一种小流量过氧化氢燃气发生器
阅读说明：本技术 一种小流量过氧化氢燃气发生器 (Small-flow 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问题,提供一种小流量过氧化氢燃气发生器,包括依次连通的催化剂床、气喷嘴、燃料喷嘴和燃烧室,催化剂床的入口用于过氧化氢射入,燃烧室内设有均流器,气喷嘴出口与燃料喷嘴入口连接处,气喷嘴外壁与燃料喷嘴内壁之间沿周向设有间隙,燃料喷嘴入口端侧壁沿周向开设有多个燃料喷孔,所述燃料喷孔沿燃料喷嘴侧壁切向开设并延伸至燃料喷嘴内,燃料喷孔出口位于所述间隙内。(The invention belongs to a fuel gas generator, and aims to solve the problems that the working temperature of an oxygen-rich fuel gas generator is limited and the service life of a turbopump system can be shortened in the gas generator circulation of the existing rocket engine system, an ignition device needs to be additionally arranged when the oxygen-rich fuel gas generator is combined by adopting a non-toxic propellant, the complexity of the fuel gas generator is increased, and the environment protection idea is violated when the toxic propellant is combined, the invention provides a small-flow hydrogen peroxide fuel gas generator which comprises a catalyst bed, a gas nozzle, a fuel nozzle and a combustion chamber which are sequentially communicated, wherein the inlet of the catalyst bed is used for injecting hydrogen peroxide, a flow equalizer is arranged in the combustion chamber, the joint of the outlet of the gas nozzle and the inlet of the fuel nozzle is provided with a gap between the outer wall of the gas nozzle and the inner wall of the fuel nozzle along the circumferential direction, the side wall of the inlet of the fuel nozzle is provided with a plurality of fuel spray holes along the circumferential direction, and the fuel spray holes are tangentially arranged along the side wall of the fuel nozzle and extend into the fuel nozzle, a fuel orifice exit is located within the gap.)
技术领域
本发明属于燃气发生器，具体涉及一种小流量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，提供一种小流量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：
一种小流量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、气喷嘴、燃料喷嘴和燃烧室；
所述燃烧室内设有均流器；
