CN104329655A - 一种用于提供引射工质的燃气发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于提供引射工质的燃气发生器。不同于传统的燃气发生器，该燃气发生器采用液氮作为掺混工质，提高了燃气发生器产生的引射工质的引射效率。该燃气发生器由头部(1)、身部(2)和深入喷嘴(3)组成。氧化剂和燃料从头部进入后通过喷嘴进入燃烧室(4)掺混燃烧，和身部注入的液氮掺混，产生引射工质。

Description

一种用于提供引射工质的燃气发生器

技术领域

本发明涉及一种用于提供引射工质的燃气发生器，作用是给引射器供应工作介质。

背景技术

引射器又叫做引射泵或喷射泵，作用是抽真空，它需要外能源来驱动，该能源的载体为引射工质。引射工质来源一般有：压缩空气、锅炉加热产生高压蒸汽、燃气发生器生成蒸汽。

其中以燃气发生器产生引射工质的速度最快，可以持续供应引射工质，所以燃气发生器一般用于需要大量供应引射工质的领域。传统的燃气发生器利用燃烧产生高压高温燃气，与混合室内掺混的冷却水混合，冷却水受热蒸发，产生引射工质。比如美国A3试验台的燃气发生器采用异丙醇和液氧作为燃料与氧化剂，然后和水混合产生单台80kg/s左右的引射工质。

受现有技术限制，单台燃气发生器的引射工质供应量有限，而引射气需要的引射工质的量非常巨大，就需要多台燃气发生器并联工作，带来系统的可靠性就大幅下降。以美国A3试验台为例，引射器由流量为2177.28kg/s的过热蒸汽驱动，过热蒸汽由27台液氧/异丙醇化学蒸汽发生器生成，所以提高单台燃汽发生器的引射能力、减小并联规模、提高技术可靠性非常必要。

发明内容

(1)要解决的技术问题

传统的燃气发生器利用氧化剂与燃料在燃烧室内燃烧产生高温高压蒸汽导入混合室内，与混合室内掺混的冷却水混合，冷却水受热蒸发为过热蒸汽。作为引射器的工作介质，这种方法可以长时间供应大流量的蒸汽。考虑到水在汽化时的吸收的热量很高，定压比热也较高，作为一种冷却工质这种特性是很好的，但作为引射工质大量的化学能转化为了内能是一种潜在的浪费。

本发明的目的是针对传统燃气发生器的该缺陷，来提高传统燃气发生器产生引射工质的引射效率。

(2)技术方案

本发明利用液氮气化潜热和比热都比水低的特点，利用液氮来代替水作为燃气发生器的掺混工质。根据上述理由，如果燃料、氧化剂不变化，最终引射工质的温度也相同，燃气中能够掺混更多的掺混工质，引射工质的量大幅增加了。

实际上更加有利的是，当采用水作为掺混工质时，为防止水在引射器中冷凝，引射工质温度一般在300℃左右。而当氮气作为掺混工质时，只需要避免引射工质中燃料和氧化剂产生的水在其分压下冷凝，所以可以低于100℃，液氮的掺混量可以进一步的增加，从而引射工质的量更大了。

燃料和氧化剂以酒精-液氧为例，通过计算发现，采用液氮掺混生成的引射工质的质量约为掺混水的引射工质6.44倍。

但引射器的性能，除了和引射工质的质量有关，还有引射工质的物理性质有很大的关系，液氮掺混后单位质量的引射工质的性能有所下降。

通过将改进后的燃气发生器和传统燃气发生器对比计算，当不存在二次流时，单台燃气发生器的引射效率提高并没有达到传统燃气发生器的6.44倍，而是约3倍左右。受益于氮气的性质，采用液氮作为掺混工质，比采用水作为掺混工质得到更高的极限真空度。采用该方式产生的引射工质温度降低，避免了采用昂贵的高温蒸汽管道进行蒸汽输送。

当带有二次流的超超引射，二次流一致时，两种方式的压缩比相当，但液氮掺混工作范围更宽，仍然满足上述3倍的关系。当燃料和氧化剂有所变化时该特性在趋势上是一致的，即采用液氮作为掺混工质的燃气发生器引射效率更高。

该燃气发生器由头部(1)、身部(2)和深入喷嘴(3)组成。氧化剂和燃料从头部进入后通过喷嘴进入燃烧室(4)掺混燃烧。身部由内外套筒和外套筒组成。

身部的特点是内外套筒之间具有缝隙，液氮从身部后端入口(c)进入；

内套筒前端壁面开小孔，通过小孔向燃烧室喷入液氮，壁面小孔喷入液氮除对燃烧室壁面冷却和生成引射介质外，还兼顾后端安装的深入喷嘴前的热环境，对深入喷嘴起到热防护作用；

