CN108915895B - 一种低温旋风燃气发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温旋风燃气发生器，包括依次连接的燃烧室、导流室和除尘室，燃烧室内安装有固体推进剂，导流室内安装有导流叶片，除尘室中轴线上安装有升气管，升气管连接喷嘴。本发明利用离心分离原理，使低燃温推进剂在燃烧过程中释放的固体颗粒物在燃气发生器内部被捕集，净化后的燃气由喷嘴排出；不会融化高温合金材料；残渣质量分数从16%降到2%以下，燃气温度低，保护下游精密设备；药型、结构尺寸可根据输入参数调整。本发明具有结构简单，耐高温，低成本，效率高，寿命长、可反复使用等特点。

Description

一种低温旋风燃气发生器

技术领域

本发明属于固体火箭发动机技术领域，具体涉及一种低温旋风燃气发生器。

背景技术

低燃温固体推进剂普遍存在药柱不完全燃烧的现象，导致排出的燃气中夹杂大量固体颗粒物（主要为碳粉），容易堵塞和损坏下游设备，比如液体火箭发动机中的涡轮叶片、姿轨控发动机中的燃气阀等。目前，燃气发生器或者固体火箭发动机的燃气过滤所采取的主要方式为滤网，该方式过滤效率低，且容易发生堵塞和烧穿等故障。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种低温旋风燃气发生器，可除去燃气中的固体颗粒物，达到保护下游设备的目的。

本发明所采取的技术方案是，一种低温旋风燃气发生器，其特征在于，包括依次连接的燃烧室、导流室和除尘室，燃烧室内安装有推进剂，导流室内安装有导流叶片，除尘室中轴线上安装有升气管，升气管连接喷嘴。

优选方案中，所述除尘室为锥筒结构，其横截面大直径端与导流室连接；升气管的起始端位于导流室和除尘室连接处，另一端远离除尘室反向延伸，经导流室和燃烧室中心穿出后连接喷嘴。

进一步地，所述锥筒结构横截面小直径端连通灰斗。

进一步地，所述导流室和除尘室之间还设有直筒段。

另一方案中，所述除尘室为直筒结构，升气管安装在除尘室远离导流室和燃烧室的一端。

进一步地，上述导流叶片为多片，均匀固定安装在导流室内部。

进一步地，所述导流叶片为3-48片。

进一步地，所述导流叶片的导向角为6-45°。

进一步地，所述导流室外部安装有散热片。

进一步地，所述推进剂的燃温小于1300K。

在工作过程中，利用点火器点燃推进剂，产生大量燃气；燃气流流入导流室，通过导流叶片之后，方向发生改变，产生旋流；在旋流中，固体颗粒物在离心力的作用下被“甩”壁面，碰撞到壁面的颗粒视为被捕集，从而形成洁净燃气；洁净燃气则经过升气管排出。

本发明利用离心分离原理，使低燃温推进剂在燃烧过程中释放的固体颗粒物在燃气发生器内部被捕集，净化后的燃气由喷嘴排出；不会融化高温合金材料；残渣质量分数从16%降到2%以下，燃气温度低，保护下游精密设备；药型、结构尺寸可根据输入参数调整。本发明具有结构简单，耐高温，低成本，效率高，寿命长、可反复使用等特点。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图。

图2为实施例1中气流运动轨迹示意图。

图3为叶片结构示意图。

图4为实施例2的结构示意图。

图5为实施例2的气流运动轨迹示意图。

具体实施方式

下面结合实施例来进一步说明本发明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

实施例1：

如图1-3所示， 一种低温旋风燃气发生器，包括依次连接的燃烧室1、导流室2和除尘室3，燃烧室内安装有固体推进剂4，导流室内安装有导流叶片5，除尘室中轴线上安装有升气管6，升气管连接喷嘴7。所述除尘室为锥筒结构，其横截面大直径端与导流室连接；升气管的起始端位于导流室和除尘室连接处，另一端远离除尘室反向延伸，经导流室和燃烧室中心穿出后连接喷嘴。

进一步优选的方案中，所述锥筒结构横截面小直径端连通灰斗8，用于收集除尘室内捕集的收集固体颗粒物。

所述导流室和除尘室之间还设有直筒段9，使得颗粒在径向方向不断向壁面移动。

优选的方案中，还可以在导流室外部安装有散热片。用于降低燃气温度。

进一步地，所述导流叶片为3-48片，均匀固定安装在导流室内部。所述导流叶片的导向角为6-45°。导流室直径为100mm，导向角为15°，直筒段长度在60mm ，锥段长200mm时，可分离最小颗粒直径为2微米，总分离效率达到85%以上。

在本实施例中，燃烧室内的推进剂，通过点火器点燃后可以提供燃气发生器的燃气来源。导流室的导流叶片：用于改变气流方向，产生螺旋流场。除尘室：在旋流中，固体颗粒物在离心力的作用下被“甩”壁面，碰撞到壁面的颗粒视为被捕集；当采用锥形结构时，用于减小旋流半径，从而增大固体颗粒物离心力，使其贴壁运动到灰斗中，通过升气管作为洁净燃气流动通道，喷嘴为气流出口，可加速气流，并将气体导流到下游设备。

