一种模拟过氧化氢水溶液分解后高温燃气的装置

阅读：评论：0

1.本发明涉及双组元过氧化氢自燃发动机实验领域，特别是一种模拟过氧化氢分解后高温燃气的装置。

背景技术：

2.液体火箭发动机是运载火箭、航天飞机和空间飞行器等航天系统的主要动力装置，考虑到推力、比冲、可靠性等指标，目前火箭发动机的推进剂基本采用n2o4/肼、一、偏二甲肼等剧毒推进剂，或者是液氧/液氢、烃类化合物等低温、不易贮存的推进剂。随着航天技术的发展以及环保和人体健康要求的日益提高，航天动力系统采用无毒、无污染推进剂是今后发展的必然趋势。
3.过氧化氢具有密度比冲高、无毒无污染、高比热、常温可储存、可单分解、可自燃等优点，非常适合做现代火箭发动机的氧化剂。以过氧化氢为代表的绿自燃推进剂越来越受到人们的青睐。在未来的航天发展中，过氧化氢发动机必将得到越来越广泛的应用。
4.过氧化氢在催化作用下进行放热分解反应：
5.2h2o2→
2h2o+o26.相对于其他无毒无污染的推进剂，在过氧化氢作为氧化剂时，分解过程可以放出大量热量，与燃料可以自发进行燃烧反应，简化点火过程。只要解决它们的自燃点火的关键技术，就可以将推进剂的氧化剂和氧化剂所要求的无毒、可贮存和可自燃的特性有机的结合在一起，尽可能发挥推进剂的性能，具有极大的推广应用价值。
7.过氧化氢催化分解是多组元自燃发动机方案之一：过氧化氢先被催化分解为高温燃气，再与燃料同时喷入燃烧室中，高温燃气与燃料发生自燃反应。实际应用中过氧化氢的催化分解方案大多为催化床催化：将催化剂放于容器中，让过氧化氢流过催化剂，使其催化分解。按照催化床中催化剂的不同可以分为：颗粒状催化床催化和金属催化网催化。
8.为探索过氧化氢发动机的性能，试验中要在不同浓度、温度、压力、流量下进行试验，这不仅对推进系统提出了要求，更对催化床的性能提出了更高的要求，普通的催化床设计难以满足全部的需求。催化床的设计参数复杂，参考较少，在试验前需要对催化床投入大量的研究，提高了探究发动机内部燃烧流场研究的门槛。
9.现有的过氧化氢发动机技术方案都是通过催化床分解后的过氧化氢与燃料在燃烧室内燃烧，对于试验条件要求较高，不利于开展试验。
10.利用氢气、氧气和水三种组元模拟过氧化氢分解过程，使其三组元首先在燃烧室内反应，反应后的高温燃气与过氧化氢完全分解后的温度和组分比例保持一致，为双组元发动机提供高温燃气。简化了过氧化氢催化过程，减少了复杂的催化床设计过程，消除了催化过程中各种因素带来的不确定性，为研究双组元发动机燃烧性能提供了一种解决办法和途径。
11.只要解决它们的自燃点火的关键技术，就可以将推进剂的氧化剂和氧化剂所要求的无毒、可贮存和可自燃的特性有机的结合在一起，尽可能发挥推进剂的性能，具有极大的
推广应用价值。
[0012][0013]
现有的过氧化氢的催化技术都是基于各种催化剂组成的催化床，并没有提出利用其他组元对其催化过程进行模拟的方法。催化床的性能会直接影响到发动机的性能，随着更多新型催化剂的出现，其催化性能还需要进一步研究探索。

技术实现要素：

[0014]
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种模拟过氧化氢分解后高温燃气的装置，该模拟过氧化氢分解后高温燃气的装置能实现采用氢气、氧气和水三组元模拟过氧化氢的催化分解，且三组元的流量在一定的范围内可调，从而满足模拟不同浓度和温度过氧化氢的催化分解。
[0015]
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0016]
一种模拟过氧化氢分解后高温燃气的装置，包括同轴依次布设的三组元喷注器、燃烧室和音速喷嘴。
