一种双模态过氧化氢燃气发生器
阅读说明：本技术 一种双模态过氧化氢燃气发生器 (Bimodal hydrogen peroxide gas generator ) 是由 高强 林革 雍雪君 王少卫 李树琪 于 2021-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明属于过氧化氢燃气发生器,为解决目前火箭发动机系统的燃气发生器循环中,富氧燃气发生器工作温度受限且会缩短涡轮泵系统使用寿命,富燃燃气发生器采用无毒推进剂组合时,需要额外设置点火装置,增加了燃气发生器的复杂性,采用有毒推进剂组合时,与环保理念相违背的技术问题,提供一种双模态过氧化氢燃气发生器,包括依次连通的催化剂床、前燃料喷嘴、前燃烧室、后燃料喷嘴和后燃烧室,催化剂床的入口用于过氧化氢进入,前燃料喷嘴的侧壁上开设有多个前喷孔,用于部分燃料进入前燃烧室,后燃料喷嘴的侧壁上开设有多个后喷孔,用于另一部分燃料进入后燃烧室。(The invention belongs to a hydrogen peroxide fuel gas generator, which aims to solve the problems that in the circulation of the fuel gas generator of the prior rocket engine system, the oxygen-rich gas generator is limited in working temperature and can shorten the service life of a turbopump system, when the oxygen-rich gas generator adopts the combination of non-toxic propellants, additional ignition devices are required, increasing the complexity of the gas generator, and when toxic propellants are combined, the technical problem contrary to the environmental protection concept is to provide a bimodal hydrogen peroxide gas generator, which comprises a catalyst bed, a front fuel nozzle, a front combustion chamber, a rear fuel nozzle and a rear combustion chamber which are sequentially communicated, wherein the inlet of the catalyst bed is used for hydrogen peroxide to enter, the side wall of the front fuel nozzle is provided with a plurality of front spray holes, the fuel nozzle is used for enabling part of fuel to enter the front combustion chamber, and a plurality of rear spray holes are formed in the side wall of the rear fuel nozzle and used for enabling the other part of fuel to enter the rear combustion chamber.)
技术领域
本发明属于过氧化氢燃气发生器，具体涉及一种双模态过氧化氢燃气发生器。
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，能够极大减少航天发射的成本。
火箭发动机系统中的燃气发生器循环是火箭发动机的主要循环方式之一。燃气发生器分为富燃燃气发生器和富氧燃气发生器。其中，富氧燃烧能够充分利用燃料，但过量的氧气浓度容易腐蚀燃烧室，使燃气发生器的工作温度被限制在1000K左右，但即使其工作温度受限，涡轮泵系统的使用寿命仍会受到影响，被大大缩短；富燃燃烧在火箭发动机上应用时，虽然使用寿命较长，可靠性较高，但仍然存在以下问题：（1）采用无毒推进剂组合（如液氧煤油组合和液氧甲烷组合等）的燃气发生器需要额外的点火装置，增加了燃气发生器的复杂性。（2）采用有毒推进剂组合（如四氧化二氮偏二甲肼组合）的燃气发生器虽然无需点火装置，但由于推进剂有毒，与环保理念相违背。
发明内容
