CN217898034U - 一种模块化分区网状催化剂床结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及单组元推力室催化剂床技术领域，尤其是指一种模块化分区网状催化剂床结构，该模块化分区网状催化剂床结构，包括：床载体，若干分区隔板及网盖；分区隔板位于床载体内部，若干分区隔板形成装填腔，装填腔用于装填催化剂，网盖与床载体的上表面连接，床载体、分区隔板及网盖均为镂空结构。本实用新型通过此催化剂床结构替代传统人工“敲、压、听”的装填方式，以更高质高效的方式装填催化剂，形成模块化的催化剂床，以满足对单组元推力室大批量产的要求，同时此结构也创新性解决数百牛、千牛量级单组元推力室长时间、多次重复起动工作时的稳定性，显著提升了大推力单组元推力室工作可靠性。

Description

一种模块化分区网状催化剂床结构

技术领域

本实用新型涉及单组元推力室催化剂床技术领域，尤其是指一种模块化分区网状催化剂床结构。

背景技术

单组元液体火箭发动机通过推进剂与催化剂快速催化分解为高温的混合气体，然后高温混合气体经喷管膨胀产生推力。推力室的分解室在起动及工作过程中，内部的颗粒状催化剂承受着高温、高压及局部剧烈的爆炸式分解力热作用，如果催化剂装填不够紧实，催化剂床极易产生松动和空穴，进而导致推力室出现压力峰和压力振荡。因此催化剂的装填质量对推力室的性能及结构可靠性有着非常大的影响。

传统圆柱形腔体装填结构在催化剂装填效率方面和工作稳定性方面存在以下缺点：

效率方面：催化剂粒子多为球形或圆柱型的小型颗粒，装填催化剂时为了保证装填质量，要求催化剂颗粒之间无间隙，连接紧密，这就需要通过工装及外力对催化剂进行夯实，而采用机械方式进行强行挤压易导致催化剂破损，一旦催化剂破损将严重影响发动机的工作性能及寿命，所以传统人工装填催化剂是将推力室放置于特定的工装上使推力室能平置固定于桌面上，然后将隔板放置于推力室后床，将称重后的催化剂一层一层的装填，不断敲击推力室外壁或敲击压实催化剂的工装使催化剂装填紧实，这种装填方法导致只能采用有丰富经验的熟练技术工人逐台进行称重、装填和敲击振实的方法进行装填，才能保证产品质量。

人工装填首先产生的问题就是效率低，由于催化剂易吸湿、氧化的特性对装填环境要求较高，所以效率低导致成本大大增加；其次，人工装填催化剂对装填人员的要求较高，装填人员需要具备丰富的经验来判断装填质量是否达标，这就导致不同人员装填的质量参差不齐。该装填方法生产效率严重依赖工人经验和技术水平，已难以适应商业航天低成本、高效和大批量产品化生产模式。

在稳定性方面：以双层催化剂床结构为例，催化剂床分成前床和后床，传统结构是在前床和后床分别放置不同隔板以达到对催化剂隔离和支撑的作用，由于推力室启动时隔板在恶劣的环境下工作，在试车前后会出现隔板因热变形而歪斜或催化剂的破碎产生空穴，导致推力室工作中出现压力尖峰和推进剂粗糙分解，导致推力室工作稳定性下降。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种模块化分区网状催化剂床结构。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

本实施例提供了一种模块化分区网状催化剂床结构，包括：床载体，若干分区隔板及网盖；若干所述分区隔板位于所述床载体内部，若干所述分区隔板形成装填腔，所述装填腔用于装填催化剂，所述网盖与所述床载体的上表面连接，所述床载体、分区隔板及网盖均为镂空结构。

其进一步技术方案为：若干所述分区隔板与床载体为一体成型结构。

其进一步技术方案为：所述镂空结构由若干个镂空孔组合形成。

其进一步技术方案为：所述镂空孔为六边形状或圆形状或菱形状。

其进一步技术方案为：所述镂空孔的孔径小于催化剂颗粒的直径。

其进一步技术方案为：所述床载体为圆柱状。

其进一步技术方案为：若干所述分区隔板呈一周六径分布于所述床载体内部。

其进一步技术方案为：若干所述分区隔板呈两横两纵分布于所述床载体内部。

其进一步技术方案为：所述网盖与所述床载体的上表面通过点焊固定。

本实用新型与现有技术相比的有益效果是：提供模块化分区网状催化剂床结构，通过此催化剂床结构替代传统人工“敲、压、听”的装填方式，以更高质高效的方式装填催化剂，形成模块化的催化剂床，以满足对单组元推力室大批量产的要求，同时此结构也保证了中、大推力级单组元推力室的催化剂床能长时间、多次重复起动时工作的稳定性，提升了推力室工作的可靠性。

