一种大流量有毒推进剂富氧燃气无害化处理装置及方法
阅读说明：本技术 一种大流量有毒推进剂富氧燃气无害化处理装置及方法 (Device and method for harmless treatment of large-flow toxic propellant oxygen-enriched gas ) 是由 肖虹 房喜荣 李龙飞 李悦 熊剑 李小平 刘昭宇 唐敏 于 2020-11-20 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种大流量有毒推进剂富氧燃气无害化处理装置及方法,该处理装置包括燃烧室,所述燃烧室中转接装置、连接I段、连接II段、连接III段和燃烧段采用夹层水冷结构,用于燃烧室的热防护,喷注支板、喷注I环和喷注II环采用夹层结构,用于向燃烧室中喷入燃料,在燃烧室内与高温富氧燃气进行燃烧,生成低毒或无毒的高温燃气。本发明装置及方法用于常温推进剂补燃发动机富氧燃气发生器半系统试车产生的大量有毒富氧燃气的降低毒性或无害化处理,能够实现每秒钟几百公斤级的高温富氧有毒燃气的有效实时处理,与传统的中和方法相比,结构简单、规模小、建设周期短、成本较低。(The invention provides a large-flow toxic propellant oxygen-enriched gas innocent treatment device and a method, the treatment device comprises a combustion chamber, wherein a switching device, a connecting section I, a connecting section II, a connecting section III and the combustion section in the combustion chamber adopt a sandwich water-cooling structure and are used for thermal protection of the combustion chamber, and an injection support plate, an injection ring I and an injection ring II adopt sandwich structures and are used for injecting fuel into the combustion chamber and combusting the fuel with high-temperature oxygen-enriched gas in the combustion chamber to generate low-toxicity or non-toxicity high-temperature gas. The device and the method are used for reducing toxicity or performing harmless treatment on a large amount of toxic oxygen-enriched gas generated by half-system test run of the oxygen-enriched gas generator of the normal-temperature propellant afterburning engine, can realize effective real-time treatment on hundreds of kilograms of high-temperature oxygen-enriched toxic gas per second, and have the advantages of simple structure, small scale, short construction period and lower cost compared with the traditional neutralization method.)
