CN111577482B - 一种抑制燃气发生器积碳的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃气发生器技术领域，提供一种抑制燃气发生器积碳的方法，旨在解决燃气发生器工作产生的积碳严重制约了涡轮泵性能和工作寿命的问题，包括以下步骤：S1、针对燃气发生器的设计工作温度和室压，采用化学平衡计算抑制积碳所需补充水量；S2、燃气发生器喷注盘中心区域的氧化剂与碳氢燃料的喷注比例设计在化学反应恰当量比附近，相应地燃气发生器中心区域判定为高温燃烧区域；S3、确定推进剂喷注盘中心区域的氧化剂与碳氢燃料量，以及外围其余燃料和水的量；S4、向上述高温燃烧区域喷注其余碳氢燃料和液态水以抑制积碳的产生。本发明尤其适用于燃气发生器积碳的抑制，增强燃气发生器寿命和重复使用性，具有较高的使用价值和应用前景。

Description

一种抑制燃气发生器积碳的方法
技术领域
本发明涉及燃气发生器技术领域，具体涉及一种抑制燃气发生器积碳的方法。
背景技术
燃气发生器通过燃烧产生高温高压的燃烧气体，产生的燃气可以作为驱动涡轮的工质。燃气发生器广泛应用于航天火箭发动机中。
由于涡轮泵耐受温度有限，因此使用碳氢燃料如煤油或甲烷作为燃料的燃气发生器，燃烧气体温度一般需要限制在1200K以下，必须采用极端富燃或富氧两种工作模式。
当采用富氧工作模式时，过量的氧气浓度容易腐蚀燃烧室，限制涡轮泵系统的使用寿命；
当采用富燃工作模式时，燃气发生器中的煤油燃烧不充分，在发动机工作的不同阶段均存在积碳问题，出现的积碳一方面会堵塞出口涡轮的流道，使得进入涡轮的燃气流量减小，进而影响涡轮效率和发动机的工作特性；另一方面，富燃燃烧积碳也造成了发生器燃烧效率降低，影响了燃气的做功能力，使得涡轮流量增大，影响了燃料消耗量。
积碳问题严重制约了涡轮泵的性能和工作寿命，为此，我们提出了一种抑制燃气发生器积碳的方法。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种抑制燃气发生器积碳的方法，克服了现有技术的不足，设计合理，结构紧凑，旨在解决燃气发生器工作产生的积碳严重制约了涡轮泵性能和工作寿命的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种抑制燃气发生器积碳的方法，包括以下步骤：
S1、采用化学平衡计算软件CEA，对燃气发生器设计的工作温度和室压工况下抑制积碳所需补充液态水量进行计算；
S2、燃气发生器推进剂喷注盘中心区域的氧化剂与碳氢燃料的喷注比例设计在化学反应恰当量比附近，相应地燃气发生器中心区域判定为碳氢燃料与氧化剂高温燃烧区域；
S3、根据上述S1和S2计算的碳氢燃料、氧化剂和水的比例，确定推进剂喷注盘上中心区域的氧化剂与碳氢燃料量，以及外围其余燃料和水的量；
S4、向上述高温燃烧区域喷注其余的碳氢燃料以及计算出的液态水以抑制积碳的产生；
其中，步骤S4中，喷注的碳氢燃料以及液态水在空间上分布交错，使碳氢燃料与液态水在空间上均匀分布。
优选的，所述步骤S4中，碳氢燃料和液态水的喷注方式为自上而下喷嘴喷注，且燃料喷嘴和液态水喷嘴在空间上交错分布。
优选的，所述步骤S4中，碳氢燃料和液态水的喷注方式为自上而下喷嘴喷注，且燃料喷嘴和液态水喷嘴射流互击后进入高温燃烧区。
优选的，所述步骤S1中，燃烧室温度为1100-1400K，室压为1-5MPa，所需补充液态水量占碳氢燃料和液态水总量的比例为10-50％。
优选的，所述步骤S3中，抑制积碳所补充的液态水量与燃烧室高温燃烧区域的燃烧温度呈反比，与燃烧室高温燃烧区域的压力呈正比。
优选的，所述步骤S1中，燃烧室内的氧化剂为液氧，碳氢燃料为液态Jet煤油、RP煤油及甲烷中的一种。
优选的，所述步骤S2中，燃气发生器中心燃烧区域为碳氢燃料与氧化剂近似恰当量比反应区域，燃烧温度为3000±300K。
