气体驱动预压涡轮的多次起动液氧煤油发动机及起动方法

摘要

本发明涉及一种气体驱动预压涡轮的多次起动液氧煤油发动机，为了解决富氧补燃循环液氧煤油发动机不具备低入口压力条件下起动的能力，并且不能多次起动的问题，本发明的液氧煤油发动机包括燃气系统、液氧系统、燃料供应系统、点火剂供应系统及起动系统，其中的点火剂供应系统包括点火剂起动箱、点火剂供应阀、第三单向阀、发生器燃料阀及第四单向阀，其中的发生器燃料阀为两位三通阀，包括入口、出口A和出口B；起动系统包括高压气体供应装置、高压气体单向阀、氧预压泵、氧预压涡轮、切换阀、液氧单向阀及掺混器；本发明的液氧煤油发动机的点火剂起动箱相对独立，可多次为燃气发生器和推力室提供点火剂，使得发动机具备多次起动能力。

说明书

技术领域

本发明属于液氧煤油发动机领域，涉及液氧煤油发动机及起动方法。

背景技术

液氧煤油发动机是一种高性能、高可靠性的液体推进装置。通常通过贮箱压力或通过外部能源驱动来保证起动能量；通过设置点火剂导管来为燃气发生器和推力室提供点火介质；设置相应的阀门来协调各组件协调工作。当作为高空多次起动推进装置时，通常氧化剂贮箱和燃料贮箱的压力很低，要求发动机具备低入口压力条件下起动的能力；为满足多次起动需求，需要发动机具备多次点火能力。

目前发动机的起动方式有以下两种，一种是自生起动，另一种是强迫起动。

如果采用自生起动的方式，由于贮箱压力低，使得起动初期进入发动机的推进剂量小，不能保证足够的起动能量，同时氧主泵的入口压力低，容易出现汽蚀。

采用外部能源(高压气体或火药起动器)驱动与主涡轮、氧主泵、燃料一级泵及燃料二级泵同轴的起动涡轮的强迫起动方式，一方面，由于主涡轮、氧主泵、燃料一级泵及燃料二级泵功率高，使得外部介质的消耗量大；另一方面，由于起动段流量变化快，使得氧主泵在低入口压力条件下容易出现汽蚀。

现有的发动机点火剂的供应方式一般是通过在燃料供应管路中设置点火剂导管来实现的，这种点火剂的供应方式只能用于一次或两至三次点火，无法用于多次点火。

发明内容

为了解决富氧补燃循环液氧煤油发动机不具备低入口压力条件下起动的能力，并且不能多次起动的问题，本发明提供一种气体驱动预压涡轮的多次起动液氧煤油发动机及起动方法。

本发明的技术解决方案如下：

本发明的气体驱动预压涡轮的多次起动液氧煤油发动机，包括燃气系统、液氧系统、燃料供应系统、点火剂供应系统及起动系统；

所述燃气系统包括依次连接的燃气发生器11、主涡轮12及推力室13；

所述液氧系统包括氧主泵21、液氧主阀22，所述氧主泵21与主涡轮12同轴设置，所述氧主泵21通过第一管路23与燃气发生器11的液氧入口连接，所述液氧主阀22设置在第一管路23中；

其特殊之处在于：

所述点火剂供应系统包括点火剂起动箱31、点火剂供应阀32、第三单向阀33、发生器燃料阀34及第四单向阀35，其中的发生器燃料阀34为两位三通阀，包括入口、出口A和出口B；

所述点火剂起动箱31的入口接点火剂挤压气体，其出口通过第二管路36与发生器燃料阀34的燃料入口连接，所述点火剂供应阀32、第三单向阀33设置在第二管路36上，且点火剂供应阀32位于第三单向阀33的上游管路；

所述发生器燃料阀34的出口A与燃气发生器11的点火路入口相通，所述发生器燃料阀34的出口B通过第三管路37与推力室13的点火路入口相通；所述第四单向阀35设置在第三管路37中；

