一种甲烷发动机富燃燃气模块化安全处理装置及处理方法与流程

本发明属于液氧甲烷发动机试验，具体是一种甲烷发动机富燃燃气模块化安全处理装置及处理方法。

背景技术：

1、液体火箭发动机的技术水平主要取决于动力循环方式。大推力发动机的动力循环方式主要包括燃气发生器循环、富氧补燃循环、富燃补燃循环和全流量补燃循环。

2、全流量补燃循环发动机中，两种推进剂的绝大部分流量分别与另一种推进剂的一小部分流量燃烧，产生富燃和富氧的燃气，分别驱动2台涡轮后进入推力室燃烧。即由富氧燃气驱动氧化剂涡轮泵，富燃燃气驱动燃料涡轮泵。

3、美国spacex公司研制的猛禽发动机采用液氧甲烷推进剂和全流量补燃循环系统，代表了目前世界先进水平。中国开展了液氧甲烷发动机基础技术研究和工程研制，取得了一定成果。

4、大推力液氧甲烷发动机试验主要包括组合件、涡轮泵-发生器联试，半系统，整机等试验。在半系统试验过程中，发动机安装了涡轮泵、发生器等设备，未安装推力室，在试验过程中大部分液氧与小部分甲烷燃烧产生高温富氧燃气(约800k，约500kg/s)、大部分甲烷与小部分液氧燃烧产生高温富燃燃气(约800k，约200kg/s)同时排放，试验台需将发动机产生的高温富氧、富燃燃气同时治理，国内液氧甲烷发动机最大推力量级主要集中在百吨级，正在开展大流量液氧甲烷发动机工程化研制，针对试验台大流量(秒流量超过百公斤级)甲烷富燃燃气安全处理方案未见文献报道，大部分关于甲烷、气甲烷处理方案因流量小采用直接排放的方式，将导致产生环境污染、着火、爆炸等安全风险。