所述气喷嘴出口与燃料喷嘴入口连接处，气喷嘴外壁与燃料喷嘴内壁之间沿周向设有间隙；
所述燃料喷嘴入口端侧壁沿周向开设有多个燃料喷孔，所述燃料喷孔沿燃料喷嘴侧壁切向开设并延伸至燃料喷嘴内，燃料喷孔出口位于所述间隙内。
进一步地，所述气喷嘴内设有节流孔板或节流孔。节流孔和节流孔板都是为了使过氧化氢分解气体流动过程中产生一定压降阻尼，减少低频振荡的可能性，节流孔的设置尺寸和节流孔板的具体参数都可以根据过氧化氢分解气体的压力和流量进行调整。
进一步地，所述催化剂床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；
所述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；所述集液腔内径由入口段至出口段逐渐增大；所述分配板和所述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；集液腔与分配板能够使过氧化氢均匀的进入，分配板能形成一定压降，其开孔率可根据需要的压降情况进行调整，起到一定的阻尼作用，通过催化剂填料使过氧化氢催化分解，催化剂填料的种类的量，可根据过氧化氢的浓度进行适当选择，支撑板能够使催化剂填料在高温环境下具有足够的刚度；
所述出口段与气喷嘴相连。
进一步地，所述气喷嘴包括靠近催化剂床的第一气喷段和靠近燃料喷嘴的第二气喷段；
所述第一气喷段的内径小于催化剂床出口处的内径，且小于第二气喷段的内径，使第一气喷段的内腔形成节流孔；
所述第二气喷段与燃料喷嘴相连，第二气喷段外壁与燃料喷嘴内壁之间沿周向设有间隙。
进一步地，所述入口段内腔呈圆柱状；所述第二气喷段内腔呈圆柱状；所述节流孔呈圆柱状。
进一步地，所述第二气喷段与燃料喷嘴相连处，第二气喷段外壁设有两个台阶面，靠近第一气喷段的台阶面与燃料喷嘴端面相抵，保证连接密封效果，同时，第二气喷段外壁位于另一台阶面以上，第二气喷段外壁与燃料喷嘴内壁径向之间设有间隙，即为气喷嘴外壁与燃料喷嘴内壁之间的间隙。
进一步地，所述燃料喷嘴内壁呈锥面，其小端朝向燃烧室，便于燃料液膜贴壁，并与高温富氧燃气掺混。
进一步地，所述燃料喷嘴内壁锥面呈5-10°，燃料喷嘴内壁锥面的角度还可以进行适当调整，用以调整燃料液膜的贴壁效果。
进一步地，所述均流器的前端开设有第一均流口，侧壁均匀开设有多个第二均流口，确保高温富燃燃气掺混均匀。使燃烧室内生成的高温富燃燃气温度变得均匀，燃烧室和均流器的材料均可采用高温合金，保证燃烧室和均流器的稳定性。
进一步地，所述燃料喷孔到燃料喷嘴出口处沿燃料喷嘴轴向的距离为燃料喷嘴出口口径的1-1.5倍。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明小流量过氧化氢燃气发生器结构简单，经济性好，无需额外设置点火装置，也不用使用有毒推进剂，环保性较好。另外，气喷嘴外壁与燃料喷嘴内壁之间沿轴向设置的间隙，使气喷嘴侧壁在该处相对燃料喷嘴形成挡板，加速过氧化氢与燃料在燃料喷嘴内混合，形成初步火焰附着点，燃料喷孔的设置，便于燃料液膜贴壁，并与高温富氧燃气掺混。
2.本发明的气喷嘴内设有节流孔或节流孔板，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.本发明中气喷嘴的第二气喷段外壁设有两个台阶面，既能够保证安装的密封性，又能为间隙的设置提供空间。
4.本发明燃料喷嘴的内壁呈锥面，便于燃料液膜贴壁，并与高温富氧燃气掺混。
5.本发明中均流器的前端和侧壁均开设有均流口，确保了高温富燃燃气掺混均匀。
附图说明
图1为本发明小流量过氧化氢燃气发生器实施例的结构图；
图2为本发明图1中燃料喷嘴的截面图。
其中，1-催化剂床、101-入口段、102-反应段、1021-集液腔、1022-分配板、1023-催化剂填料、1024-支撑板、103-出口段、2-燃料喷嘴、3-燃烧室、4-燃料喷孔、5-均流器、501-第一均流口、502-第二均流口、6-节流孔、7-气喷嘴、701-第一气喷段、702-第二气喷段、8-燃料管路。