所述燃料供应系统包括燃料一级泵41、燃料二级泵42、推力室燃料主阀43、第一单向阀44及第二单向阀46；所述推力室燃料主阀43为两位三通阀，包括入口、出口A和出口B；

所述燃料一级泵41、燃料二级泵42与主涡轮12同轴设置；

所述燃料一级泵41的入口与燃料贮箱的出口相通，所述燃料一级泵41的出口通过第四管路45与燃料二级泵42的入口连接；

所述燃料二级泵42的出口通过第五管路47与第二管路36连接，连接位置在第三单向阀33出口下游，所述第二单向阀46设置在第五管路47中；

所述燃料一级泵41的出口还通过第六管路48与第三管路37连接，连接位置在发生器燃料阀34的出口B与第四单向阀35的入口之间，所述第一单向阀44位于第六管路48中；

所述燃料一级泵41的出口还通过第七管路49与推力室13主燃料入口连接，所述推力室燃料主阀43通过设置于第七管路49中；

所述起动系统包括高压气体供应装置、高压气体单向阀51、氧预压泵52、氧预压涡轮53、切换阀54、液氧单向阀55及掺混器56；

所述高压气体供应装置通过第八管路57与氧预压涡轮53的入口连接，所述高压气体单向阀51设置在第八管路57上；

所述氧预压泵52与氧预压涡轮53同轴设置；所述氧预压泵52的入口与氧化剂贮箱的出口相通，所述氧预压泵52的出口通过第九管路58与氧主泵21的入口连接；所述掺混器56设置在第九管路58上；

所述氧预压涡轮53的入口通过第十管路59与第一管路23连接，连接位置处于氧主泵21的出口和液氧主阀22入口之间；所述氧预压涡轮53的出口通过第十一管路60与掺混器56连接；

所述液氧单向阀55设置在第十管路59中；

所述切换阀54为两位三通阀，包括入口、出口A和出口B，所述切换阀54通过入口及出口A接入第十一管路60，出口B通向外界。

进一步地，所述点火剂供应阀32的出口与第三单向阀33入口之间的管路上还设置有第一节流圈61。

进一步地，所述第四单向阀35的出口与推力室13点火入口之间的管路上还设置有第二节流圈62。

进一步地，所述燃料一级泵41的出口与第一单向阀44的入口之间的管路上还设置有第三节流圈63。

进一步地，所述第三单向阀33的出口与发生器燃料阀34之间的管路上还设置有第四节流圈64。

同时，本发明还提供了气体驱动预压涡轮的多次起动液氧煤油发动机的起动方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

(1)液氧及燃料充填

发动机起动之前，液氧系统进行预冷和充填，氧化剂从液氧主阀22排向外界；

燃料系统进行抽真空并进行燃料充填，燃料从推力室燃料主阀43排向外界；

(2)点火剂充填

起动开始，高压气体挤压点火剂起动箱31，同时打开点火剂供应阀32，点火剂通过第三单向阀33、发生器燃料阀34和第四单向阀35，充填燃气发生器11点火路和推力室13点火路；

(3)在点火剂充填完毕推力室13点火路之后，给切换阀54发出控制指令，氧预压涡轮53出口与外界相通；

(4)供应高压气体，气体通过高压气体单向阀51进入氧预压涡轮53气体静子腔，驱动氧预压涡轮53做功，使得氧预压泵52产生正扬程，增压后的液氧从液氧主阀22排放口排出；

(5)液氧主阀22打开，液氧充填燃气发生器氧头腔；

(6)发生器燃料阀34打开，点火剂以一定的流量进入燃气发生器11，燃气发生器11产生燃气，燃气驱动主涡轮12工作；

(7)随着主涡轮12、氧主泵21、燃料一级泵41及燃料二级泵42转速上升，当燃料二级泵42后压力升高至大于第二单向阀46的打开压力时，煤油进入发生器燃料路，点火剂起动箱31停止供应点火剂，之后点火剂挤压气体撤气；