本发明为解决目前火箭发动机系统的燃气发生器循环中，富氧燃气发生器工作温度受限且会缩短涡轮泵系统使用寿命，富燃燃气发生器采用无毒推进剂组合时，需要额外设置点火装置，增加了燃气发生器的复杂性，采用有毒推进剂组合时，与环保理念相违背的技术问题，提供一种双模态过氧化氢燃气发生器。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种双模态过氧化氢燃气发生器，其特殊之处在于，包括依次连通的催化剂床、前燃料喷嘴、前燃烧室、后燃料喷嘴和后燃烧室；
所述催化剂床的入口用于过氧化氢进入；
所述前燃料喷嘴的侧壁上开设有多个前喷孔，用于部分燃料进入前燃烧室；所述前喷孔包括多个均布的前燃料喷孔和多个均布的前冷却喷孔；所述前燃料喷嘴与前燃烧室同轴设置；所述前燃料喷孔的轴线与前燃烧室的轴线相垂直；所述前冷却喷孔的出口朝向前燃烧室的内壁；
所述后燃料喷嘴的侧壁上开设有多个后喷孔，用于另一部分燃料进入后燃烧室；所述后喷孔包括多个均布的后燃料喷孔和多个均布的后冷却喷孔；所述前燃烧室、后燃料喷嘴和后燃烧室同轴设置；所述后燃料喷孔的轴线与所述后燃烧室的轴线具有夹角；所述后冷却喷孔的出口朝向所述后燃烧室的内壁设置。
进一步地，所述前燃料喷嘴与催化剂床相连的一端设有节流孔或节流孔板，可根据需要达成的压降，具体设置节流孔或节流孔板的参数。
进一步地，进入前燃烧室的过氧化氢流量与进入前燃烧室的燃料流量比值为1：15-20；
通过所述前冷却喷孔进入前燃烧室的燃料流量，为通过所述前燃料喷孔进入前燃烧室的燃料流量的两倍。
进一步地，所述前燃料喷孔沿前燃料喷嘴轴向，距离前燃料喷嘴出口处的距离为前燃料喷孔孔径的6倍以上。
进一步地，经过所述后燃料喷孔的燃料流量和经过所述后冷却喷孔的燃料流量比值为9：1。
进一步地，所述前冷却喷孔轴线与所述前燃烧室轴线的夹角为5-15°；所述后冷却喷孔轴线与所述后燃烧室轴线的夹角为5-15°。
进一步地，所述前燃料喷嘴包括第一前喷嘴段和第二前喷嘴段；
所述第一前喷嘴段的内径小于催化剂床出口处内径，且小于第二前喷嘴段的内径，使第一前喷嘴段内腔形成节流孔或用于设置节流孔板；
所述第二前喷嘴段呈阶梯柱状且仅设置一级阶梯，其小端朝向第一前喷嘴段；所述前燃料喷孔沿第二前喷嘴段靠近第一前喷嘴段部分的径向设置，所述前冷却喷孔设置在第二前喷嘴段的阶梯面上；
所述后燃料喷嘴呈阶梯柱状且仅设置一级阶梯，其小端朝向前燃烧室；所述后燃料喷孔和所述后冷却喷孔均设置在后燃料喷嘴的阶梯面上。
进一步地，所述后燃料喷孔在后燃料喷嘴的阶梯面上沿周向设置有多圈，具体的设置圈数、每一圈上后燃料喷孔的设置数量均可根据实际需要进行调整。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明双模态过氧化氢燃气发生器，无需额外设置点火装置，降低了燃气发生器的复杂性，也不会采用有毒推进剂，环保性良好，结构简洁且经济性好。通过设置前喷嘴和后喷嘴两个燃料喷嘴，实现分级燃烧，可使该燃气发生器在富氧和富燃两种状态下工作，前喷嘴和后喷嘴还可以通入两种不同燃料，形成三组元燃料。
2.本发明在前燃料喷嘴内设置节流孔或节流孔板，使过氧化氢分解气体流动过程中产生一定压降阻尼，有效减少低频振荡的可能性。
3.本发明中前喷孔包括了呈径向孔的前燃料喷孔和朝向前燃烧室内壁面的前冷却喷孔，后喷孔也包括了倾斜设置的后燃料喷孔和朝向后燃烧室内壁面的后冷却喷孔，经前冷却喷孔和后冷却喷孔的燃气，有利于在前燃烧室和后燃烧室内壁面形成液膜，保护面积更大，且能够冷却壁面。后燃料喷孔倾斜设置，可通过调整设置角度，控制温度分布。
4.本发明通过合理设置燃料的流量、过氧化氢分解气体的流量、前喷孔设置位置及角度、后喷孔设置位置及角度，能够使燃气发生器达到更佳的燃烧效果。
附图说明
图1为本发明双模态过氧化氢燃气发生器实施例的结构示意图；
图2为本发明图1中前燃料喷嘴的结构示意图。
其中，1-催化剂床、2-前燃料喷嘴、201-第一前喷嘴段、202-第二前喷嘴段、3-前燃烧室、4-后燃料喷嘴、5-后燃烧室、6-节流孔、701-前燃料喷孔、702-前冷却喷孔、801-后燃料喷孔、802-后冷却喷孔、9-前燃料管路、10-后燃料管路、11-前燃料进口、12-后燃料进口。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。
如图1和图2所示，本发明提出了一种双模态过氧化氢燃气发生器，包括依次连通的催化剂床1、前燃料喷嘴2、前燃烧室3、后燃料喷嘴4和后燃烧室5。
其中，催化剂床1可以采用现有的能够用于过氧化氢的催化剂床，在本发明的一个实施例中，催化剂床1包括由入口处至出口处依次设置的入口段、反应段和出口段，入口段用于过氧化氢射入，反应段内包括由入口段至出口段依次设置的集液腔、分配板、催化剂填料和支撑板，集液腔内径由入口段至出口段逐渐增大，分配板和支撑板分别设置于催化剂填料的两端，分配板设置于集液腔末端，分配板和支撑板均与反应段内壁相接，集液腔与分配板使得过氧化氢均匀地进入催化剂填料，分配板具有一定的开孔率，能形成一定的压降，在系统中起到阻尼作用，催化剂填料促使过氧化氢发生催化分解，可根据过氧化氢浓度等选择合适的催化剂，如浓度为90%以下含90%可选择银网催化剂，浓度在90%以上可选择陶瓷基催化剂，支撑板用来支撑催化剂填料，使催化剂填料在高温环境下具有足够的刚度。