[0017]
三组元喷注器包括氢喷嘴、氧喷嘴和水喷嘴。
[0018]
水喷嘴同轴安装在燃烧室的喷注端，水喷嘴包括中心通孔、水喷孔、集水腔和进水口。
[0019]
中心通孔同轴设置在水喷嘴的中心。
[0020]
水喷孔具有若干个，沿中心通孔的周向布设；每个水喷孔均通过集水腔与进水口相连通。
[0021]
氢喷嘴的一端同轴插设在水喷孔的中心通孔内；氢喷嘴的另一端同轴设置有氢气集气腔，氢气集气腔用于储存氢气；氢喷嘴的中心同轴设置有与氢气集气腔相连通的氢气喷孔。
[0022]
氧喷嘴包括氧气集气腔和氧气喷孔。
[0023]
氧气集气腔同轴密封设置在氢气集气腔与水喷嘴之间，用于储存氧气。
[0024]
插设在中心通孔内的氢喷嘴外壁面与中心通孔的内壁面之间形成所述的氧气喷孔。
[0025]
设水喷孔的数量为2n，其中，n≥1；则2n个水喷孔形成沿中心通孔周向均匀布设的n组对撞水喷孔；每组对撞水喷孔中两个水喷孔的相交点均位于燃烧室的中心轴线上。
[0026]
每个水喷孔的直径均为0.6-2.5mm。
[0027]
每组对撞水喷孔中两个水喷孔的撞击角α＝45-120
°
。
[0028]
燃烧室上设置有测压孔，测压孔内安装有压力传感器。
[0029]
燃烧室上设置有测温孔，测温孔内安装有温度传感器。
[0030]
温度传感器能用于检测三组元氢气、氧气和水在燃烧室内燃烧后高温燃气的温度；根据高温燃气的温度，调整三组元推进剂的喷射量，从而能够模拟不过氧化氢浓度和温度下的分解过程。
[0031]
三组元喷注器、燃烧室和音速喷嘴之间均为密封可拆卸连接。
[0032]
本发明具有如下有益效果：
[0033]
1、本发明能利用氢气，氧气和水的燃烧反应来模拟不同浓度下过氧化氢分解后的高温燃气，能减少催化床性能对于过氧化氢自燃发动机的试验限制，能灵活开展对于发动机内部燃烧流场结构的研究。本发明能在地面实验中代替过氧化氢催化分解的过程，为研究过氧化氢分解后的高温燃气与各种燃料之间的反应提供了非常方便的条件。另外，氧气和氢气为同轴直流剪切喷嘴，水为外环多个对撞。
[0034]
2、本发明出口的高温燃气可以与其他燃料之间发生自燃，从而能将推进剂的氧化剂和氧化剂所要求的无毒、可贮存和可自燃的特性有机的结合在一起，尽可能发挥推进剂的性能，具有极大的推广应用价值。
[0035]
3、本发明方案简单，省去了催化床的复杂的性能探索和结构设计，模拟所用的推进剂在火箭发动机试验中非常常见，推进系统不需要特殊设计。
[0036]
4、本发明不需要改变反应物温度，只需改变三组元的配比即可模拟不同浓度和温度的过氧化氢分解过程。
[0037]
5、本发明能降低试验成本，简化过氧化氢复杂的催化工艺和昂贵的催化剂使用。
[0038]
6、本发明不直接使用高浓度过氧化氢溶液，降低对试验管路的要求，减少对试验管路的试验前清理次数，减少了试验准备时间，提高了试验效率；
[0039]
7、本发明能提高试验的安全性，防止由于过氧化氢发生意外爆炸及着火的概率。
附图说明
[0040]
图1显示了本发明一种模拟过氧化氢分解后高温燃气的装置的结构示意图。
[0041]
图2显示了本发明中对撞水喷孔的平面布设示意图。
[0042]
图3显示了图2中的b-b剖面图。
[0043]
图4显示了图2中的a-a剖面图。
[0044]
其中有：
[0045]
1、氧气集气腔；2、氢气集气腔；3、氢气固定螺栓；4、氢气直流喷嘴；5、氢气喷嘴密封垫；6、水喷嘴；7、燃烧室；8、音速喷嘴；9、火花塞；10、第一固定螺栓；11.第二固定螺栓；12、第一密封垫片；13、第二密封垫片；14、测压孔；601、对撞水喷孔；602、中心通孔。