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步描述。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的模块化分区网状催化剂床结构的示意图；

图2为本实用新型提供的镂空结构的示意图；

图3为本实用新型提供的若干分区隔板分布的示意图一；

图4为本实用新型提供的若干分区隔板分布的示意图二；

图5为本实用新型提供的模块化分区网状催化剂床结构的装填方法的流程示意图；

图6为本实用新型提供的模块化分区网状催化剂床结构的装填方法的应用场景示意图一；

图7为本实用新型提供的模块化分区网状催化剂床结构的装填方法的应用场景示意图二。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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实用新型和简化描述，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，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。

如图1至图4所示，本实用新型公开了一种模块化分区网状催化剂床结构的具体实施例，包括：床载体10，若干分区隔板20及网盖30；若干所述分区隔板20位于所述床载体10内部，若干所述分区隔板20形成装填腔40，所述装填腔40用于装填催化剂，所述网盖30与所述床载体10的上表面连接，所述床载体10、分区隔板20及网盖30均为镂空结构50。

具体地，通过若干分区隔板20位于床载体10内部，若干分区隔板20形成装填腔40，装填腔40用于装填催化剂，通过提供模块化分区网状催化剂床结构和装填方案，此装填方案替代传统人工“敲、压、听”的装填方式，以更高质高效的方式装填催化剂，形成模块化的催化剂床，以满足对单组元推力室大批量产的要求，同时此结构也保证了中、大推力级单组元推力室的催化剂床能长时间、多次重复起动时工作的稳定性，提升了推力室工作的可靠性。

如图1至图2所示，若干所述分区隔板20与床载体10为一体成型结构。

具体地，在本实施例中，若干分区隔板20与床载体10为3D打印一体式成型结构，形成一种一体式分区隔板催化剂床结构，将传统的催化剂床和隔板进行一体化设计，同时在催化剂床内部设置分区隔板，所有壁面均为三维多孔镂空结构，此结构为全3D打印一体成型，然后通过机械震动的方式进行催化剂装填，形成催化剂装填模块化的独立装填方案。3D打印工艺目前能形成的最小壁厚为0.1mm，最小孔径0.3mm，镂空孔径的选取可根据催化剂颗粒直径进行设计，以适应不同的应用场景。

具体地，一体化隔板分区设计，随着推力室推力的增大，分区对工作稳定性作用越明显，对百牛级推力的推力室工作稳定性方面具有显著作用，对于千牛级大推力的推力室而言，在提升工作稳定性方面更具有工程实际意义。此一体化结构适用性强，结合3D打印生产工艺简单，供应可靠，对不同尺寸、不同推力的单组元推力室，仅需对打印结构的尺寸根据推力室的分解室进行调整便可适用；对目前常用催化剂床结构的推力室，如单层催化剂床、双层催化剂床均适用。

