专利摘要

专利摘要

本发明提出了一种适用于再生冷却爆震燃烧室的高效自适应催化裂解装置，所述装置以再生冷却方案为基础，包括底层热交换层、中层催化裂解层、顶层气液分离层及装置固定结构。利用热交换层周向相间均匀分布的径向燃油喷注口及其扩张出口通道，实现燃油的均匀受热及流动降速，用以在涂有高效催化剂的中层蜂窝状催化裂解层中产生大量起爆性能优异且组分种类范围窄的小分子气态燃料，气液分离层中可自适应调节的“N”型折流板结构可有效分离裂解产物中对起爆及燃烧不利的燃油液滴。该装置可实现燃油的高效裂解，持续获得具有较高易爆性的混合气态燃料，此外，本结构能够充分利用燃料的物理及化学热沉，提高爆震燃烧室的冷却效率。

权利要求

1.一种适用于再生冷却爆震燃烧室的高效自适应催化裂解装置，其特征在于：包括爆震管、热交换层、催化裂解层、气液分离层及装置固定结构,所述热交换层通过密封焊接方式共轴安装于所述爆震管外壁面，所述催化裂解层通过端部密封焊接共轴安装在所述热交换层外壁面，所述气液分离层通过其底部两端固定卡条共轴安装于所述催化裂解层外壁面,所述气液分离层为高弹性模量合金制作的径向可压缩“N”型折流板组构成，折流板组以100°周向角度等间距左右均匀覆盖在催化裂解层上部外表面，有效分离混合燃料中未完全裂解的燃油，并实现液态组分的二次裂解,所述气液分离层顶部两端固定卡条连接液压活塞径向移动杆，通过将供油压力引入液压活塞油腔，实现气液分离的自适应调节,所述气液分离层中折流板组轴向中部上下卡条同折流板组加工成一体，增强板组结构强度，实现板组的整体安装与拆卸。

2.根据权利要求1所述的一种适用于再生冷却爆震燃烧室的高效自适应催化裂解装置，其特征在于：所述热交换层中通过周向均匀分布的径向燃油喷注口，使得压力燃油以一定厚度液膜的形式喷注冷却爆震管壁，吸热后的气液混合物由与喷注口相间分布的径向出口流出，避免燃油在爆震室壁面的轴向输运。

3.根据权利要求1所述的一种适用于再生冷却爆震燃烧室的高效自适应催化裂解装置，其特征在于：所述热交换层中燃油喷注口截面按一定比率收缩，燃料径向出口截面按一定比率扩张。

4.根据权利要求1所述的一种适用于再生冷却爆震燃烧室的高效自适应催化裂解装置，其特征在于：所述催化裂解层为耐高温合金加工的蜂窝结构，比表面积大，抗载能力强，实现燃油高裂解转化率和高产气率，有效降低发动机自重。

说明书

技术领域

本发明涉及爆震发动机领域，具体为一种适用于再生冷却爆震燃烧室的高效自适应催化裂解装置

背景技术

爆震发动机是一种基于爆震燃烧的新概念发动机，在燃烧室内直接利用爆震前导激波来压缩气体，使可爆燃料的压力、温度迅速升高，进而产生动力，由于爆震波传播速度极快，使得整个燃烧过程接近于等容燃烧，因此，爆震推进同采用传统缓燃燃烧方式的推进系统相比具有更高的循环热效率。此外，爆震推进省去了压气机、涡轮机等部件，具有结构简单、推重比高、成本低廉等特点，是最具潜力的空天动力装置。

使用液态燃料作为空天动力推进剂，具有能量密度高、易贮存、冷却性能好和安全性高等优点。而在爆震推进装置中液态燃料的快速点火和起爆一直是一项重要研究课题，对于复杂液态碳氢燃料，由于雾化不良、工作稳定性差、起爆性能差等问题的存在，其爆燃向爆震转变时间和点火延迟时间相比于气态燃料大了近一个数量级，因此，如何实现复杂液态碳氢燃料向小分子气态燃料的持续高质量转化将是爆震推进装置高性能起爆的重要基础。现有爆震推进装置中主要通过将液态燃油流经涂覆催化剂的爆震管壁面以实现燃油的催化裂解，获得起爆性能优异的小分子气态燃料，但由于其催化反应接触面积有限，燃油流动性强，反应时间短，终究无法实现燃油的高裂解转化率，该方式产生的少量气态燃料无法满足稳定持续工作时点火和起爆性能的高要求，且该过程中燃油轴向流过爆震管壁，使得燃油裂解时受热程度严重不均，沿流动方向，上游裂解区温度明显低于下游，不同受热程度的燃油将获得不同的裂解产物，使得裂解产物种类范围大、不均匀，所需点火能量范围大、波动大，必将导致点火和起爆不稳定。另外，下游裂解区燃油极易因高温而结焦于爆震管壁面，使得催化裂解反应受阻的同时，严重阻碍其表面换热，管壁易于产生热疲劳。

