下密封槽之间的间隙通过垫圈配合进行密封。
5.根据权利要求1所述的过氧化氢煤油双组元燃气发生器，其特征在于：
端盖（1）的外边缘沿周向设有多个催化室上固定通孔（104）；
催化室（2）的外边缘沿周向设有多个催化室下固定通孔（204）；
燃烧室（3）的外边缘沿周向设有多个固定螺纹孔（309）；
固定螺纹孔（309）内设置螺栓并穿过催化室下固定通孔（204）、催化室下固定通孔（204）使端盖（1）、催化室（2）、燃烧室（3）可拆卸式连接。
6.根据权利要求1所述的过氧化氢煤油双组元燃气发生器，其特征在于：催化网支撑（207）为环形且中间设有十字形支撑。
7.根据权利要求1所述的过氧化氢煤油双组元燃气发生器，其特征在于：出口喉道（4）包括紫铜垫圈（401）和喉道（402），出口喉道（4）通过螺纹与燃烧室（3）进行连接，由紫铜垫圈（401）进行密封，燃气由喉道（402）供给应用区域。
8.权利要求1至7任意一项所述的过氧化氢煤油双组元燃气发生器的工作方法，其特征在于：
过氧化氢通过过氧化氢入口进入过氧化氢集液室，经过氧化氢喷孔（201）注入催化室（205），过氧化氢在过氧化氢喷孔（201）的喷注压Pi大于过氧化氢催化分解后催化室（205）的压力P1，P1经催化室测压测温孔（206）的压力传感器测得，过氧化氢注入催化室腔体（205）后与催化网进行催化分解反应，生成温度约1000K的水蒸气与氧气的高温混合气体，所述高温混合气体经催化后燃气喷注孔（302）注入燃烧室（307），煤油由入口（301）通过煤油输送管道（304）经煤油喷注孔（303）注入燃烧室（307），煤油喷注孔（303）的注入煤油压力Pf不小于燃烧室压力P2，燃烧室压力P2经燃烧室测压测温孔（306）的压力传感器测得；喷注后的混合气体在燃烧室（307）内发生自燃反应产生主要成分为水蒸气与二氧化碳的燃气，梯形扰流环（305）起到提升燃气驻留时间的作用，提高自燃点火成功率；然后所述燃气由喉道（402）进入应用场景。
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