多次起动一致性好的常温富氧补燃循环发动机及关机方法
本发明提供了一种多次起动一致性好的常温富氧补燃循环发动机及关机方法，用于解决目前燃气发生器会出现富燃燃烧、常温氧化剂在发动机关机后不能挥发、发动机关机后燃气腔残留的燃气污染氧化剂泵腔以及冷却夹套中的推进剂排空时间偏差大的技术问题。本发明包括吹除一路、吹除二路、吹除三路以及吹除四路；带有第一吹除单向阀的吹除一路的吹除点设置在燃料二级泵和燃气发生器的燃料头腔之间；带有第二吹除单向阀的吹除二路的吹除点设置在推力室的燃料头腔集液器上；带有第三吹除单向阀的吹除三路的吹除点设置在燃气发生器中的氧化剂头腔上；带有第四吹除单向阀的吹除四路的吹除点设置在氧化剂泵的入口壳体上。
发明专利
CN202311334947.1
2023-10-16
CN117605592A
2024-02-27
F02K9/44(2006.01)
西安航天动力研究所
孙海雨;王海燕;李元启;姜勇;李广阔;刘文超;段蒙;兰晓辉;王鹏武
710100 陕西省西安市航天基地飞天路289号
西安智邦专利商标代理有限公司
王少文
陕西;61
1.一种多次起动一致性好的常温富氧补燃循环发动机，包括控制阀组、燃气发生器(4)、推力室(6)，以及同轴依次设置的涡轮(5)、氧化剂泵(1)、燃料一级泵(2)、燃料二级泵(3)；所述氧化剂泵(1)输入端与氧化剂管路连接，输出端与燃气发生器(4)的氧化剂头腔连接；所述燃料一级泵(2)输入端与燃料管路连接，第一输出端与推力室(6)的冷却夹套入口环腔连接，第二输出端与燃料二级泵(3)输入端相连接；所述燃料二级泵(3)的输出端与燃气发生器(4)的燃料头腔入口连接；所述燃气发生器(4)的燃气腔出口与涡轮(5)的输入端连接；所述涡轮(5)的输出端与推力室(6)的燃气头腔入口连接；所述推力室(6)的冷却夹套通过排放路与外部环境连通，冷却夹套出口与推力室(6)的燃料头腔集液器连接；其特征在于： 还包括吹除一路、吹除二路、吹除三路以及吹除四路； 所述吹除一路的吹除点设置在燃料二级泵(3)和燃气发生器(4)的燃料头腔之间，所述吹除一路上设置有第一吹除单向阀(12)； 所述吹除二路的吹除点设置在推力室(6)的燃料头腔集液器上，所述吹除二路上设置有第二吹除单向阀(13)； 所述吹除三路的吹除点设置在燃气发生器(4)的氧化剂头腔上，所述吹除三路上设置有第三吹除单向阀(14)； 所述吹除四路的吹除点设置在氧化剂泵(1)的入口壳体上，所述吹除四路上设置有第四吹除单向阀(15)。 2.根据权利要求1所述的多次起动一致性好的常温富氧补燃循环发动机，其特征在于： 所述吹除一路、吹除二路和吹除三路的气源压力小于推力室(6)燃料头腔压力的70％； 所述吹除二路和吹除三路各自的吹除流量是吹除一路的吹除流量的1.8-2.2倍； 所述吹除四路的气源压力在0.3MPa到0.5MPa之间。 3.