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是本发明小流量过氧化氢燃气发生器的一个实施例，包括依次连通的催化剂床1、气喷嘴7、燃料喷嘴2和燃烧室3。其中，催化剂床1包括由入口处至出口处依次设置的入口段101、反应段102和出口段103，入口段101用于过氧化氢射入，反应段102内包括由入口段101至出口段103依次设置的集液腔1021、分配板1022、催化剂填料1023和支撑板1024，集液腔1021内径由入口段101至出口段103逐渐增大，分配板1022和支撑板1024分别设置于催化剂填料1023的两端，分配板1022设置于集液腔1021末端，分配板1022和支撑板1024均与反应段102内壁相接，集液腔1021与分配板1022使得过氧化氢均匀地进入催化剂填料1023，分配板1022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1023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1024用来支撑催化剂填料1023，使催化剂填料1023在高温环境下具有足够的刚度。出口段103与气喷嘴7相连，气喷嘴7内设有节流孔6，使过氧化氢分解气体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，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。气喷嘴7具体的包括靠近催化剂床1的第一气喷段701和靠近燃料喷嘴2的第二气喷段702，出口段103的内径由反应段102至第一气喷段701逐渐减小，第一气喷段701的内径小于出口段103的小端内径，且小于第二气喷段702的内径，节流孔6设置于第一气喷段701内，通过节流孔6连通出口段103和第二气喷段702，即第一气喷段701的内腔形成节流孔6，第二气喷段702与燃料喷嘴2相连，第二气喷段702外壁与燃料喷嘴2内壁之间沿周向设有间隙。可以将入口段101内腔设置为圆柱状，第二气喷段702内腔设置为圆柱状，节流孔6也设置为圆柱状。
燃料喷嘴2出口与燃烧室3连通，燃烧室3内设有均流器5，过氧化氢分解后的气体与燃料在燃烧室3内完成燃烧。另外，若不在燃烧室3内设置均流器5，本发明还可被当做富燃点火器使用。均流器5使燃烧室3内生成的高温富燃燃气温度变得均匀。燃烧室3和均流器5的材料均可采用高温合金，保证使用稳定性。均流器5的前部呈部分球状，最前端开设有第一均流口501，后部呈柱状，其侧壁上均匀开设有多个第二均流口502。
如图2，另外，燃料喷嘴2入口端侧壁沿周向开设有多个燃料喷孔4，燃料喷孔4沿燃料喷嘴2侧壁切向开设并延伸至燃料喷嘴2内，在燃料喷嘴2壁面形成贴壁液膜，燃料喷孔4出口位于间隙内，该间隙即第二气喷段702外壁与燃料喷嘴2内壁之间沿周向设置的间隙，该间隙使气喷嘴7的第二气喷段702相对燃料喷孔4形成挡板，挡板的径向厚度一般为0.7-1mm，使得加速过氧化氢与燃料在燃料喷嘴2内混合，并形成初步火焰附着点。其中，燃料喷孔4的数量一般大于等于三个，燃料喷孔4的设计尺寸，原则上使喷孔压降大于0.3MPa。
燃料喷嘴2内壁呈锥面，其小端朝向燃烧室3，锥面呈5-10°，便于燃料液膜贴壁，并与高温富氧燃气掺混。燃料喷嘴2的长度（燃料喷孔4到燃料喷嘴2出口的轴向距离）为1到1.5倍的燃料喷嘴2出口口径。
为了既保证间隙的设置，又保证安装密封性，第二气喷段702与燃料喷嘴2相连处，第二气喷段702外壁设有两个台阶面，靠近第一气喷段701的台阶面与燃料喷嘴2端面相抵，第二气喷段702外壁位于另一台阶面以上的部分与燃料喷嘴2内壁之间沿周向设置间隙。
上述小流量过氧化氢燃气发生器的具体工作原理为：高浓度液态过氧化氢由过氧化氢喷嘴经入口段101喷入催化剂床1的反应段102中，经催化分解生成高温富氧燃气，通过气喷嘴7第一气喷段701的节流孔6和第二气喷段702喷入燃料喷嘴2中，碳氢燃料通过燃料喷嘴2上的燃料喷孔4喷入，周向流动形成液膜，紧贴燃料喷嘴2壁面，与高温富氧燃气在燃料喷嘴2内进行初步混合，形成初步火焰。然后，喷入燃烧室3进行充分燃烧，通过均流器5使燃气温度变得均匀，形成满足要求的高温富燃燃气。
在本发明的其他实施例中，还可将节流孔6更换为节流孔板，与上述节流孔的作用和要求一致。催化剂床1的具体结构及形状也可采用其他现有的催化剂床结构。燃料喷嘴2的内部锥面、锥面角度，以及燃料喷孔4的开设方式均可以进行相应变化，可根据使用要求进行适应性调整。
另外，实际应用时，燃料喷嘴2的燃料喷孔4对应处外部设有燃料管路8，燃料管路8上设有燃料进口，燃料由燃料进口进入燃料管路8，再经燃料喷孔4进入燃料喷嘴2内。
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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