当燃料一级泵41后压力升高至大于第一单向阀44的打开压力时，煤油进入推力室13点火路；

当氧主泵21后压力大于氧预压涡轮53驱动路的液氧单向阀55的打开压力时，液氧进入氧预压涡轮53液体静子腔，与高压气体共同驱动氧预压涡轮53做功；

(8)切断高压气体供应，氧主泵21后的高压液氧继续驱动氧预压涡轮53做功；

(9)切换阀54复位，氧主泵21后的高压液氧在驱动完氧预压涡轮53之后进入掺混器56，与氧预压泵52后的液氧掺混之后进入氧主泵21入口；

(10)根据推力室13的充填时间来决定推力室燃料主阀43打开时间，并使得主涡轮12、氧主泵21、燃料一级泵41及燃料二级泵42的剩余功率足以让主涡轮12、氧主泵21、燃料一级泵41及燃料二级泵42的功率产生正反馈之后，推力室13点火；

(11)发动机逐步进入主级工况。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

1、本发明的气体驱动预压涡轮的多次起动液氧煤油发动机及起动方法，通过高压气体驱动氧预压涡轮，使得氧预压泵产生正扬程，提高了主泵的抗汽蚀能力；同时保证了起动段进入燃气发生器的氧化剂流量，使得发动机具备足够的起动能量。

2、本发明的气体驱动预压涡轮的多次起动液氧煤油发动机的点火剂起动箱相对独立，可多次为燃气发生器和推力室提供点火剂，使得发动机具备多次起动能力。

3、本发明的气体驱动预压涡轮的多次起动液氧煤油发动机采用了多个两位三通阀，阀门功能集成度高，简化了系统。

4、本发明的气体驱动预压涡轮的多次起动液氧煤油发动机可通过优化节流圈流阻和位置来保证发生器和推力室路的点火流量，从而优化发生器和推力室的点火条件。

5、本发明的气体驱动预压涡轮的多次起动液氧煤油发动机的起动能量由高压气体的功率决定，降低了箭体贮箱的增压压力，降低了箭体的技术难度。

6、本发明的气体驱动预压涡轮的多次起动液氧煤油发动机，由于预压涡轮泵功率小，显著地降低了高压气体消耗量，减小了气瓶体积，提高了运载能力。

附图说明

图1为本发明实施例气体驱动预压涡轮的多次起动液氧煤油发动机结构示意图。

其中附图标记为：11-燃气发生器、12-主涡轮、13-推力室、21-氧主泵、22-液氧主阀、23-第一管路、31-点火剂起动箱、32-点火剂供应阀、33-第三单向阀、34-发生器燃料阀、35-第四单向阀、36-第二管路、37-第三管路、41-燃料一级泵、42-燃料二级泵、43-推力室燃料主阀、44-第一单向阀、45-第四管路、46-第二单向阀、47-第五管路、48-第六管路、49-第七管路、51-高压气体单向阀、52-氧预压泵、53-氧预压涡轮、54-切换阀、55-液氧单向阀、56-掺混器、57-第八管路、58-第九管路、59-第十管路、60-第十一管路。61-第一节流圈、62-第二节流圈、63-第三节流圈、64-第四节流圈。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明。

一、系统配置

本发明气体驱动预压涡轮的多次起动液氧煤油发动机的结构见图1所示。发动机包括以下分系统：

1、燃气系统。燃气系统主要是向推力室提供富氧燃气。包括：依次连接

的燃气发生器11、主涡轮12及推力室13等。

2、液氧系统。液氧系统主要是向燃气发生器供应高压液氧。包括：氧主泵21、液氧主阀22，氧主泵21与主涡轮12同轴设置，氧主泵21通过第一管路23与燃气发生器11的液氧入口连接，液氧主阀22设置在第一管路23中。