根据权利要求1或2所述的多次起动一致性好的常温富氧补燃循环发动机，其特征在于： 所述控制阀组包括氧化剂主阀(7)、氧化剂排放阀(8)、燃料主阀(9)、推力室排放阀(10)、发生器燃料阀(11)、燃料隔离阀(20)和氧化剂隔离阀(21)、燃料排放阀(22)； 所述氧化剂主阀(7)设置在氧化剂泵(1)的输出端和燃气发生器(4)的氧化剂头腔入口之间； 所述氧化剂排放阀(8)设置在氧化剂排放通道上，所述氧化剂排放通道一端设置在氧化剂泵(1)输出端与氧化剂主阀(7)连接的管路上，另一端与外部环境连通； 所述燃料主阀(9)设置在燃料一级泵(2)输出端与推力室(6)的冷却夹套入口连接的管路上； 所述推力室排放阀(10)设置在排放路上，用于在发动机关机后将推力室(6)冷却夹套中的剩余燃料排出，避免大量燃料进入推力室(6)燃烧带来关机后效冲量及其偏差大，并保证多次起动推力室冷却夹套(6)充填一致性； 所述发生器燃料阀(11)设置在燃料二级泵(3)的输出端与燃气发生器(4)的燃料头腔入口之间； 所述燃料隔离阀(20)设置在燃料一级泵(2)的燃料管路上； 所述氧化剂隔离阀(21)设置在氧化剂泵(1)的氧化剂管路上； 所述燃料排放阀(22)设置在燃料排放通道上，所述燃料排放通道一端设置在燃料一级泵(2)输出端与燃料主阀(9)连接的管路上，另一端与外部环境连通。 4.权利要求1-3任一所述的一种多次起动一致性好的常温富氧补燃循环发动机的关机方法，其特征在于，步骤如下： 步骤1，对吹除一路和吹除二路提供气源压力； 步骤2，切断燃气发生器(4)的燃料供应，实现发动机关机，使得燃气发生器(4)中的燃气温度降低，涡轮(5)的输入功率下降，燃气发生器(4)的燃料头腔和氧化剂头腔以及推力室(6)的燃料头腔压力下降； 步骤3，当燃气发生器(4)燃料头腔的压力低于吹除一路的气源压力时，吹除一路中的吹除气体通过第一吹除单向阀(12)将燃气发生器(4)燃料头腔中剩余的燃料排出到燃气发生器(4)的燃气腔并与氧化剂燃烧； 步骤4，当推力室(6)中燃料头腔的压力低于吹除二路的气源压力时，吹除二路的吹除气体通过第二吹除单向阀(13)进入推力室(6)的燃料头腔，最终将推力室(6)冷却套中的燃料通过排放路排出； 步骤5，切断燃气发生器(4)的氧化剂供应，氧化剂泵(1)中的部分氧化剂通过氧化剂排放阀(8)自动排出； 步骤6，关闭氧化剂管路和燃料管路；对吹除三路和吹除四路提供气源压力； 步骤7，吹除三路的吹除气体通过第三吹除单向阀(14)进入燃气发生器(4)的氧化剂头腔，将燃气发生器(4)氧化剂头腔中的残余氧化剂排出； 同时，吹除四路的吹除气体通第四吹除单向阀(15)进入氧化剂泵(1)，将氧化剂泵(1)中残余氧化剂排出； 当燃气发生器(4)氧化剂头腔中的残余氧化剂吹除干净后，关闭吹除三路和吹除四路，并同时关闭吹除一路和吹除二路； 步骤8，重复多次打开吹除一路和吹除二路，直至推力室排放阀(10)无燃料液滴排出，发动机的关机过程结束。 5.根据权利要求4所述的多次起动一致性好的常温富氧补燃循环发动机的关机方法，其特征在于： 所述燃料二级泵(3)的输出端与燃气发生器(4)的燃料头腔入口之间设置有发生器燃料阀(11)； 步骤2中，通过关闭发生器燃料阀(11)实现发动机关机。 6.