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电机泵辅助调速式涡轮泵供应系统

2021-03-31 05:43:19

电机泵辅助调速式涡轮泵供应系统

  【技术领域

  本发明属于液体火箭发动机技术领域,尤其涉及电机泵辅助调速式涡轮泵供应系统。

  【背景技术

  常规液体火箭发动机供应系统为涡轮泵系统,该系统涡轮泵的驱动力来源于燃气发生器产生的高压燃气。而燃气发生器入口的氧化剂和燃料来源往往来自于涡轮泵自身的泵后输出。这就造成了涡轮泵出口的流量和转速存在一定的耦合关系,难于实现精确的变推力控制。

  【发明内容

  本发明的目的是提供一种电机泵辅助调速式涡轮泵供应系统,选择电机泵为燃气发生器提供独立的推进剂,避免了流量与转速存在耦合,且实现了推进剂流量的精确控制。

  本发明采用以下技术方案,电机泵辅助调速式涡轮泵供应系统,包括:同轴式氧化剂/燃料涡轮泵,为三个独立腔室的涡轮泵,各腔室分别为氧化剂腔室、燃料腔室和高温燃气腔室;氧化剂腔室的进口用于与氧化剂源相连通,出口用于与推力室的氧化剂通道的进口端相连通;燃料腔室进口用于与燃料源相连通,出口用于与推力室的燃料入口相连通。

  包括至少一组副系统,各组副系统的进口端均与推进剂相连通,出口端均通过燃气发生器与高温燃气腔室相连通,用于向高温燃气腔室内输送高温燃气,高温燃气启动同轴式氧化剂/燃料涡轮泵,对氧化剂和燃料增压。

  进一步地,各副系统为电机泵系统,包括:相连接的泵和电机;各系统共用一组电机控制器及电池组,各电机均与电机控制器及电池组相连接;

  各泵的进口端用于通过对应的副系统进口阀与外部推进剂源相连接,各泵的出口端均与燃气发生器相连接;通过各电机的工作状态调整对应泵的功率,以改变推进剂的输送量。

  进一步地,高温燃气腔室中设置有涡轮,其他两个腔室中均沿轴向设置有一离心叶轮,所述离心叶轮的中心转轴与涡轮泵相连接,以在涡轮泵启动时,带动各所述离心叶轮转动,继而实现对内部流体的增压。

  本发明的有益效果是:1.通过各副系统为燃气发生器提供独立的推进剂,且通过电机控制推进剂的输送量,避免了推进剂的流量与涡轮泵的转速存在耦合关系;且满足了需要提供多种推进剂的需求。2通过电机控制推进剂的量,实现了推进剂流量的精确控制。

  【附图说明

  图1为本发明一种电机泵辅助调速式涡轮泵供应系统的结构示意图;

  图2为应用了该电机泵辅助调速式涡轮泵供应系统的火箭发动机的结构示意图;

  图3为推力室的结构示意图。

  其中:1.喷注室;2.催化室;3.燃烧室;4.拉法喷管;5.喷注器;5-1.针栓;5-2.导流通道;5-3.半球体;5-4.壳体;6.均流板;8.止流环;7.压紧板;9.过氧化氢进口;10.连接管;101.推力室;201.同轴式氧化剂/燃料涡轮泵;2011.过氧化氢腔;2012.煤油腔;2013.高温燃气腔;202.过氧化氢开启阀;203.煤油开启阀;204.煤油流量调节器;205.煤油分流阀;206.过氧化氢主阀;207.燃气发生器;208.副系统进口阀;209.泵;210.电机;211.电机控制器及电池组;212.控制泵。

  【具体实施方式

  下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本实施例中,氧化剂采用过氧化氢,燃料采用煤油。

  本实施例中公开了电机泵辅助调速式涡轮泵供应系统,如图1所示,同轴式氧化剂/燃料涡轮泵201,为三个独立腔室的涡轮泵,各腔室分别为氧化剂腔室2011、燃料腔室2012和高温燃气腔室2013;氧化剂腔室2011的进口用于与氧化剂源相连通,出口用于与推力室101的氧化剂通道的进口端相连通;燃料腔室2012进口用于与燃料源相连通,出口用于与推力室101的燃料入口相连通;

  至少一组副系统,各组副系统的进口端均与推进剂相连通,出口端均通过燃气发生器207与高温燃气腔室2013相连通,用于向高温燃气腔室2013内输送高温燃气,高温燃气启动同轴式氧化剂/燃料涡轮泵201,对氧化剂和燃料增压。当为多个副系统时,是为了实现独立输送多种推进剂的情况。

  副系统为电机泵系统,包括:相连接的泵209和电机210;各系统共用一组电机控制器及电池组211,各电机210均与电机控制器及电池组211相连接;

  各泵209的进口端用于通过对应的副系统进口阀208与外部推进剂源相连接,各泵209的出口端均与燃气发生器207相连接;通过各电机210的工作状态调整对应泵209的功率,以改变推进剂的输送量。

  高温燃气腔室2013中设置有涡轮,其他两个腔室中均沿轴向设置有一离心叶轮,离心叶轮的中心转轴与涡轮泵相连接,以在涡轮泵启动时,带动各离心叶轮转动,继而实现对内部流体的增压。