技术领域
本发明属于有毒气体处理技术领域，特别涉及一种大流量有毒推进剂富氧燃气无害化处理装置及方法。
背景技术
近年来，随着液体火箭发动机技术的不断发展，对常温推进剂火箭发动机在大推力、高效率和低成本方面提出了更高要求，为此需要研究更先进的常温推进剂补燃循环发动机。燃气发生器与涡轮泵的半系统试验是该类型发动机研制过程中必不可少的研究性试验。
该类型发动机的推进剂一般选用偏二甲肼((CH3)2NH2)和四氧化二氮(N2O4)，这两种物质均为有毒推进剂，燃气发生器在高混合比富氧状态燃烧时生成的产物毒性依然很强，且燃气中含有大量的氮氧化物，直接排放将对环境造成严重污染，因此在燃气发生器半系统试验过程中需对每秒钟几百公斤级的有毒富氧燃气进行有效处理。为了实现有毒富氧燃气的实时处理，降低设备规模和成本，缩短研制周期，设计了一种大流量有毒推进剂富氧燃气无害化处理装置及方法。
发明内容
为了降低大推力常温推进剂补燃发动机富氧发生器在研究性试验过程中产生的大量有毒燃气对环境的污染程度，本发明人进行了锐意研究，提供了一种大流量有毒推进剂富氧燃气无害化处理装置及方法，设备规模较小、加工工艺成熟、可重复使用且维护方便，采用该装置的处理方式易行有效，从而完成本发明。
本发明提供的技术方案如下：
第一方面，一种大流量有毒推进剂富氧燃气无害化处理装置，该处理装置包括燃烧室，所述燃烧室包括依次连接的转接装置、喷注支板、连接I段、喷注I环、连接II段、喷注II环、连接III段、燃烧段和燃烧室出口，其中，所述转接装置用于与前段减压室连接以输入高温低压富氧燃气；所述喷注支板、喷注I环和喷注II环为夹层结构，夹层内通有燃料，用于向燃烧室中喷入燃料，在燃烧室内与高温富氧燃气进行燃烧，生成低毒或无毒的高温燃气；所述燃烧段为高温富氧燃气提供燃烧空间，燃烧后的气体产物经喉部，由燃烧室出口排出。
第二方面，一种大流量有毒推进剂富氧燃气无害化处理方法，通过第一方面所述的处理装置实施，包括：
燃气发生器产生的高压高温富氧燃气经降压后通过转接装置进入燃烧室，燃料经喷注支板、喷注I环和喷注II环以轴向、径向和切向喷注方式进入燃烧室，与富氧燃气混合燃烧，最终燃烧生成的低毒或无毒的高温燃气经喉部由燃烧室出口排出。
根据本发明提供的一种大流量有毒推进剂富氧燃气无害化处理装置及方法，具有以下有益效果：
(1)根据本发明提供的处理装置及方法，燃气发生器产生的高压高温富氧燃气经降压后进入燃烧室，在燃烧室内利用二次低压燃烧技术将富氧燃气转化成低毒或无毒的高温燃气，再经喷水降温后排入大气；该处理装置及方法处理效率高，能够实现每秒几百公斤级的高温富氧有毒燃气的实时有效处理，能够有效降低有毒燃气对环境的影响，可以确保发动机研究性试验的可靠运行。与传统的中和方法相比，该处理装置结构简单、规模小、建设周期短、成本较低；
(2)本发明中处理装置，由前至后依次采用轴向、径向、和径向+切向燃料喷注，利用多维度喷注方法，使能量不集中释放，有利于燃烧稳定性；有利于燃料与富氧燃气的掺混，提高燃烧效率，达到理想的处理效果；
(3)本发明中处理装置，喷注I环和/或喷注II环中集液环为分层流道结构，可保证燃料在集液环内分布均匀，防止燃料分布不均匀出现喷嘴出口混合比分布不一致，导致燃烧不均匀，甚至出现不稳定燃烧，严重时可能导致局部喷嘴烧蚀或燃烧段结构破坏的情况；
(4)本发明中处理装置，冷却水出口朝向燃烧室出口方向，冷却水流出夹层水冷结构时向燃烧室出口喷出，形成水幕，能够对燃气燃烧后产物如NO2等降温溶解，进一步降低排入大气中污染成分；