根据权利要求5所述的多次起动一致性好的常温富氧补燃循环发动机的关机方法，其特征在于： 所述燃料一级泵(2)输出端与推力室(6)的第一输入端的冷却套入口之间设置有燃料主阀(9)； 所述排放路上设置有推力室排放阀(10)； 步骤4中，当推力室(6)中燃料头腔的压力低于吹除二路的气源压力时，吹除二路的吹除气体通过第二吹除单向阀(13)进入推力室(6)的燃料头腔； 此时燃料主阀(9)处于开启状态，燃料只进入推力室(6)，推力室排放阀(10)和燃料排放阀(22)不向外部环境排放推进剂；吹除二路的吹除气体与仍在进入推力室(6)的燃料形成混合物一同进入推力室(6)的燃气腔，并与仍在进入推力室(6)的氧化剂燃烧； 燃料主阀(9)在燃气发生器(4)燃料头腔中残余燃料吹除干净后关闭，并同时打开推力室排放阀(10)和燃料排放阀(22)；由于吹除二路的吹除点设置在推力室(6)冷却夹套出口的燃料头腔集液器上，位于燃料主阀(9)的下游，因此燃料主阀(9)关闭之后吹除二路的吹除气体仍可进入推力室(6)，并且吹除气体分为第一气体和第二气体，第一气体进入推力室(6)的冷却夹套，将冷却夹套中的燃料通过推力室排放阀(10)排出，以确保发动机再次起动时推力室(6)的冷却夹套充填过程与发动机第一次起动一致；第二气体进入推力室(6)的燃料头腔，避免氧化剂窜入推力室(6)的燃料头腔，防止发动机再次起动时推力室(6)的燃料头腔出现爆燃。 7.根据权利要求5或6所述的多次起动一致性好的常温富氧补燃循环发动机的关机方法，其特征在于： 所述氧化剂泵(1)的输出端设置有氧化剂主阀(7)，所述氧化剂主阀(7)的出口和燃气发生器(4)的氧化剂头腔入口连接； 所述氧化剂排放阀(8)设置在氧化剂排放通道上，所述氧化剂排放通道一端与氧化剂泵(1)输出端与燃气发生器(4)的第一输入端连接的管路连通，另一端与外部环境连通； 步骤5中，关闭燃料主阀(9)的同时关闭氧化剂主阀(7)，且打开氧化剂排放阀(8)；当氧化剂主阀(7)关闭时，切断燃气发生器(4)的氧化剂供应，氧化剂泵(1)中的氧化剂从氧化剂排放阀(8)排出到外部环境； 此时燃气发生器(4)氧化剂头腔中残余氧化剂在不受控的状态下向燃气发生器(4)燃气腔、涡轮(5)和推力室(6)的燃气腔排放，并从推力室(6)连通的排放路排向外部环境。 8.根据权利要求7所述的多次起动一致性好的常温富氧补燃循环发动机的关机方法，其特征在于： 所述吹除三路用于向燃气发生器(4)的氧化剂头腔内输入气体，所述燃料管路上设置有燃料隔离阀(20)，所述氧化剂管路上设置有氧化剂隔离阀(21)； 步骤6中，通过关闭氧化剂隔离阀(21)和燃料隔离阀(20)，实现关闭氧化剂管路和燃料管路，使得氧化剂和燃料不再进入发动机内腔。 9.根据权利要求8所述的多次起动一致性好的常温富氧补燃循环发动机的关机方法，其特征在于： 步骤7中，吹除三路的吹除气体通过第三吹除单向阀(14)进入燃气发生器(4)的氧化剂头腔，使得燃气发生器(4)氧化剂头腔中残余氧化剂的排出，吹除气体和氧化剂的混合物进入涡轮(5)，并在涡轮(5)的入口、涡轮(5)的出口和推力室(6)中的燃气头腔建立压力； 同时，吹除四路的吹除气体通过第四吹除单向阀(15)进入氧化剂泵(1)，并将氧化剂泵(1)中的氧化剂从氧化剂排放阀(8)排向外部环境，吹除气体和氧化剂的混合物在氧化剂泵(1)内建立压力； 吹除三路的吹除气体和氧化剂混合物在涡轮(5)出口建立的压力不能高于吹除四路中吹除气体和氧化剂的混合物在氧化剂泵(1)内建立的压力，避免涡轮(5)燃气腔的燃气进入氧化剂泵(1)。