具体实施方式
[0046]
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0047]
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
[0048]
如图1所示，一种模拟过氧化氢分解后高温燃气的装置，包括同轴依次布设的三组元喷注器、燃烧室7和音速喷嘴8。
[0049]
进一步，三组元喷注器、燃烧室和音速喷嘴之间均为密封可拆卸连接。在本实施例中，三者之间均优选通过固定螺栓和密封垫片进行密封可拆卸连接。其中，三组元喷注器和燃烧室之间优选通过第一固定螺栓10和第一密封垫片12密封可拆卸连接。燃烧室7和音速
喷嘴8之间优选通过第二固定螺栓11和第二密封垫片13密封可拆卸连接。
[0050]
三组元喷注器包括氢喷嘴、氧喷嘴和水喷嘴6。
[0051]
水喷嘴优选呈圆盘形，同轴安装在燃烧室的喷注端，如图2、图3和图4所示，水喷嘴包括中心通孔602、水喷孔、集水腔和进水口。
[0052]
中心通孔同轴设置在水喷嘴的中心。
[0053]
水喷孔具有若干个，沿中心通孔的周向布设；每个水喷孔均通过集水腔与进水口相连通。设水喷孔的数量为2n，其中，n≥1，本实施例中，优选n＝4；则2n个水喷孔形成沿中心通孔周向均匀布设的n组对撞水喷孔601；每组对撞水喷孔中两个水喷孔的相交点均位于燃烧室的中心轴线上。进一步，每个水喷孔的直径均优选为0.6-2.5mm。
[0054]
每组对撞水喷孔中两个水喷孔的撞击角α设置在45-120
°
之间，水喷嘴在氢气和氧气外围，有利于燃烧室壁面的冷却，也有利于水与燃烧后产物的混合。
[0055]
氢喷嘴优选为氢气直流喷嘴4，其一端同轴插设在水喷孔的中心通孔内；氢喷嘴的另一端同轴设置有氢气集气腔2，氢气集气腔用于储存氢气；氢喷嘴的中心同轴设置有与氢气集气腔相连通的氢气喷孔。
[0056]
氧喷嘴包括氧气集气腔1和氧气喷孔。
[0057]
氧气集气腔同轴密封设置在氢气集气腔与水喷嘴之间，用于储存氧气。
[0058]
进一步，氧气集气腔优选呈罩盖型，端盖一方面优选通过氢气喷嘴密封垫5与背离燃烧室一端的氢喷嘴密封安装；另一方面还通过氢气喷嘴密封垫5和氢气固定螺栓3与氢气集气腔密封可拆卸连接。
[0059]
插设在中心通孔内的氢喷嘴外壁面与中心通孔的内壁面之间形成氧气喷孔。
[0060]
燃烧室上设置有火花塞9、测压孔14和测温孔。
[0061]
上述测压孔内安装有压力传感器，用于监测燃烧室的气体压力。
[0062]
上述测温孔内安装有温度传感器，温度传感器能用于检测三组元氢气、氧气和水在燃烧室内燃烧后高温燃气的温度。
[0063]
进一步，上述温度传感器优选设置在燃烧室的后段，靠近出口的位置，测量燃烧反应后段的燃气温度。
[0064]
氧气、氢气和水通过喷注器上的入口进入燃烧室，在燃烧室中进行混合燃烧，后经过音速喷嘴作为过氧化氢双组元发动机中分解后的高温燃气组分。燃烧室是各组元发生燃烧反应的主要位置，采用圆筒型燃烧室的方案，内型面为圆柱。燃烧室中的高温燃气最后经过音速喷嘴出去，音速喷嘴的内型面为先收敛后扩张，可以有效隔绝下游压力波动对燃烧室内部的影响。
[0065]
进一步，本发明能根据高温燃气的温度，调整三组元推进剂的喷射量，从而能够模拟不过氧化氢浓度和温度下的分解过程。
[0066]
一种过氧化氢催化分解后高温燃气的模拟方法，包括如下步骤。
[0067]
步骤1、选择待模拟过氧化氢水溶液中过氧化氢的质量分数a、温度tp和催化分解压强p，a取值范围为60％-100％，tp和p根据过氧化氢水溶液使用条件自由选择。
[0068]