技术实现思路

1、为了解决大流量富燃燃气安全排放的问题，本发明提出了一种甲烷发动机富燃燃气模块化安全处理装置及处理方法。

2、本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

3、一种甲烷发动机富燃燃气模块化安全处理装置，包括数组处理单元、固定支撑。

4、所述数组处理单元的中心线平行，且前部平齐。固定支撑位于处理单元的前端和后端，用于固定数组处理单元。

5、所述处理单元为中心线对称结构，包括前部、主体、尾部。前部中心设置甲烷富燃燃气入口，在甲烷富燃燃气入口外围设置圆环形空气入口。尾部设置预混燃气出口、点火器。

6、高压燃气、空气分别由所述前部的甲烷富燃燃气入口、空气入口进入所述主体，在主体内流道进行预混，从所述尾部的预混燃气出口排出，排出的预混燃气由所述点火器引燃。

7、上述的甲烷发动机富燃燃气模块化安全处理装置，所述数组处理单元按处理单元中心线截面为同心圆布置，同心圆圆心处设置一个处理单元。

8、上述的甲烷发动机富燃燃气模块化安全处理装置，所述数组处理单元在圆心处处理单元外围同一圆周处设置4个处理单元，再外围同一圆周处设置8个处理单元，均匀布置。

9、上述的甲烷发动机富燃燃气模块化安全处理装置，所述数组处理单元垂直处理单元中心线成“一”字形设置，均匀布置。

10、上述的甲烷发动机富燃燃气模块化安全处理装置，所述数组处理单元垂直处理单元中心线成“十”字形设置，均匀布置。

11、一种甲烷发动机富燃燃气模块化安全处理方法，包括以下步骤：

12、(1)点火器点火；

13、(2)发动机点火；

14、(3)高压燃气进入甲烷富燃燃气入口，该处理装置开始工作，自引射大气中的空气，在处理装置内流道进行预混，并从预混燃气出口排出；

15、(4)预混燃气在出口被点火器引燃；

16、(5)关闭点火器；

17、(6)发动机关机，发动机吹扫腔道富燃燃气，防止回火。

18、上述的甲烷发动机富燃燃气模块化安全处理方法，预混燃气出口总温控制低于1300k；预混燃气出口流速控制低于50m/s。

19、上述的甲烷发动机富燃燃气模块化安全处理方法，所述安全处理装置根据不同流量甲烷富燃燃气排放需求，模块化安装处理单元。

20、本发明的有益效果是：

21、一种甲烷发动机富燃燃气模块化安全处理装置及处理方法，通过甲烷富燃燃气处理单元模块化组装，组装形式灵活，可实现宽范围甲烷富燃燃气安全处理。

22、一种甲烷发动机富燃燃气模块化安全处理装置及处理方法,利用高压、高速燃气流作为动力气，引射空气实现富燃燃气的二次燃烧。

23、一种甲烷发动机富燃燃气模块化安全处理装置及处理方法,总温控制在1300k以下，可采用热沉式冷却，不再单独设计冷却结构。

24、一种甲烷发动机富燃燃气模块化安全处理装置及处理方法,通过甲烷高温燃气处理单元及根据试验现场空间灵活组合安装的处理装置，采用高压高温燃气自引射、点火器点火的方式，无需考虑补充氧化剂可进行二次燃烧，其结构形式简单，工作可靠性高，生产和试验成本低，是甲烷等富燃燃气处理较好的技术方案。

25、一种甲烷发动机富燃燃气模块化安全处理装置及处理方法，基于大流量液氧甲烷发动机试验研制需求，提出了甲烷发动机富燃燃气模块化处理方案，根据不同流量甲烷富燃燃气排放需求，模块化安装处理单元，即可实现不同流量范围甲烷发动机富燃燃气排放的安全处理，彻底解决甲烷发动机富燃燃气排放的问题。能够满足甲烷富燃燃气安全处理排放要求。

技术特征：

1.一种甲烷发动机富燃燃气模块化安全处理装置，其特征在于，包括数组处理单元、固定支撑；

2.根据权利要求1所述的甲烷发动机富燃燃气模块化安全处理装置，其特征在于，所述数组处理单元按处理单元中心线截面为同心圆布置，同心圆圆心处设置一个处理单元。

3.根据权利要求2所述的甲烷发动机富燃燃气模块化安全处理装置，其特征在于，所述数组处理单元在圆心处处理单元外围同一圆周处设置4个处理单元，再外围同一圆周处设置8个处理单元，均匀布置。

4.根据权利要求1所述的甲烷发动机富燃燃气模块化安全处理装置，其特征在于，所述数组处理单元垂直处理单元中心线成“一”字形设置，均匀布置。

5.根据权利要求1所述的甲烷发动机富燃燃气模块化安全处理装置，其特征在于，所述数组处理单元垂直处理单元中心线成“十”字形设置，均匀布置。

6.一种甲烷发动机富燃燃气模块化安全处理方法，采用权利要求1至5任一所述安全处理装置，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的甲烷发动机富燃燃气模块化安全处理方法，其特征在于，预混燃气出口总温控制低于1300k；预混燃气出口流速控制低于50m/s。

8.根据权利要求6或7所述的甲烷发动机富燃燃气模块化安全处理方法，其特征在于，所述安全处理装置根据不同流量甲烷富燃燃气排放需求，模块化安装处理单元。

技术总结
本发明涉及一种甲烷发动机富燃燃气模块化安全处理装置，包括数组处理单元、固定支撑。数组处理单元的中心线平行，且前部平齐。处理单元为中心线对称结构，包括前部、主体、尾部。高压燃气、空气分别由所述前部的甲烷富燃燃气入口、空气入口进入所述主体，在主体内流道进行预混，从所述尾部的预混燃气出口排出，排出的预混燃气由所述点火器引燃。本发明根据不同流量甲烷富燃燃气排放需求，模块化安装处理单元，即可实现不同流量范围甲烷发动机富燃燃气排放的安全处理，解决了甲烷发动机富燃燃气排放的问题，满足甲烷富燃燃气安全处理排放要求。

技术研发人员：麻军德,刘永伟,张洪春,李宏刚,李鹏程,张路路,翟晓强
受保护的技术使用者：西安航天动力试验技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15