在本发明的一个实施例中，前燃料喷嘴2包括第一前喷嘴段201和第二前喷嘴段202。第一前喷嘴段201的内径小于催化剂床1出口段出口处的内径，且小于第二前喷嘴段202的内径，使第一前喷嘴段201内腔形成节流孔6，也可以在第一前喷嘴段201的内腔中设置节流孔板，设置节流孔6或节流孔板，能够使过氧化氢分解气体在流动过程中产生一定压降阻尼，防止节流孔6下游的燃烧过程影响到上游的过氧化氢催化分解过程，减少低频振荡的可能性，实际使用时，应当确保节流孔6的压降大于0.3MPa，可据此确定节流孔6的尺寸，或节流孔板的开孔情况。第二前喷嘴段202呈阶梯柱状且仅设置一级阶梯，其小端朝向第一前喷嘴段201。后燃料喷嘴4呈阶梯柱状且仅设置一级阶梯，其小端朝向前燃烧室3。
前燃料喷嘴2的侧壁上开设有多个前喷孔，用于部分燃料进入前燃烧室3，后燃料喷嘴4的侧壁上开设有多个后喷孔，用于另一部分燃料进入后燃烧室5。在本发明的一个实施例中，催化剂床1、前燃料喷嘴2、前燃烧室3、后燃料喷嘴4和后燃烧室5均同轴设置，前喷孔包括多个均布的前燃料喷孔701和多个均布的前冷却喷孔702，前燃料喷孔701的轴线与前燃烧室3的轴线相垂直，前冷却喷孔702的出口朝向前燃烧室3的内壁，后燃料喷孔包括多个均布的后燃料喷孔801和多个均布的后冷却喷孔802，后燃料喷孔801的轴线与后燃烧室5的轴线具有一定夹角，后冷却喷孔802的出口朝向所述后燃烧室5的内壁设置。如前燃料喷孔701沿第二前喷嘴段202靠近第一前喷嘴段201部分的径向设置，前冷却喷孔702设置在第二前喷嘴段202的阶梯面上，后燃料喷孔801和后冷却喷孔802均设置在后燃料喷嘴4的阶梯面上。由于前燃烧室3和后燃烧室5的中心温度高达2000℃左右，经过朝向前燃烧室3内壁的前冷却喷孔702，以及朝向后燃烧室5的后冷却喷孔802进入的燃气，有利于在前燃烧室3和后燃烧室5的内壁表面形成液膜，使保护面积更大。后燃料喷孔801相对后燃烧室5轴线倾斜设置，能够控制燃料在后燃烧室5内的温度分布。前燃料喷孔701和后燃料喷孔801的设置原则为，燃料经过相应喷嘴的压降大于0.3MPa，在确保喷孔加工成本和加工难度较小的前提下，喷孔的设置数量应尽可能的多。
另外，实际使用中，可使少量燃气从前喷孔进入，使大量燃气从后喷孔进入。经前喷孔进入前燃烧室的燃气和经后喷孔进入后燃烧室的燃气种类还可以不同，燃气量也可以进行调整，可根据实际需要进行设置。
为了使燃气发生器达到更好的燃烧效果，可根据如下参数设置对燃气发生器进行优化：使进入前燃烧室3的过氧化氢流量与进入前燃烧室3的燃料流量比值为1：15-20，通过前冷却喷孔702进入前燃烧室3的燃料流量，为通过所述前燃料喷孔701进入前燃烧室3的燃料流量的两倍，前燃料喷孔701沿前燃料喷嘴2轴向，距离前燃料喷嘴2出口处的距离为前燃料喷孔701孔径的6倍以上，经过后燃料喷孔801的燃料流量和经过后冷却喷孔802的燃料流量比值的设定原则为确保壁面温度在材料允许范围内，前冷却喷孔702轴线与所述前燃烧室3轴线的夹角为5-15°，后冷却喷孔802轴线与后燃烧室5轴线的夹角为5-15°，后燃料喷孔801的燃料流量和经过所述后冷却喷孔802的燃料流量比值为9：1。前冷却喷孔702距离前燃烧室2内壁的距离和后冷却喷孔802距离后燃烧室5内壁的距离均可设计为5mm左右。
另外，后燃料喷孔801在后燃料喷嘴4的阶梯面上沿周向可设置多圈，其轴线与水平线成一定夹角，通过调整设置的圈数、每圈上后燃料喷孔801的数量，以及后燃料喷孔801轴线与后燃烧室5轴线的夹角，可以调整后燃料喷嘴4出口处燃气温度分布。
为了提高燃气发生器的工作温度，可以在前燃烧室3的壁面上和后燃烧室5的壁面上设置相应的热防护。
本发明燃气发生器的工作原理为：高浓度液态过氧化氢由过氧化氢喷嘴喷入催化剂床1中，经催化剂床1的反应段催化分解后生成高温富氧燃气，经节流孔6和第二前喷嘴段202进入前燃烧室3，少量碳氢燃料通过前燃料喷嘴2上的前燃料喷孔701和前冷却喷孔702喷入前燃烧室3，燃烧形成初步火焰，再经后燃料喷嘴4流入后燃烧室5，大量碳氢燃料通过后燃料喷嘴4上的后燃料喷孔801和后冷却喷孔802喷入后燃烧室，进行充分燃烧，形成满足要求的高温富氧燃气。
实际应用时，前燃料喷嘴2的前喷孔对应处外部设有前燃料管路9，前燃料管路9上设有前燃料进口11，后燃料喷嘴4的后喷孔对应处外部设有后燃料管路10，后燃料管路10上设有后燃料进口12。
以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。
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