(5)本发明中处理装置，采用减压室对来流减压，在超音速激波段采用气动激波控制技术实现了对燃气流减压过程的精准控制，这种方式的减压幅度大，设备规模小，实现了燃气流快速减压的效果；其次，采用气动流道+多孔阻尼板这种的阶梯式减压设计思路，一方面减小了减压过程对流道内控压结构的负载，提高了系统的可靠性和安全性，一方面最大程度削弱了激波中心流效应对流场均匀性的影响；再次，采用了低速整流设计思想，通过在整流板前布置突扩结构降低流场的平均速度，并在低于设计流场速度的条件下完成燃气流的整流过程，大幅缩短了整流所需的流动距离；最后，在整流结构后布置了收敛结构，将流场平均速度微调至设计值，这样一方面提升了流场速度准确性，一方面减小了边区流动与中心流动速度差异，提高了燃气出口的流动品质。
附图说明
图1示出本发明一种优选实施方式中处理装置的结构示意图；
图2示出本发明一种优选实施方式中在集液环的内侧(喷注壁)上开孔形成切向直流喷嘴的结构示意图；
图3示出本发明一种优选实施方式中喷注I环和/或喷注II环中集液环的结构示意图；
图4示出本发明一种优选实施方式中减压室的结构示意图；
图5示出实施例1中燃烧段压力变化图；
图6示出实施例1中燃烧段燃料流量变化图。
附图标号说明
1-转接装置；2-喷注支板；3-连接I段；4-喷注I环；5-连接II段；6-喷注II环；7-连接III段；8-燃烧段；9-喉部；10-燃烧室出口；11-均流腔；12-环形槽；13-分隔板；14-均流孔；15-环形筋板；21-入口法兰；22-超音速激波段；23-多孔阻尼板；24-突扩台阶；25-平直段；26-前整流板；27-承力环；28-后整流板；29-收敛端面；30-收敛段；31-出口法兰。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
根据本发明的第一方面，提供了一种大流量有毒推进剂富氧燃气无害化处理装置，该处理装置包括燃烧室，如图1所示，所述燃烧室包括依次连接的转接装置1、喷注支板2、连接I段3、喷注I环4、连接II段5、喷注II环6、连接III段7、燃烧段8和燃烧室出口10，其中，所述转接装置1用于与前段减压室连接以输入高温低压富氧燃气；所述喷注支板2、喷注I环4和喷注II环6为夹层结构，夹层内通有燃料，用于向燃烧室中喷入燃料，在燃烧室内与高温富氧燃气进行燃烧，生成低毒或无毒的高温燃气(NOx)；所述燃烧段8为高温富氧燃气提供充足的燃烧空间，燃烧后的气体产物经喉部9，由燃烧室出口10排出。
在一种优选的实施方式中，所述燃烧室各段间采用可拆卸法兰连接结构、石墨缠绕垫密封；或者，所述燃烧室通过增材制造技术一体成型。
在一种优选的实施方式中，所述喷注支板2包括集液环和支板，所述支板伸入燃烧室内部，个数为4～8个，沿周向均布，支板背风壁面上设置多组自击式直流喷嘴。支板的前缘为钝体结构，支板采用适用于高温富氧环境下的高温合金材料。
所述喷注I环4和喷注II环6包括集液环，所述集液环的内壁为喷注壁，喷注I环4的喷注壁上周向设置至少一圈垂直壁面的直流喷嘴，相邻圈喷嘴周向相错0～45°；喷注II环6的喷注壁上周向设置至少一圈垂直壁面的直流喷嘴和至少一圈切向直流喷嘴，切向直流喷嘴朝向燃烧室出口方向，相邻圈喷嘴周向相错0～45°。
所述自击式直流喷嘴将燃料以轴向喷注方式喷入燃烧室，垂直壁面的直流喷嘴将燃料以径向喷注方式喷入燃烧室，切向直流喷嘴将燃料以切向喷注方式喷入燃烧室，采用的自击式直流喷注、垂直壁面的直流喷注，应保证足够的穿透深度；采用的切向直流喷注，应保证旋流贴近壁面流动均匀形成液膜，对下游燃烧室壁面进行保护；为达到上述技术效果，喷注支板2、喷注I环4和喷注II环6的喷注压降为0.5～2MPa，不高于燃烧室内压力。
其中，所述自击式直流喷嘴、垂直壁面的直流喷嘴和切向直流喷嘴可为商购产品，或者通过在支板或者喷注壁上开孔形成。图2示出在集液环的内侧(喷注壁)上开孔形成切向直流喷嘴的结构示意图。
进一步地，喷注支板2、喷注I环4和喷注II环6为易损结构，因而将其采用模块化的可拆卸结构设计，当部分结构损坏时，只需更换损坏结构段即可，便于产品维修。