3、点火剂供应系统。点火剂供应系统的作用是向推力室和燃气发生器供应点火剂。包括点火剂起动箱31、点火剂供应阀32、第三单向阀33、发生器燃料阀34及第四单向阀35，其中的发生器燃料阀34为两位三通阀，包括入口、出口A和出口B；点火剂起动箱31的出口通过第二管路36与发生器燃料阀34的燃料入口连接，点火剂供应阀32、第三单向阀33设置在第二管路36上，且点火剂供应阀32位于第三单向阀33的上游管路；发生器燃料阀34的出口A与燃气发生器11的点火路入口相通，发生器燃料阀34的出口B通过第三管路37与推力室13的点火路入口相通；第四单向阀35设置在第三管路37中；点火剂起动箱具备长时间贮存三乙基铝和三乙基硼点火剂的能力，与挤压气体进行物理隔离，可进行多次挤压。

发生器燃料阀起始状态是入口与出口B相通，与出口A切断；当对发生器燃料阀发出控制指令后，入口与出口A相通，同时切断出口B。

点火剂供应阀为常闭阀，入口与点火剂起动箱出口相通；出口与燃料二级泵出口管路相通。点火剂供应阀打开时点火剂起动箱向燃料二级泵出口管路供应点火剂。

第三单向阀负责在稳定段防止燃料二级泵出口燃料进入点火剂起动箱，同时在起动段由点火剂起动箱向推力室点火路、发生器点火路提供点火剂。

第四单向阀负责在稳定段向推力室点火喷嘴提供燃料、起动段向推力室点火喷嘴提供点火剂，同时防止推力室燃气反窜至燃料系统。

4、燃料供应系统燃料供应系统主要是向推力室和发生器供应高压煤油。包括：包括燃料一级泵41、燃料二级泵42、推力室燃料主阀43、第一单向阀44及第二单向阀46；推力室燃料主阀43为两位三通阀，包括入口、出口A和出口B。燃料一级泵41、燃料二级泵42与主涡轮12同轴设置；燃料一级泵41的入口与燃料贮箱的出口相通，燃料一级泵41的出口通过第四管路45与燃料二级泵42的入口连接；燃料二级泵42的出口通过第五管路47与第二管路36连接，连接位置在第三单向阀33出口下游，第二单向阀46设置在第五管路47中；燃料一级泵41的出口还通过第六管路48与第三管路37连接，连接位置在发生器燃料阀34的出口B与第四单向阀35的入口之间，第一单向阀44位于第六管路48中；燃料一级泵41的出口还通过第七管路49与推力室13主燃料入口连接，推力室燃料主阀43通过设置于第七管路49中。

第一单向阀负责在稳定段从燃料一级泵出口向推力室点火路供应推进剂，同时在起动段防止点火剂向燃料一级泵出口反窜。

第二单向阀负责在稳定段从燃料二级泵出口向燃气发生器供应燃料，同时在起动段防止点火剂向燃料二级泵出口反窜。

5、起动系统。起动系统的作用是提高起动段的氧主泵入口压力，为主涡轮的起旋提供足够的能量，包括高压气体供应装置、高压气体单向阀51、氧预压泵52、氧预压涡轮53、切换阀54、液氧单向阀55及掺混器56；高压气体供应装置通过第八管路57与氧预压涡轮53的入口连接，高压气体单向阀51设置在第八管路57上；氧预压泵52与氧预压涡轮53同轴设置；氧预压泵52的入口与氧化剂贮箱的出口相通，氧预压泵52的出口通过第九管路58与氧主泵21的入口连接；掺混器56设置在第九管路58上；氧预压涡轮53的入口通过第十管路59与第一管路23连接，连接位置处于氧主泵21的出口和液氧主阀22入口之间；氧预压涡轮53的出口通过第十一管路60与掺混器56连接；

切换阀54为两位三通阀，用于切换阀门入口介质与氧主泵入口管路相通或排放外界。入口连接氧预压涡轮出口管路，出口A与氧主泵入口的掺混器相连，出口B与外界相连。起始状态，阀门入口介质与出口A常通，同时切断出口B；发出控制指令后，入口与出口B联通，同时切断出口A。