具体地，各分区流强相同，各分区交接位置大于等于催化剂颗粒度，分区数量及分区面积通过试验选取催化剂装填密度最大。

如图1至图2所示，所述镂空结构50由若干个镂空孔51组合形成。

具体地，镂空结构50由若干个镂空孔51组合形成，具有连接强度高、质量轻、通透性好的技术效果。

如图1至图4所示，所述镂空孔51为六边形状或圆形状或菱形状。

具体地，在本实施例中，优选镂空孔51为六边形状，此结构具有连接强度高、质量轻、通透性好，在保证强度的同时进行轻量化设计。

于其他实施例中，镂空孔51还可以为圆形状或菱形状等，以此满足不同3D厂商的打印设备、打印技术，使生产不受制于设备、技术，同时对不同结构形状的催化剂也具有适用性。

其中，在本实施例中，所述镂空孔51的孔径小于催化剂颗粒的直径。

具体地，镂空孔51的孔径小于催化剂颗粒直径，以达到对催化剂隔离和支撑的同时防止催化剂进喷管。

其中，在本实施例中，所述床载体10为圆柱状，强度高且装填效果好。

如图3所示，若干所述分区隔板20呈一周六径分布于所述床载体10内部。

如图4所示，若干所述分区隔板20呈两横两纵分布于所述床载体10内部。

具体地，分区隔板20分布方式具有多样性，隔板分区的原则为保证每个分区(即装填腔40)的流强偏差不大于±5％，以保证推进剂在分解室内能均匀充分分解，在此基础上为适应不同结构尺寸的推力室，可以进行多样化的隔板布置方式，如一周三径、一周六径、二周三径、两周六径、两横两竖、三横三竖等等不同的布置方式，在达到保证推力室结构强度的同时起到对催化剂进行分区隔离稳定的作用，从而有力的保证了推力室工作的稳定。

具体地，分区隔板设计原则如下：

1、保证床流阻，由于液体推进剂在流动过程中会产生贴壁流动的壁面效应，壁面效应将直接影响催化剂的床流阻；床流阻与推力室工作稳定性直接相关，因此用隔板分区时要尽量减小对床流阻的影响，分区过多会增大壁面效应的影响使床流阻减小，导致推力室工作出现不稳定，室压粗糙度增大；同时，床流阻增大，则会导致催化剂损耗增加，发动机寿命将缩短，所以对于长寿命工作的发动机分区的原则是适当减小催化剂床的床流阻，在分区时应适量增大各区的流通面积来适当减小床流阻，同时镂空的隔板也能在一定程度上降低壁面效应的影响；

2、保证各分区流强相同，各分区的流强偏差不大于5％，以保证推进剂在分解室内能均匀充分分解，各分区的交接位置大于等于催化剂颗粒度，对于装不同目数催化剂颗粒的催化剂床，其分区数量及分区面积应通过试验选取使催化剂装填密度达到最大；

3、保证结构强度，由于推力室启动、长程工作时，工作环境十分恶劣，在试车前后会出现热变形或烧蚀，由于分区隔板为镂空结构，所以在分区时应保证催化剂床结构的强度满足要求，提升推力室的抗冲击性能。

具体地，在本实施例中，所述网盖30与所述床载体10的上表面通过点焊固定，增加催化剂床整体的结构强度的同时保证各区催化剂压紧压实。

该模块化分区网状催化剂床结构为独立模块化催化剂床结构，简化了推力室状态催化剂装填复杂性，提升了效率；推力室生产单位提供模块化多孔网状结构的催化剂床，催化剂研制单位进行催化剂模块化装填和封装；称重的催化剂经人工装填后通过工装封闭固定此结构的装填口，然后批量平置于震动平台缓慢震动一定时间后，逐一打开工装检查催化剂装填质量，对局部装填质量不高的地方可以进行补修措施，以此保证装填质量，检查完成后，用隔网将装填口进行封闭，点焊固定，然后烘干抽真空密封封存，与推力室装填时只需要打开密封，将此结构直接放置于推力室身部分解室后进行推力室头部连接，相较于传统人工装填而言，此结构对装填人员要求不高，独立模块化催化剂床结构可以简化传统工艺流程，节省人力物力，同时也能满足生产中高效率、高质量、大批量生产的要求。

该模块化分区网状催化剂床结构为网状镂空隔板结构，增强了推力室工作的稳定性，单组元推力室具有多次启动的特性，推力室启动时，由于催化剂受到水力、气动力、热冲击、压力峰等冲击，在这种恶劣的环境下易导致催化剂颗粒之间挤压摩擦破损，破损后粉末进入喷管被吹走，使催化剂床出现大的空穴而积液，发动机的多次启动及气流影响会使空穴进行游动聚集，空穴积液现象加剧，导致催化不均甚至后发生爆式分解，推力室也会因此产生“气喘式”压力大震荡，从而使发动机寿命缩短，甚至失去工作能力，为了使推力室工作的稳定性，在床内部设置镂空状的分区隔板，将催化剂进行分区隔离，既阻隔催化剂床内的空穴游动，又使推进剂在催化剂床内分布均匀，从而避免因空穴聚集积液而产生的催化不均或爆式分解。