内套筒后端安装有深入喷嘴，其安装特点是：从燃烧室前端至后端，深入喷嘴的深入长度逐渐增加，安装在前端的深入喷嘴喷入液氮后降低引射介质温度，利于后端深入喷嘴的热防护，后端深入喷嘴的逐步深入更有利于引射介质快速均匀生成；各圈深入喷嘴错列布置，利于液氮的快速蒸发与引射介质的温度均匀性。

深入喷嘴的特点是深入喷嘴呈锥形，筒壁三个方向和端面开孔，随液氮的喷入流道逐步减小，相比圆柱形喷嘴，锥形喷嘴可以减少受热面积，有利于热防护，对燃气发生器内流道面积的影响也减小。深入喷嘴壁面的喷注孔中，其中一排开口朝向燃气发生器喷注面板，反向喷入热燃气，与热燃气掺混产生较低温度引射介质，同时对深入喷嘴进行热防护；另外两圈孔开孔在燃气发生器径向平面上，沿燃气发生器周向喷入燃气发生器内，与热燃气掺混形成引射介质；深入喷嘴端面开孔喷入中心燃气流，与中心热燃气掺混。

深入喷嘴筒壁开孔直径的特点是，离燃气发生器壁面越远，孔径越大，喷入的液氮量越大，使燃气发生器出口的引射介质温度尽可能的均匀。

附图说明

附图是本发明燃气发生器的原理示意图。

(a)氧化剂入口

(b)燃料入口

(c)液氮入口

(1)头部

(2)身部

(3)深入喷嘴

(4)燃烧室

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。

以某单级引射器为例，原来需要3台燃气发生器，酒精流量2.38kg/s，液氧流量4.9670kg/s，掺混的水流量19.7kg/s，产生的引射工质温度为573K。

将3台传统燃气发生器更换成1台以液氮作为掺混工质的燃气发生器。将2.38kg/s酒精通过燃料入口(b)和4.9670kg/s液氧通过氧化剂入口(a)通入燃烧室(4)。将126.8kg/s液氮通过液氮入口(c)作为掺混工质加入该高温高压的燃气中，产生引射工质流量为134.14kg/s，温度为361.4K，恰好避免引射工质中的水蒸气冷凝。最终产生的引射工质，通过燃气管道，提供给该引射器，极限真空压力为3261.3Pa，比采用冷却水掺混能够得到的最小极限真空压力还要低969Pa。当带有二次流的超超引射，二次流一致时，两种方式的压缩比相当，但液氮掺混工作范围更宽。

Claims (6)

1.一种用于提供引射工质的燃气发生器，其特征在于：由头部、身部和深入喷嘴组成，采用液氮作为掺混工质，液氮的掺混比例按照掺混后“使得引射工质中的水在其分压下不会冷凝”来计算。 

2.根据权利要求1的燃气发生器，其特征在于：其身部内外套筒之间具有缝隙，液氮从身部后端入口进入。

3.根据权利要求1的燃气发生器，其特征在于：内套筒前端壁面开小孔，通过小孔向燃烧室喷入液氮，壁面小孔喷入液氮除对燃烧室壁面冷却和生成引射介质外，还兼顾后端安装的深入喷嘴前的热环境，对深入喷嘴起到热防护作用。 

4.一种用于提供引射工质的燃气发生器，其特征在于：内套筒后端安装有深入喷嘴，从燃烧室前端至后端，深入喷嘴的深入长度逐渐增加，安装在前端的深入喷嘴喷入液氮后降低引射介质温度，利于后端深入喷嘴的热防护，后端深入喷嘴的逐步深入更有利于引射介质快速均匀生成；各圈深入喷嘴错列布置，利于液氮的快速蒸发与引射介质的温度均匀性。 

5.一种用于提供引射工质的燃气发生器的深入喷嘴，其特征在于：深入喷嘴呈锥形，筒壁三个方向和端面开孔，随液氮的喷入流道逐步减小，相比圆柱形喷嘴，锥形喷嘴可以减少受热面积，有利于热防护，对燃气发生器内流道面积的影响也减小。深入喷嘴壁面的喷注孔中，其中一排开口朝向燃气发生器喷注面板，反向喷入热燃气，与热燃气掺混产生较低温度引射介质，同时对深入喷嘴进行热防护；另外两圈孔开孔在燃气发生器径向平面上，沿燃气发生器周向喷入燃气发生器 内，与热燃气掺混形成引射介质；深入喷嘴端面开孔喷入中心燃气流，与中心热燃气掺混。 

6.一种用于提供引射工质的燃气发生器的深入喷嘴，其特征在于：筒壁开孔直径离燃气发生器壁面越远，孔径越大，喷入的液氮量越大，使燃气发生器出口的引射介质温度尽可能的均匀。