[发明专利]一种用于火箭发动机中驱动涡轮的燃气发生器

说明书

本发明公开了一种用于火箭发动机中驱动涡轮的燃气发生器，主路燃气发生装置依次设置有主路过氧化氢分配腔、主路过氧化氢催化床、主路集气腔、燃气发生器燃烧室、集气腔和出口；所述燃气发生器燃烧室外侧壁设置为冷却通道，冷却通道上设置甲烷入口，内设置有喷注盘，甲烷和水蒸汽微通道换热催化反应床；辅路燃气发生装置依次设置辅路过氧化氢分配腔、辅路过氧化氢催化床、辅路集气腔。本发明提供了一种燃气无积碳而且做功能力非常强的燃气发生器，不仅克服了制约当前碳氢燃料富油气体发生器重复使用的积碳这个瓶颈性问题，还大幅提升了做功能力，具备很好的实用潜力。

技术领域

本发明属于火箭发动机设备技术领域，具体涉及一种用于火箭发动机中驱动涡轮的燃气发生器，即一种过氧化氢-甲烷富油燃气发生器。

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，它可以极大减少航天发射的成本。火箭的发动机系统是火箭的核心，燃气发生器循环是火箭发动机主要循环方式之一。

燃气发生器分为富油燃气发生器和富氧燃气发生器。富氧燃烧能充分利用燃料，但过量的氧气浓度容易腐蚀燃烧室，限制了燃气发生器温度一般在 1000K左右，即使如此涡轮泵系统的寿命也受到影响，大大缩短；而富油燃烧虽然能在火箭发动机上实现较大的使用寿命和较强可靠性，但始终无法令燃料充分燃烧，在碳氢燃料的富油燃烧中产生高浓度碳烟，在火箭发动机各部件上很容易产生大量“积碳”，很快就沉积在燃气发生器和涡轮泵的涡轮叶片上，引起涡轮效率显著降低，同时影响涡轮的使用寿命，不利于火箭发动机中燃气发生器和涡轮泵的重复使用。目前最热门的已经实现可重复使用的猎鹰九号火箭所使用的是Merlin系列的发动机，该类型发动机采用的就是富油燃气发生器循环，从梅林发动机涡轮尾气黑烟滚滚的工作照片可以看出，SpaceX公司还没有解决富油燃烧积碳问题，这限制了其发动机中燃气发生器和涡轮泵的重复使用。

积碳问题是制约富油燃气发生器重复使用的瓶颈性问题。同时，燃气发生器产物是涡轮的做功工质，其做功能力是吸气式火箭类发动机研制中一个核心问题。因此，基于上述这两方面的考虑，如何针对性地提出了一种新型燃气发生器以解决现有技术的缺陷，具有重要的现实意义。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于火箭发动机中驱动涡轮的新型燃气发生器，具体涉及一种过氧化氢-甲烷富油燃气发生器。

本发明采取的技术方案为：

一种用于火箭发动机中驱动涡轮的燃气发生器，其特征在于，包括主路燃气发生装置、辅路燃气发生装置，

所述主路燃气发生装置依次设置有主路过氧化氢分配腔、主路过氧化氢催化床、主路集气腔、燃气发生器燃烧室、集气腔和出口；所述燃气发生器燃烧室外侧壁设置为冷却通道，冷却通道上设置甲烷入口，甲烷流经冷却通道，内设置喷注盘，以及甲烷和水蒸汽催化床；

所述辅路燃气发生装置依次设置辅路过氧化氢分配腔、辅路过氧化氢催化床、辅路集气腔。

进一步的，所述燃气发生器燃烧室的端部设置有喷注盘，喷注盘上设置有同轴喷嘴，同轴喷嘴上设置有不同喷孔，气体甲烷、高温氧气和水蒸汽，分别通过喷注盘上掺混的同轴喷嘴不同喷孔进入燃烧室。

进一步的，所述燃气发生器燃烧室的喷注盘与燃烧室的甲烷和水蒸汽催化床之间设置有一个10-30mm的掺混腔，通过掺混腔控制甲烷、高温氧气和水蒸汽充分掺混但基本未反应。

进一步的，所述甲烷与水蒸汽催化床基底设置为微通道换热反应器，微通道换热反应器包括主路微通道和辅路微通道，换热的一侧是主路微通道，其内为富油状态的甲烷、高温氧气和水蒸汽混合气，换热的另外一侧是辅路微通道，其内为高温氧气和水蒸汽。

更进一步的，所述主路微通道内表面涂有将甲烷和水蒸汽催化为一氧化碳和氢气的催化剂，气体通过富油状态一侧的主路微通道后压降较小，保证有充足催化反应时间；所述辅路微通道中高温氧气和水蒸汽通过换热器有显著压降，确保换热。