步骤2、计算分解环境压降为p时，过氧化氢质量分数为a的过氧化氢水溶液充分分解后生成的混合物中氧气和水蒸气的质量分数和混合物温度，其中氧气和水蒸气的质量分数分别记为b和1-b，氧气和水蒸气混合物的温度记为t0。
[0069]
取过氧化氢和水的分子量分别为34和18，则过氧化氢质量分数为a的过氧化氢水溶液充分分解化学反应式如公式(1)所示，
[0070][0071]
这样就可以计算得到分解环境压降为p时，过氧化氢质量分数为a的过氧化氢水溶液充分分解产物中氧气质量分数b和水蒸气质量分数(1-b)，以及分解产物温度t0。其中，b与a一一对应，通过公式(2)计算得到，而t0由a、tp和p共同决定。
[0072][0073]
步骤3、计算常温氧气和氢气的质量比c，使得氧气和氢气在质量比c下充分燃烧产物与步骤2中的质量分数为a的过氧化氢水溶液充分分解产物具有完全相同的氧气和水蒸气质量分数。常温氧气和氢气按公式(3)进行充分反应，则有唯一确定的c(c》8)使得公式(3)生成物与步骤2中的质量分数为a的过氧化氢水溶液充分分解产物具有完全相同的氧气和水蒸气质量分数。
[0074][0075]
可见，c与a一一对应，通过公式(4)计算得到。
[0076][0077]
常温氧气和氢气的初始温度分别记为ty和tq，给定ty和tq，可以计算在质量比c和压强p下常温氧气和氢气充分反应生成物的温度t1；根据计算结果，有t1》t0。
[0078]
步骤4、在步骤3中的生成物中添加常温氧气和常温液态水并充分混合形成新的氧气和水蒸气混合物。如公式(5)所示，所添加常温氧气与常温液态水的质量比和步骤2中质量分数为a的过氧化氢水溶液充分分解产物中氧气与水蒸气的质量比相同，均为b：(1-b)；使得本步骤中所生成的新混合物中氧气和水蒸气的质量分数分别为b和1-b；将步骤3中生成物(高温氧气和水蒸气混合物)与本步骤中添加物(质量比率为b：(1-b)的常温氧气和常温液态水)的质量比记为x。常温液态水温度记为tsl。
[0079][0080]
将公式(5)左侧的两项常温氧气合并成一项，整理成公式(6)，公式(6)中反应物为常温氧气、常温氢气和常温液态水，这三种组元的反应系数由a和x共同决定。
[0081][0082]
综合步骤1-4可知，对于任一选定的a，在已知tp、p、ty、tq、tsl的条件下,可以唯一确定t0、t1、b和c，其中，t0和t1通过热力计算方法得到，b和c分别通过公式(2)和(4)计算得到；由于常温氧气和常温液态水的温度均小于t0，即ty《t0,tsl《t0，而t1》t0，可计算得到唯一的x＝d使得本步骤中所生成的新混合物温度等于t0。
[0083]
采用上述方法，过氧化氢分解过程的计算结果如下：
[0084]
表1不同浓度和温度过氧化氢分解结果
[0085][0086]
在已知a、tp、p、ty、tq、tsl的条件下，d通过步骤5计算得到。
[0087]
步骤5，计算d。具体计算方法，包括如下步骤：
[0088]
步骤5a、设定d的初始值为x；
[0089]
步骤5b、按照公式(6)计算三组元反应系数后，采用热力学计算得到三组元反应后燃气温度tx；
[0090]
步骤5c、燃气温度判断：将燃气温度tx与步骤2计算得到的温度t0进行判定；
[0091]
步骤5d、计算最佳x值：当温度tx和温度t0相等或差值在设定的阈值范围之内时，则认为此时的x值为d；否则，调整x值，并重复步骤5b至步骤5d，直至获得最佳d值；
[0092]
计算得到d值后，公式(6)则记为公式(7)。
[0093][0094]
公式(7)中常温氧气、常温氢气和常温液态水的反应系数由a和d计算得到，将这三种组元按该反应系数进行充分燃烧，得到的产物与步骤1中所选择质量分数为a的过氧化氢水溶液充分分解后产物的成分、含量、温度和压强完全相同。