二、系统匹配性

关键的匹配条件：

1、高压气体入口压力和流量需保证起动段氧预压涡轮泵产生的足够的流量，流量以保证发生器点火产生的富氧燃气的流量能够满足起动段涡轮泵剩余功率的需求为准；

2、氧主泵出口至氧预压涡轮驱动路的液氧单向阀，要求反向密封性能足够好，防止起动段氧预压涡轮出口的气体进入液氧系统；要求在氧主泵出口的压力高于一定值后打开，保证高压气体工作初期，氧主泵出口的液氧不进入氧预压涡轮静子腔。

3、点火剂采用点火剂起动箱供应，在点火剂起动箱出口、发生器燃料路、推力室点火路设置节流圈，通过匹配参数来分别保证起动段的点火剂流量与起动段的氧流量匹配、保证稳定段的发生器燃料流量与稳定段的发生器氧流量匹配。使得起动段发生器的点火温度峰不超过1000K、稳定段的发生器温度不超过850K。

4、第一单向阀和第二单向阀的打开压力需足够高，以保证在点火剂充填段煤油不会进入燃气发生器和推力室点火路。

5、推力室燃料主阀在主涡轮、氧主泵、燃料一级泵及燃料二级泵产生足够的剩余功率时打开。

三、本发明气体驱动预压涡轮的多次起动液氧煤油发动机的起动方法，包括以下步骤：

1、发动机起动之前，液氧系统进行预冷和充填，氧化剂从液氧主阀排向外界。燃料系统进行抽真空并进行燃料充填，燃料从推力室燃料主阀排向外界；

2、起动开始，首先进行点火剂充填。点火剂挤压气体挤压点火剂起动箱，同时打开点火剂供应阀，点火剂通过第三单向阀、发生器燃料阀和第四单向阀充填发生器点火路和推力室点火路。点火剂充填时间由高压挤压气体压力和点火剂充填流路上的节流圈决定。

在燃料一级泵出口设置第一单向阀、燃料二级泵出口设置第二单向阀，一方面保证打开压力足够高，防止点火剂充填之前煤油进入发生器和推力室点火路；另一方面反向密封，防止点火剂进入燃料一级泵和燃料二级泵腔。

3、在点火剂充填完毕推力室点火路之后。给切换阀发出控制指令，氧预压涡轮出口与外界相通；

4、供应高压气体，气体通过高压气体单向阀进入氧预压涡轮气体静子腔，驱动氧预压涡轮做功，使得氧预压泵产生正扬程，增压后的液氧从液氧主阀排放口排出；

5、液氧主阀打开，液氧充填燃气发生器氧化剂腔；

6、发生器燃料阀打开，点火剂以一定的流量进入发生器，同时切断推力室点火路的点火剂供应；

7、随着主涡轮、氧主泵、燃料一级泵及燃料二级泵转速上升，燃料二级泵出口压力升高至大于第二单向阀的打开压力时，煤油进入发生器燃料路，点火剂起动箱停止供应点火剂，之后点火剂挤压气体撤气；燃料一级泵出口压力升高至大于第一单向阀的打开压力时，煤油进入推力室点火路，点火路容腔和第一单向阀打开压力联合保证在推力室点火时仍有足够的点火剂来维持推力室点火；氧主泵出口压力升高，当氧主泵出口压力大于氧预压涡轮驱动路的液氧单向阀的打开压力时，液氧进入氧预压涡轮液体静子腔，与高压气体共同驱动氧预压涡轮做功；

8、氧预压涡轮高压气体供应路切断，氧主泵出口的高压液氧继续驱动氧预压涡轮做功；

9、切换阀复位，氧主泵出口的高压液氧在驱动完氧预压涡轮之后进入掺混器，与氧预压泵出口的液氧掺混之后进入氧主泵入口；

10、根据推力室的充填时间来决定推力室燃料主阀打开时间，使得主涡轮、氧主泵、燃料一级泵及燃料二级泵的剩余功率足以让主涡轮、氧主泵、燃料一级泵及燃料二级泵的功率产生正反馈之后，推力室点火；

11发动机逐步进入稳定工况。