使用液态燃料时，爆震燃烧后的烟气温度超过3500K，传统再生冷却爆震燃烧室结构已无法满足冷却需求，冷源不足问题严重，且管壁轴向换热程度严重不均。充分利用液态碳氢燃料的化学裂解吸热达到所需热沉，自身分解为具有高热值的气态燃料组分则是提高再生冷却能力的重要途径。

发明内容

要解决的技术问题

结合现有爆震发动机研究设计方案，本发明提出一种适用于再生冷却爆震燃烧室的高效自适应催化裂解装置，以实现复杂液态碳氢燃料向小分子气态燃料的持续高质量转化，克服低裂解率及低质量气态裂解产物组分导致的工作稳定性差、起爆及燃烧性能差的问题。同时，充分利用液态碳氢燃料的化学裂解吸热以有效提高再生冷却能力，有效缓解爆震管壁面温度分布严重不均，解决冷源不足的热管理问题，提升发动机综合热利用率。

本发明的技术方案为：

所述一种适用于再生冷却爆震燃烧室的高效自适应催化裂解装置，包括同爆震管壁共轴密封安装的底层热交换层、中层催化裂解层、顶层气液分离层及装置固定结构。

所述热交换层以再生冷却方案为设计基础，由周向均匀相间分布的径向燃油喷注口及扩张出口通道组成，燃油喷注口截面按一定比率收缩，控制喷注液膜厚度及流动加速，在油泵压力驱动下，燃油以液膜形式径向喷注爆震管壁，以实现对爆震管壁的均匀有效冷却。燃油吸热后，因蒸发而形成的气液混合燃料，将由同喷注口相间分布的径向扩张出口通道流出。所述过程直接实现了燃油的径向流入与流出，因其始终不存在轴向驱动力而有效避免燃油因在爆震室壁面的轴向输运而导致的受热程度严重不一致，使得燃油裂解时具有相同的受热基础，进而有效控制催化裂解产物的种类范围，实现爆震发动机稳定点火和起爆，且有效缓解了爆震管轴向换热严重不均问题。所述径向出口通道按一定比率扩张，实现对气液混合物的流动降速，增大裂解反应物在催化剂表面停留时间，实现高效催化。所述燃油进出通道周向分布数量及角度，截面收缩及扩张比率可根据不同发动机尺寸及工作要求进行设计。

所述催化裂解层为耐高温高强度RA330合金锻造而成的蜂窝结构，具有比表面积大，几何稳定性强等应用优势，利用化学气相沉积法于蜂窝内壁涂覆TiO2或TiO2-AL2O3催化剂的致密沉积涂层，通过催化裂解反应将具有较大相对分子质量的液态碳氢化合物断键转化为相对分子质量较小的气态小分子碳氢化合物，可以有效降低临界点火能量，从而缩短爆震发动机工作时的DDT时间和DDT距离，蜂窝结构总催化反应表面积应以实际工作条件及要求为设计标准，以实现气态小分子燃料的持续高质量转化，保证爆震发动机稳定快速点火起爆和高性能燃烧。此外，采用所述催化裂解方式通过降低反应活化能改变裂解反应途径，使得裂解反应速度加快，裂解反应起始温度降低，避免了因热裂解反应所需高温带来的结焦反应，同时，该催化裂解方式使得燃油化学热沉得以充分利用，解决了传统再生冷却过程冷源不足问题。

所述气液分离层为可沿径向压缩的弹性折流板组合结构，主要由板片、卡条及支撑结构组成，板片呈“N”型弯曲且表面涂覆有裂解催化剂。大量催化裂解后的气液混合物以一定流速流经“N”型弯曲的流道结构，由于气体与液体的密度及粘性的不同，遇到阻挡，气体会被折流而走，而液体由于惯性会有一个继续向前的速度，在高粘性力作用下附着在阻挡壁面上，折流板的多折向结构增加了液滴被捕集的机会，未被捕集的液滴在下一个转弯处经过相同的作用而被捕集，捕集后附着于壁面上催化剂表面的液滴具有充分的催化裂解反应时间，实现裂解转化率的进一步提高，如此反复作用，提高了气液混合物中燃油液滴的分离效率，实现爆震室燃料进口前气态裂解产物组分的最优化。所述折流板为铝铜锂耐热合金S141加工制作，具有密度小、弹性模量大、强度高和耐热性好等特点；板间隔及大小由相应工作要求决定；折流板轴向中部上下卡条同板组加工成一体，以增强板组结构强度，实现板组的整体安装与拆卸。且折流板组以100°周向角度等间距左右均匀覆盖在催化裂解层上部外表面，以消除重力作用对折流板组工作效率的不利影响。