(三)有益效果
本发明实施例提供了一种抑制燃气发生器积碳的方法，具备以下有益效果：
通过液态水从周围向燃气发生器燃烧室的高温区同时喷注，喷注的液态水有效的抑制积碳的产生，同时均匀喷注的液态水与高温燃气充分掺混，尽量达到分子量级混合，使模式下产生的碳原子能够快速地、进一步与水反应生成氢气和一氧化碳及二氧化碳，提高抑制积碳效果。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种抑制燃气发生器积碳的方法的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1为本发明中燃烧室的碳氢燃料、液氧和液态水质量比例示意图；
图2为本发明中燃烧的产物浓度分布图；
图3为本发明中产物含碳质量比为0.1％时，不同燃烧温度所需最小补充液态水量的示意图；
图4为本发明实施例2中碳氢燃料和液态水的喷嘴分布示意图；
图5为本发明实施例2中碳氢燃料和液态水的喷注示意图；
图6为本发明实施例3中碳氢燃料和液态水的喷嘴分布示意图；
图7为本发明实施例3中碳氢燃料和液态水的喷注示意图。
具体实施方式
下面结合附图1-7和实施例对本发明进一步说明：
实施例1
一种抑制燃气发生器积碳的方法，包括以下步骤：
S1、采用化学平衡计算软件CEA，对燃气发生器设计的工作温度和室压工况下抑制积碳所需补充液态水量进行计算；
参照附图1，在燃气发生器的燃烧室燃烧温度1300K，室压2MPa，反应物中碳氢燃料、液氧和液态水的质量比例，其中图中横坐标为碳氢燃料的质量百分比，纵坐标为液氧和液态水占总反应物的质量比，可以看出，对应同一个燃烧温度，反应物比例有不同组合，碳氢水占比可以从0-50％范围内变化，因此需要先确定精确的燃烧室燃烧温度和室压；
S2、燃气发生器推进剂喷注盘中心区域的氧化剂与碳氢燃料的喷注比例设计在化学反应恰当量比附近，相应地燃气发生器中心区域判定为碳氢燃料与氧化剂高温燃烧区域；
S3、根据上述S1和S2计算的碳氢燃料、氧化剂和水的比例，确定推进剂喷注盘上中心区域的氧化剂与碳氢燃料量，以及外围其余燃料和水的量；
参照附图2，反应物比例不同，它们的产物浓度分布也不同，燃料质量百分比超过40％，产物中就会出现碳颗粒，如果没有添加水，产生的碳颗粒的质量占产物百分比达25％，结合附图2，可以发现反应中水含量超过约18％时，积碳可以被抑制。
S4、向上述高温燃烧区域喷注其余的碳氢燃料以及计算出的液态水以抑制积碳的产生；
其中，步骤S4中，喷注的碳氢燃料以及液态水在空间上分布交错，使碳氢燃料与液态水在空间上均匀分布。
本实施例中，如附图3所示，所述步骤S3中，燃烧室的温度为1100-1400K，室压为1-5MPa，通过化学平衡计算软件CEA进行计算分析，结果显示所需补充液态水量占碳氢燃料和液态水总量的比例为10-50％，参照附图3，不同燃烧温度，产物含碳量为0.1％时所需补充水的量，此处需要指出的是，这里的含水百分比为补水量占燃料和水总量的比例，可以配合进行抑制积碳所需补充液态水量进行计算。
本实施例中，所述步骤S3中，抑制积碳所补充的液态水量与燃烧室高温燃烧区域的燃烧温度呈反比，与燃烧室高温燃烧区域的压力呈正比，可知，随着燃烧室高温燃烧区域的燃烧温度升高，所补充的液态水量减少，随着燃烧室高温燃烧区域的压力增高，所补充的液态水量随之增加。
本实施例中，所述步骤S1中，燃烧室内的氧化剂为液氧，液氧是氧气在液态状态时的形态，在航天、潜艇和气体工业上有重要应用，是非常强的氧化剂，可以保证有机物在液氧中剧烈燃烧；碳氢燃料为液态Jet煤油、RP煤油及甲烷中的一种，其均具有密度适宜，热值高，燃烧性能好的优点，能迅速、稳定、连续燃烧。