[0095]
步骤6、获取三组元推进剂比例：将a和d代入公式(7)中各组分前系数，进而得到三组元推进剂氢气、氧气和水在初始温度tp时的反应比例值。
[0096]
上述三组元推进剂氢气、氧气和水在初始温度tp时的反应比例值，为量比或质量分数比。
[0097]
本发明利用氢气、氧气和水对上述的结果进行模拟，三组元的初始温度ty、tq、tsl均为300k，模拟结果如下的表2所示：
[0098]
表2三组元模拟过氧化氢分解结果
[0099][0100]
本发明利用三组元模拟过氧化氢完全分解产物。不需要改变反应物温度，改变三组元的比例即可模拟不同浓度和温度过氧化氢分解的结果。
[0101]
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种模拟过氧化氢分解后高温燃气的装置，其特征在于：包括同轴依次布设的三组元喷注器、燃烧室和音速喷嘴；三组元喷注器包括氢喷嘴、氧喷嘴和水喷嘴；水喷嘴同轴安装在燃烧室的喷注端，水喷嘴包括中心通孔、水喷孔、集水腔和进水口；中心通孔同轴设置在水喷嘴的中心；水喷孔具有若干个，沿中心通孔的周向布设；每个水喷孔均通过集水腔与进水口相连通；氢喷嘴的一端同轴插设在水喷孔的中心通孔内；氢喷嘴的另一端同轴设置有氢气集气腔，氢气集气腔用于储存氢气；氢喷嘴的中心同轴设置有与氢气集气腔相连通的氢气喷孔；氧喷嘴包括氧气集气腔和氧气喷孔；氧气集气腔同轴密封设置在氢气集气腔与水喷嘴之间，用于储存氧气；插设在中心通孔内的氢喷嘴外壁面与中心通孔的内壁面之间形成所述的氧气喷孔。2.根据权利要求1所述的模拟过氧化氢分解后高温燃气的装置，其特征在于：设水喷孔的数量为2n，其中，n≥1；则2n个水喷孔形成沿中心通孔周向均匀布设的n组对撞水喷孔；每组对撞水喷孔中两个水喷孔的相交点均位于燃烧室的中心轴线上。3.根据权利要求2所述的模拟过氧化氢分解后高温燃气的装置，其特征在于：每个水喷孔的直径均为0.6-2.5mm。4.根据权利要求2所述的模拟过氧化氢分解后高温燃气的装置，其特征在于：每组对撞水喷孔中两个水喷孔的撞击角α=45-120
°
。5.根据权利要求1所述的模拟过氧化氢分解后高温燃气的装置，其特征在于：燃烧室上设置有测压孔，测压孔安装有压力传感器。6.根据权利要求1所述的模拟过氧化氢分解后高温燃气的装置，其特征在于：燃烧室上设置有测温孔，测温孔内安装有温度传感器。7.根据权利要求6所述的模拟过氧化氢分解后高温燃气的装置，其特征在于：温度传感器能用于检测三组元氢气、氧气和水在燃烧室内燃烧后高温燃气的温度；根据高温燃气的温度，调整三组元推进剂的喷射量，从而能够模拟不过氧化氢浓度和温度下的分解过程。8.根据权利要求1所述的模拟过氧化氢分解后高温燃气的装置，其特征在于：三组元喷注器、燃烧室和音速喷嘴之间均为密封可拆卸连接。

技术总结

本发明公开了一种模拟过氧化氢水溶液分解后高温燃气的装置，包括同轴依次布设的三组元喷注器、燃烧室和音速喷嘴；三组元喷注器包括氢喷嘴、氧喷嘴和水喷嘴；水喷嘴同轴安装在燃烧室的喷注端，水喷嘴包括中心通孔、水喷孔、集水腔和进水口；水喷孔沿中心通孔的周向布设；氢喷嘴的一端同轴插设在水喷孔的中心通孔内；另一端同轴设有氢气集气腔；氢喷嘴的中心同轴设置有与氢气集气腔相连通的氢气喷孔；氧喷嘴包括氧气集气腔和氧气喷孔；氢喷嘴外壁面与中心通孔的内壁面之间形成氧气喷孔。本发明能实现采用氢气、氧气和水三组元模拟过氧化氢的催化分解，且三组元的流量在一定的范围内可调，从而满足模拟不同浓度和温度过氧化氢的催化分解。化分解。化分解。