所述裂解装置自适应结构为折流板组底部两端卡条固定焊接安装于两端壁面，顶部两端卡条上表面和对应位置处装置固定结构下表面分别固定安装液压活塞的移动杆端和顶端以实现顶部两端固定卡条径向可移动。由于流速高，则作用于液滴的惯性力越大，使得折流板的除液效率随流体速度的增加而增加，但流速的增加有一定的限度，过高的流速将导致二次液滴携带，工作效率严重降低，因此，所述自适应方案通过将供油压力引入液压活塞以实现高油压、出口流速高时自动压缩折流板组，加大折流板间流动通道的弯曲程度，增加液滴的通道流动阻力，实现液滴的有效壁面附着，更好地适应发动机工作模态的较大范围变化。

所述装置固定结构内壁采用热障涂层保温隔热的基础上涂覆催化剂致密沉积涂层，以减少热量耗散，使得燃料充分吸热，促进二次，三次……等多步裂解反应的发生，实现裂解组分中相对分子质量较小的气态小分子碳氢化合物占比不断增加，同时，实现因流动附着于内壁上的液滴再次催化裂解为气态组分，消除装置内残存液滴，延长工作寿命。

有益效果

本发明是一种适用于再生冷却爆震燃烧室的高效自适应催化裂解装置，通过所述热交换层、催化裂解层及气液分离层的特殊组合结构设计以实现燃油的高效裂解，持续获得具有高稳定起爆性的混合气态燃料，同时充分利用燃料的物理及化学热沉，提高爆震燃烧室的冷却效率，解决了传统再生冷却方案中冷却能力不足的弊端，提升了该方案的应用能力。具体为以下三点：

(1)通过所述装置热交换层的特殊通道结构设计实现了燃油对爆震管壁周向均匀的径向燃油喷注冷却后直接径向流出，避免了碳氢燃料的轴向输运过程，解决了传统换热结构爆震管壁轴向换热严重不均问题，且使得燃油裂解时具有相同的受热基础，有效控制裂解产物组分种类范围，获得较均匀裂解组分，提高其点火和起爆工作稳定性。此外，热交换层中燃油液膜喷注口收缩截面可控制液膜厚度，增加喷注速度，提高其湍流强度，进而提升冷却能力；截面扩张的出流通道使得进入催化裂解层的气液混合物流动降速，增加了反应物在催化剂表面的停留时间，使燃料催化裂解反应充分进行。

(2)大比表面积、几何结构稳定性强的蜂窝结构催化裂解层，保证了燃油与催化剂的充分接触，提高催化裂解反应强度，促进多步裂解反应的发生，实现燃油的高裂解转化率，获得大量起爆性能优异的气态小分子燃料。且该催化反应速度快，裂解温度低,避免了热裂解方式因高温引起的结焦反应。

(3)自适应折流板组结构实现了多种工作流量下，气态分子燃料中燃油液滴的有效分离与再次裂解转化，获得最佳稳定点火、起爆、燃烧条件下的裂解产物组分。装置固定结构内壁采用热障涂层，有效避免热量的无用耗散。