推力室在启动或者长程工作时，由于隔板工作环境恶劣，传统结构易发生隔板热变形或因催化剂损耗而歪斜，导致隔板失去隔离的作用，而模块化分区网状催化剂床结构可以起到对底部隔板及侧壁的强度进一步加强和固定的作用，同时也能避免推力室长时间工作对底板冲击导致的变形或由于催化剂损耗产生的歪斜，使推力室在工作中隔板能一直处于最优的工作状态，从结构方面保证了推力室的工作稳定。

如图5所示，本实用新型还公开了一种模块化分区网状催化剂床结构的装填方法，包括以下步骤：

S1，通过定量化称重催化剂，然后批量装填至床载体；

具体地，根据床载体的尺寸和体积，定量化称重催化剂，然后批量装填催化剂至床载体。

S2，将装填后的床载体平置于震动台上进行震动；

具体地，将装填后的床载体通过工装固定后平置于震动台上进行震动，以通过机械震动的方式来代替人工敲击，以达到对催化剂进行高质量高效率的装填。

S3，对震动后的床载体进行检查；若检查合格，则用网盖对床载体上的装填腔压平封闭，然后点焊固定，以得到装填后的催化剂床；

具体地，经过一定时间的震动后，逐一打开工装检查震动后的床载体内的催化剂装填质量，若装填平整，则为检查合格；若装填不平整，则为检查不合格，需对局部装填质量不高的地方进行补修措施，以此保证装填质量。

S4，对装填后的催化剂床进行烘干、抽真空密封完成装填，以得到模块化分区网状催化剂床。

具体地，对若干装填后的催化剂床进行烘干、抽真空密封完成装填，以得到数量不等的模块化分区网状催化剂床。

如图6和图7所示，在S4步骤之后，还包括：与推力室连接时只需打开模块化分区网状催化剂床的密封，将装有不同尺寸规格催化剂颗粒的催化剂床模块分别放置于分解室60的前床和后床，模块催化剂床和分解室60为间隙配合，前床放置的催化剂颗粒为细颗粒，后床放置的催化剂颗粒为粗颗粒，前床和后床叠加放置；然后将推力室头部80与推力室身部70方位对齐，焊接固定，完成推力室的装填。

具体地，放置于前床的催化剂床上表面与分解室60的上表面平齐，不留间隙，以起到更好地催化效果。

具体地，催化剂经上述方法进行装填密封，优化了生产工序，节省了大量人力物力，催化剂研制单位可以根据推力室设计单位提供的催化剂床结构进行模块化装填封装，推力室总装单位可直接用模块化的催化剂床结构进行装填，以此解决商业航天由于不具备低湿度高洁净装填环境、熟练技术工人而无法量产的问题，降低推力室生产成本的同时满足了当下商业航天对推力室低成本、高效的量产需求。

上述实施例为本实用新型较佳的实现方案，除此之外，本实用新型还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模块化分区网状催化剂床结构，其特征在于，包括：床载体，若干分区隔板及网盖；若干所述分区隔板位于所述床载体内部，若干所述分区隔板形成装填腔，所述装填腔用于装填催化剂，所述网盖与所述床载体的上表面连接，所述床载体、分区隔板及网盖均为镂空结构。

2.根据权利要求1所述的一种模块化分区网状催化剂床结构，其特征在于，若干所述分区隔板与床载体为一体成型结构。

3.根据权利要求1所述的一种模块化分区网状催化剂床结构，其特征在于，所述镂空结构由若干个镂空孔组合形成。

4.根据权利要求3所述的一种模块化分区网状催化剂床结构，其特征在于，所述镂空孔为六边形状或圆形状或菱形状。

5.根据权利要求3所述的一种模块化分区网状催化剂床结构，其特征在于，所述镂空孔的孔径小于催化剂颗粒的直径。

6.根据权利要求1所述的一种模块化分区网状催化剂床结构，其特征在于，所述床载体为圆柱状。

7.根据权利要求1所述的一种模块化分区网状催化剂床结构，其特征在于，若干所述分区隔板呈一周六径分布于所述床载体内部。

8.根据权利要求1所述的一种模块化分区网状催化剂床结构，其特征在于，若干所述分区隔板呈两横两纵分布于所述床载体内部。

9.根据权利要求1所述的一种模块化分区网状催化剂床结构，其特征在于，所述网盖与所述床载体的上表面通过点焊固定。

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