进一步地，如图3所示，所述喷注I环4和/或喷注II环6中集液环为分层流道结构，包括均流腔11和环形槽12，所述均流腔11位于环形槽12的外围，两者之间布置分隔板13，通过分隔板13上开设的均流孔14连通，所述环形槽12开设在分隔板13内侧的环形筋板15上，环形槽12底部开孔或者安装喷嘴，向燃烧室内喷注燃料。采用开孔方式时，通过改变环形槽12底部开孔方向，形成垂直壁面的直流喷嘴或切向直流喷嘴；采用安装喷嘴方式时，通过改变喷嘴方向，形成垂直壁面的直流喷嘴或切向直流喷嘴。
燃料由外部输入集液环时，先进入均流腔11，在均流腔11中混合，由均流孔14进入环形槽12，进一步混合后喷出。集液环的分层流道设计，可保证燃料在集液环内分布均匀，防止燃料分布不均匀出现喷嘴出口混合比分布不一致，导致燃烧不均匀，甚至出现不稳定燃烧，严重时可能导致局部喷嘴烧蚀或燃烧段结构破坏的情况。
在一种优选的实施方式中，所述转接装置1、连接I段3、连接II段5、连接III段7和燃烧段8采用夹层水冷结构。
进一步地，燃烧段8夹层水冷结构中的冷却水逆气流流动，其他连接段中的冷却水逆气流流动或顺气流流动均可，冷却水具备一定的流量和流速，保证冷却可靠。
在一种优选的实施方式中，所述连接I段3、连接II段5和连接III段7的扩张角小于15°，优选10°～15°。连接段具备上述范围内的扩张角度，有利于径向富氧燃气与燃料的混合，若扩张角过小且小于上述范围，则径向富氧燃气与燃料的混合效果差；若扩张角过大且大于上述范围，则导致轴向空间过小，燃料喷注区域过于集中，不同形式喷注存在相互干扰，不利于稳定燃烧。
所述燃烧段8包括直段和收敛段，收敛段收敛角为15°～90°。所述燃烧段8满足燃气在该段停留时间大于10ms，以燃烧充分。
所述燃烧室出口10为微扩结构，扩张角小于7°，优选为4°～5°。燃烧室出口的扩张面积比和扩张角尽量小，尽量减小燃烧室产生的不必要推力，加大对燃烧室的固定难度。
在一种优选的实施方式中，所述转接装置1、连接I段3、连接II段5、连接III段7和燃烧段8中冷却水出口朝向燃烧室出口方向，冷却水流出夹层水冷结构时向燃烧室出口10喷出，形成水幕，能够对燃气燃烧后产物如NO2等降温溶解，进一步降低排入大气中污染成分。
在本发明中，所述燃料为偏二甲肼水溶液，偏二甲肼与水的质量比为1：(0～2.5)。偏二甲肼和水混合过程应保证均匀，可预先在贮箱内混合好，也可采用实时混合供应。所述燃料由喷注支板2、喷注I环4和喷注II环6喷入燃烧室的比例为(4～6)：(2～3)：(2～3)，该配比方式可以使大部分燃料通过支板喷注进入富氧燃气中心区，降低中心区燃气与燃料的混合比，提高中心区的燃烧温度，有利于提高富氧燃气处理效果；适当减少边区的燃料比例，提高边区燃气与燃料的混合比，降低边区燃气温度，有利于燃烧段的热防护。
在本发明中，所述处理装置还包括减压室，如图4所示，所述减压室为回转体结构，沿气流方向依次包括入口法兰21、超音速激波段22、平直段25、收敛端面30和收敛端面31；
所述入口法兰21用于引入燃气发生器产生的经发动机喷管加速至音速的燃气流；
所述超音速激波段22为锥状扩张段，通过扩张将燃气流加速到超音速状态，所述超音速激波段22的中部布置有至少一件多孔阻尼板23，通过匹配流动速度与环境压力，使燃气流在多孔阻尼板23前方的流场中间处产生正激波，对燃气流初步减压，并使燃气流由超音速状态转变为亚音速状态；所述多孔阻尼板23的板面垂直于减压室的轴线，用于将燃气流由亚音速状态再次转变为超音速状态，并在多孔阻尼板23的下游形成二次激波，对燃气流进行二次精准减压，使总压下降至设计值附近，燃气流得到初步整流；
所述超音速激波段22与平直段25之间布置有突扩台阶24，所述突扩台阶24的内径大于超音速激波段22的大端内径且等于平直段25的内径，突扩台阶24用于降低燃气流的平均流速；
所述平直段25内布置有至少一件整流板，所述整流板上开设通孔，用于在低于设计平均速度的流道内对燃气流整流，使其流动径向速度差异大幅减小，流动均匀性大幅提升；
所述收敛端面30用于降低流场中心与边区的流速差异，将燃气流平均速度提升至设计值，由收敛端面31排出。
在一种优选的实施方式中，所述超音速激波段22的扩张角为10°～40°。