本实施例中，所述步骤S2中，燃气发生器中心燃烧区域为碳氢燃料与氧化剂近似恰当量比反应区域，燃烧温度为3000±300K。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，如图4-5所示，所述步骤S4中，碳氢燃料和液态水的喷注方式为自上而下喷嘴喷注，且燃料喷嘴和液态水喷嘴在空间上交错分布，图中，A1为碳氢燃料与液氧同轴旋流喷嘴，B1为补充燃料直流喷嘴，C1为液态水直流喷嘴，使碳氢燃料与液态水能够在空间上均匀分布，模式下产生的碳原子能够快速地、进一步与水反应生成氢气和一氧化碳及二氧化碳，减少积碳的产生。
其他未描述步骤参照实施例1。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，如图5-6所示，所述步骤S4中，碳氢燃料和液态水的喷注方式为自上而下喷嘴喷注，且燃料喷嘴和液态水喷嘴射流互击后进入高温燃烧区，图中，A2为碳氢燃料与液氧同轴旋流喷嘴，B2为补充燃料直流喷嘴，C2为液态水直流喷嘴，补充燃料和液态水射流互击后与高温燃气充分掺混，尽量能够达到分子量级混合，使模式下产生的碳原子能够快速地、进一步与水反应生成氢气和一氧化碳及二氧化碳，减少积碳的产生。
其他未描述步骤参照实施例1。
根据本发明上述实施例的抑制燃气发生器积碳的方法，结合附图1-3基于反应平衡的数据分析，考虑到燃气发生器燃烧室中的燃烧存在反应不充分问题，实际设计比涡轮泵实际耐受温度偏高几十到一百K，加水量可以根据提高的温度量进行适应性调整，以保证达到最佳积碳抑制效果；
其中，K为热力学温标，又称开氏温标。
本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种抑制燃气发生器积碳的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用化学平衡计算软件CEA，对燃气发生器设计的工作温度和室压工况下抑制积碳所需补充液态水量进行计算；
S2、燃气发生器推进剂喷注盘中心区域的氧化剂与碳氢燃料的喷注比例设计在化学反应恰当量比附近，相应地燃气发生器中心区域判定为碳氢燃料与氧化剂高温燃烧区域；
S3、根据上述S1和S2计算的碳氢燃料、氧化剂和水的比例，确定推进剂喷注盘上中心区域的氧化剂与碳氢燃料量，以及外围其余燃料和水的量；
S4、向上述高温燃烧区域喷注其余的碳氢燃料以及计算出的液态水以抑制积碳的产生；
其中，步骤S4中，喷注的碳氢燃料以及液态水在空间上分布交错，使碳氢燃料与液态水在空间上均匀分布。
2.如权利要求1所述的一种抑制燃气发生器积碳的方法，其特征在于：所述步骤S4中，
碳氢燃料和液态水的喷注方式为自上向下喷嘴喷注，且燃料喷嘴和液态水喷嘴在空间上交错分布。
3.如权利要求1所述的一种抑制燃气发生器积碳的方法，其特征在于：所述步骤S4中，
碳氢燃料和液态水的喷注方式为自上向下喷嘴喷注，且燃料喷嘴和液态水喷嘴射流互击后进入高温燃烧区。
4.如权利要求1所述的一种抑制燃气发生器积碳的方法，其特征在于：所述步骤S1中，
燃烧室温度为1100-1400K，室压为1-5MPa，所需补充液态水量占碳氢燃料和液态水总量的比例为10-50％。
5.如权利要求1所述的一种抑制燃气发生器积碳的方法，其特征在于：所述步骤S3中，
抑制积碳所补充的液态水量与燃烧室高温燃烧区域的燃烧温度呈反比，与燃烧室高温燃烧区域的压力呈正比。
6.如权利要求1所述的一种抑制燃气发生器积碳的方法，其特征在于：所述步骤S2中，
燃烧室内的氧化剂为液氧，碳氢燃料为液态Jet煤油、RP煤油及甲烷中的一种。
7.如权利要求1所述的一种抑制燃气发生器积碳的方法，其特征在于：所述步骤S2中，
燃气发生器中心燃烧区域为碳氢燃料与氧化剂近似恰当量比反应区域，燃烧温度为3000±300K。
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