附图说明

图1为一种适用于再生冷却爆震燃烧室的高效自适应催化裂解装置的半剖轴测图；

图2为所述热交换层的部分剖轴测图；

图3为所述蜂窝结构催化裂解层轴测图；

图4为所述气液分离层三维立体图；

图5为所述一种高效自适应催化裂解装置的轴向剖视图；

图6为图5的局部放大图；

图7为所述一种高效自适应催化裂解装置的径向剖视图；

图8为图7的局部放大燃料径向流动示意图；

图9为所述一种适用于再生冷却爆震燃烧室的高效自适应催化裂解装置系统图(粗实线为液态燃料，细实线为气态燃料，虚线为控制油路)。

图中，1为爆震室壁，2为燃油进口，3为折流板组固定卡条，4为装置固定结构，5为气态燃料出口，6为气液分离层，7为液压活塞控制油路进口，8为热交换层，8-1为热交换层中燃油轴向流动腔室，8-2为热交换层中燃油液膜径向喷注口，8-3为热交换层中燃料径向流动出口，9为蜂窝结构催化裂解层，10为液压活塞油腔，11为液压活塞径向移动杆，12为环腔。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种适用于再生冷却爆震燃烧室的高效自适应催化裂解装置，如图5、图6和图8所示，其包括：爆震室壁1、燃油进口2、折流板组固定卡条3、装置固定结构4、气态燃料出口5、气液分离层6、液压活塞控制油路进口7、热交换层8、热交换层中燃油轴向流动腔室8-1、热交换层中燃油液膜径向喷注口8-2、热交换层中燃料径向流动出口8-3、蜂窝结构催化裂解层9、液压活塞油腔10、液压活塞径向移动杆11及环腔12。

所述的一种适用于再生冷却爆震燃烧室的高效自适应催化裂解装置，其特征在于：所述装置采用三级分层设计，所述热交换层8通过密封焊接方式共轴安装于所述爆震室壁1外部，所述催化裂解层9通过端部密封焊接共轴安装在所述热交换层8外壁面，所述气液分离层由固定卡条3共轴安装于所述蜂窝结构催化裂解层9外壁面。所述热交换层为周向相间均匀分布的燃油液膜径向喷口8-2和扩张出口通道8-3组成，所述催化裂解层为耐高温高强度RA330合金锻造而成的蜂窝结构，所述气液分离层为高弹性模量铝铜锂耐热合金S141制作的径向可压缩“N”型折流板组构成，折流板以100°周向角度等间距左右均匀覆盖在催化裂解层上部外表面，折流板底部两端固定卡条3焊接于装置固定结构4内侧壁，折流板轴向中部上下卡条同板组加工成一体，顶部两端固定卡条连接液压活塞径向移动杆11，通过液压活塞控制油路进口7将供油压力引入液压活塞油腔10。装置固定结构4内壁涂覆热障涂层，燃油出口扩张通道、蜂窝结构壁面、折流板壁及装置固定结构内壁热障涂层上均采用化学气相沉积法涂覆TiO2或TiO2-AL2O3的致密沉积涂层。热交换层中周向喷口的供油通过该层端部的内部连通圆形管道来实现，整体通过装置固定结构上下对称分布的燃油进口2及气态燃料出口5实现同外界油路的连通。热交换层中喷注口和出流口的周向均匀分布数量及角度、截面收缩及扩张比率、蜂窝结构中六边形几何参数及分布密度、气液分离层中折流板几何参数及分布间隔、液压活塞的数量、工作范围及三层共轴安装的分布直径和轴向长度大小应以具体爆震发动机设计工作状态为标准选取。所述热交换层及装置固定结构均由超高强度钢30Cr3SiNiMoVA加工而成。

工作过程

所述的一种适用于再生冷却爆震燃烧室的高效自适应催化裂解装置，其工作时，在供油压力的驱动下，燃油通过上下对称分布燃油进口2流向热交换层中周向均匀分布的燃油轴向流动腔室8-1，进而通过液膜径向喷注口8-2，流动加速，实现对爆震管壁1喷注冷却的同时，吸热后的燃油以气液混合物的状态径向流过同喷口相间分布且截面扩张的出口通道8-3，流动降速后进入蜂窝结构催化裂解层9以进行充分的催化裂解反应，获得大量点火起爆性能优异的气态小分子燃料；接着气态分子燃料混以燃油液滴汇入环腔12，环腔内壁表面的催化剂致密沉积涂层使附着于其上的液滴实现再次催化裂解为气态组分，消除装置固定结构4内壁的残存液滴；进而，混合燃料流入折流板组多向弯曲通道，反复折流，实现气态分子燃料中未充分裂解燃油液滴的壁面充分附着，附着于壁面的液滴获得了同壁面催化剂的充分反应时间，最终得以裂解，高效率滤除对点火起爆不利的燃油液滴；若出现高供油压力，则液压活塞油腔10压力升高，自动径向压缩折流板顶部卡条，使得板间流道弯曲程度加大，液滴流动阻力较气流急剧升高，防止混合物流速过高导致的液滴分离效率下降，最后得以优化的裂解组分汇聚于出口前部环腔，经气态燃料出口5流出裂解装置进入爆震室。

一种适用于再生冷却爆震燃烧室的高效自适应催化裂解装置专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。