在工作过程中，点火器点燃推进剂，产生大量燃气；燃气流流入导流室，通过导流叶片之后，方向发生改变，产生旋流；在除尘室中，固体颗粒物在离心力的作用下被“甩”壁面，碰撞到壁面的颗粒视为被捕集，沿锥面进入灰斗中；洁净燃气则经过升气管排出，导流叶片改变气流方向，产生螺旋流场，使含颗粒气流产生旋转运动，将细小固体颗粒物“甩”向边壁，然后通过边壁将已分离的颗粒导入灰斗。气流在该装置中的运动轨迹如图2所示。叶片结构如图3所示。推进剂燃烧产生大量气体充满装置内腔，在该工况下，气体为可压缩气体。气流经过叶片时改变流动方向，同时加速，因此可通过调整药柱燃烧面积、叶片大径D、升气管直径d、叶片转弯角度α等参数，设计出合理的叶片出口气流速度，满足不同要求。

实施例2：

如图4-5所示，一种低温旋风燃气发生器，包括依次连接的燃烧室1、导流室2和除尘室3，燃烧室内安装有推进剂4，导流室内安装有导流叶片5，除尘室中轴线上安装有升气管6，升气管连接喷嘴7。所述除尘室为直筒结构，升气管安装在除尘室远离导流室和燃烧室的一端。

进一步地，所述导流叶片为3-48片，均匀固定安装在导流室内部。所述导流叶片的导向角为6-45°。导流室直径为140mm，导向角为10°，直筒段长度在200mm 时可分离最小颗粒直径为2微米，总分离效率达到80%以上。

优选的方案中，还可以在导流室外部安装有散热片。用于降低燃气温度。若工作时间较长，还可以通过增加叶片数量和长度，来降低出口燃气的温度，同时降低材料温度，增加强度。

在工作过程中，点火器点燃推进剂，产生大量燃气；燃气流流入导流室，通过导流叶片之后，方向发生改变，产生旋流；在除尘室中，固体颗粒物在离心力的作用下被“甩”灰斗的壁面，碰撞到壁面的颗粒视为被捕集；洁净燃气则经过升气管排出。

实施例1的结构较为细长，加上直筒段和锥形除尘室结构，有效提高了颗粒的收集效率，同时设置灰斗，防止已被收集的颗粒被气流二次携带，降低反混现象。但是，由于设置灰斗，以及升气管较长，导致该燃气发生器质量较大。该实施例适用于内孔两端燃烧的推进剂药型，或者要求燃气发生器外部尺寸为细长型的情况。

实施例2由于采用端燃药型，取消灰斗结构，因此长度相对较短，结构更紧凑，质量较轻；但是，由于没有灰斗，颗粒到达除尘室底部末端滞后容易被燃气二次携带，影响效率。该实施例适用于端燃药型，或者对燃气发生器外部空间有严格要求，以及对质量要求较高的情况。

本发明中，将推进剂直接放入燃烧室内，所述推进剂的燃温小于1300K。关于承受高温的问题，我厂试验用112发动机的壳体材料使用的是45号钢（燃烧室内壁面没有设置绝热层），该材料属于常温钢。根据以往多次试验结果，该发动机在燃气温度3000K以上时可正常工作5-8秒，本发明中的燃烧室使用耐高温材料，如2Cr25Ni20、0Cr25Ni20、2Cr25N、2Cr13等，材料本身可耐温1000℃以上；另外在工作过程中，由于气流速度较低，燃气与壳体之间本身对流换热量并不高，而且在壳材料内部的导热属于瞬态换热，可控制燃气发生器工作时间，使其工作结束之前，壳体温度不会达到材料所能承受的极限，另外一方面，推进剂药柱本身具有良好的隔热特性，可阻隔对应区域换热。

为了保证导流叶片内气流速度稳定，达到最高的除尘效率，要求燃烧过程中内弹道曲线尽量水平，即燃面恒定，因此药柱最好涉及成内孔两端燃烧药型，或者端燃药型。为了增加推进剂药柱与壳体的粘接性能，药柱采用贴壁浇注方式。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低温旋风燃气发生器，其特征在于，包括依次连接的燃烧室、导流室和除尘室，燃烧室内安装有固体推进剂，固体推进剂的燃温小于1300K；导流室内安装有导流叶片，除尘室中轴线上安装有升气管，升气管连接喷嘴；所述除尘室为锥筒结构，其横截面大直径端与导流室连接；升气管的起始端位于导流室和除尘室连接处，另一端远离除尘室反向延伸，经导流室和燃烧室中心穿出后连接喷嘴；所述锥筒结构横截面小直径端连通灰斗；导流室和除尘室之间还设有直筒段。

2.一种低温旋风燃气发生器，其特征在于，包括依次连接的燃烧室、导流室和除尘室，燃烧室内安装有固体推进剂，固体推进剂为端燃药型，燃温小于1300K；导流室内安装有导流叶片，除尘室中轴线上安装有升气管，升气管连接喷嘴；所述除尘室为直筒结构，升气管安装在除尘室远离导流室和燃烧室的一端。

3.根据权利要求1或2所述的低温旋风燃气发生器，其特征在于：所述导流叶片为多片，均匀固定安装在导流室内部。

4.根据权利要求3所述的低温旋风燃气发生器，其特征在于：所述导流叶片为3-48片。

5.根据权利要求3所述的低温旋风燃气发生器，其特征在于：所述导流叶片的导向角为6-45°。

6.根据权利要求1或2所述的低温旋风燃气发生器，其特征在于：所述导流室外部安装有散热片。

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