在一种优选的实施方式中，所述超音速激波段22的中部布置有1件多孔阻尼板23。所述平直段25内布置有两件整流板，如图4中所示的前整流板26和后整流板28。
针对3～50MPa降压，多孔阻尼板23的开孔率为20％～40％，整流板的开孔率为10％～25％，燃气流在平直段25的流速为30～50m/s。
在一种优选的实施方式中，所述入口法兰21、超音速激波段22、平直段25、收敛端面30和收敛端面31之间通过可拆卸法兰结构连接，或者通过增材制造技术一体成型。
在一种优选的实施方式中，所述减压室还包括承力环27，所述承力环27套设在平直段25上，相邻承力环27之间形成外部装置移动或固定整个减压室的限位空间。
根据本发明的第二方面，提供了一种大流量有毒推进剂富氧燃气无害化处理方法，通过上述第一方面所述的处理装置实施，包括：
燃气发生器产生的高压高温富氧燃气经降压后通过转接装置1进入燃烧室，燃料(偏二甲肼的水溶液)经喷注支板2、喷注I环4和喷注II环6以轴向、径向和切向等多维度多种喷注方式进入燃烧室，与富氧燃气混合燃烧，最终燃烧生成的低毒或无毒的高温燃气(NOx)经喉部9由燃烧室出口10排出，优选经喷水降温辅助处理后排入大气；转接装置1、连接I段3、连接II段5、连接III段7和燃烧段8均采用夹层水冷结构确保产品结构可靠。
其中，通过减压室实施减压过程，具体如下：
常温推进剂半系统试验产生的高温高压富氧燃气流经喷管加速至音速后进入口法兰21，在超音速激波段22中经过扩张进一步加速达到超音速状态，通过匹配流动速度与环境压力，燃气流在超音速激波段22前段的流场中间处产生正激波，正激波后的燃气流参数发生突变，燃气流由超音速状态转变为亚音速状态，总压大幅降低，流速降低，中心流与边区流速度出现较大幅度偏差，流动不均匀性增加；
超音速激波段22中部布置有多孔阻尼板23，当亚音速燃气流经过该位置时，燃气主流转化为多束支流并分别进入多孔阻尼板的小孔，燃气流在流经多孔阻尼板小孔时由亚音速状态再次转化为超音速状态，并在小孔下游形成二次激波，燃气流在流经激波时流动参数再次发生突变，燃气流总压下降至设计值附近。由于主流在流经多孔阻尼器时局部流量发生了二次分配，燃气流得到初步整流；
超音速激波段22与平直段25之间布置了突扩台阶24，燃气流经过该位置时平均流速突然减小，之后经过整流板时流动径向速度差异大幅减小，流动均匀性大幅提升；
之后燃气流经收敛端面29进入收敛段30，该过程中流道壁面附近燃气流速度增加较快，中心与边区的流速差异进一步减小，燃气流流动品质得到进一步提升，并经过出口法兰31流入下游实施无毒化处理。
实施例
实施例1
采用上述燃烧室实施高温高压富氧燃气无害化处理，其中，喷注支板2个数为8个，沿周向均布，支板背风壁面上设置多组自击式直流喷嘴；喷注I环4的喷注壁上设置3圈垂直壁面的直流喷嘴，相邻圈喷嘴周向相错30°，喷注II环6喷注壁上设置2圈垂直壁面直流喷嘴和1圈切向直流喷嘴，相邻圈喷嘴周向相错30°；喷注支板2、喷注I环4和喷注II环6的喷注压降为1MPa；喷注I环4和喷注II环6的集液环均为图3所示的分层流道结构，燃料由喷注支板2、喷注I环4和喷注II环6喷入燃烧室的比例为6：2：2。转接装置1、连接I段3、连接II段5、连接III段7和燃烧段8采用夹层水冷结构，连接I段3、连接II段5和连接III段7的扩张角为10°，燃烧段8出口为微扩结构，扩张角为4°。
采用本方明的富氧燃气无害化处理装置完成某发动机富氧燃气发生器和涡轮泵的半系统试验，试验过程中发动机正常起动，富氧燃气驱动涡轮后进入燃气处理装置，经降压减速后与补燃燃料在燃烧段内混合燃烧，燃烧段内建立稳定压力，最终由燃烧室出口排出，高温燃气经无害化处理装置外周喷出的冷却水吸收降温后排入大气，试验过程中燃烧段出口可见水雾中有明显的燃烧火焰，稳定燃烧过程未见红棕色气体，具体燃烧段压力和燃料流量分别如图5和6所示。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。