  如图3所示,上述推力室101可为多个,分别与涡轮泵相连接,各推力室101,由上到下均包括依次相连接贯通的喷注室1、催化室2、燃烧室3和拉法尔喷管4,还包括一喷注器5;喷注器5,轴向同轴贯通设置于喷注室1、催化室2和燃烧室3内,其喷射端位于燃烧室3内;喷注器5与喷注室1、催化室2和燃烧室3的内壁间形成相贯通的氧化剂通道;其喷射端设置有开口大小可调的燃料喷注口,用于朝向燃烧室3内喷注燃料,与分解后的氧化剂混合燃烧。

  上述催化室2与喷注室1之间、以及催化室2与燃烧室3之间分别对应设置有水平向均流板6和支撑板7,均流板6和支撑板7之间填充用于催化分解氧化剂催化剂、且均流板6和支撑板7上均开通设置有供氧化剂流通的通孔。

  上述喷注器5包括:壳体5-4,为筒状;针栓5-1,同轴套设于壳体5-4内,与壳体5-4间形成竖直向的流通通道;针栓5-1由上到下包括导向段、活塞段、连接段和作为喷射端的半球体;半球体5-3的直径大于壳体5-4的直径,且其水平面的一端向上,半球体位于壳体5-4外,且随着针栓5-1相对壳体5-4的上下滑动、半球体5-3与壳体5-4之间形成大小可调的煤油喷注口。流体竖直向流出后,转为水平向,然后与半球体的光滑弧面碰撞,由于球面为光滑状,没有突出的部分,所以流体流出时不会产生回流区,正向与氧化氢分解气接触。

  在活塞段上、沿外壁开设有螺旋状的导流通道5-2,导向段和壳体5-4之间、活塞端的导流通道5-2、连接段和壳体5-4之间依次连通形成燃料流道。

  为了使过氧化氢能够与催化剂充分接触,在进入催化室3前,对过氧化氢均匀分散。则设置均流板6,均流板6,为一圆环状板体,其中心圆环孔用于喷注器5穿过,在均流板6上均布开设用于供氧化剂流通的通孔。支撑板7,为一圆环状板体,其中心圆环孔用于喷注器5穿过,在支撑板7上均布开设用于供氧化剂流通的通孔。

  当过氧化氢流体进入催化室2后,与催化剂相接触,但是,由于催化剂不可能与侧壁紧密贴合,则部分过氧化氢会贴于侧壁面向下流,如果过氧化氢贴于侧壁流下,就不能与催化剂相作用,所以还设置一在催化室2的中部设置有止流环8,止流环8为一圆环体,其侧壁紧密贴于催化室2的内壁。为了使止流环8更牢固,可在圆环内绕其一周间隔设置过个水平向的连接柱。

  燃烧室3,由一双层中空壳体结构,双层壳体间形成氧化剂流体通道,流体通道的上部通过连接管10与喷注室1连通;燃烧室3的端部同轴设置拉法尔喷管4,拉法尔喷管4为一双层中空壳体,双层壳体间形成氧化剂流体通道,与燃烧室3的氧化剂流体通道相连通;拉法尔喷管4的下部上设置有氧化剂入口9,与氧化剂腔2011的出口管路连接。

  高温燃气腔室2013中设置有涡轮,其他两个腔室中均沿轴向设置有一离心叶轮,各离心叶轮通过一转轴连接,并与涡轮相连接,以在涡轮泵启动时,带动各离心叶轮转动。

  上述喷注室1,由上到下包括一体连接的筒状段和扩张段,在扩张段内、且绕其一周间隔设置有多个竖直向的分隔板,将扩张段分割为多个独立的腔室,各腔室均与筒状段相连通,用于盛接过氧化氢。将过氧化氢进行预分布,以保证能均匀地进入催化室2。

  本实施例中为500kg推力小型液体火箭发动机,当为两个推力室101时,每个推力室101推力为250kg,如图2所示:

  氧化剂开启阀202安装在氧化剂腔2011的入口的管路上,煤油开启阀203通过管路与煤油腔2012入口处连接、氧化剂主阀206与氧化剂腔2011的出口的管路连接,煤油流量调节器204通过管路与煤油腔2012的出口处连接、燃气发生器7出口通过管路与高温燃气腔2013的入口处连接。

  副系统进口阀208安装方向与氧化剂开启阀202、煤油开启阀203相同,电机泵209安装在副系统进口阀208下方、电机210安装在电机泵209下方,两者通过传动轴连接、电机控制器及电池组211安装电机210下方,两者通过电缆连接,电机泵209出口通过管路与燃气发生器207连接,燃气发生器207另一端通过管路与燃气喷嘴连接,燃气喷嘴焊接或安装在同轴式氧化剂/燃料涡轮泵201上。

  上述装置中针对涡轮燃气为单组元分解的推进剂,若对于双组元的推进剂仅需在系统上设置两套副系统进口阀208、电机泵209、电机210,一套用于氧化剂,一套用于燃料,其电机驱动可来源于同一套控制器及电池组211,出口同时通过管路连接燃气发生器207即可实现功能。

  启动及稳态工作模式:

  发动机工作时,首先打开一组后者同时打开多组副系统进口阀208,电机控制器及电池组211控制各电机210旋转并带动泵209,使外部各储箱中的单组元推进剂通过各泵209增压后进入燃气发生器207,在燃气发生器207内催化分解成氧化剂燃气、膨胀并建立一定压力后,通过煤油分流阀205进入高温燃气腔2013,并带动设置在高温燃气腔2013内的涡轮旋转。涡轮达到一定转速后,打开氧化剂开启阀202,使氧化剂箱内的高浓度氧化剂溶液通氧化剂开启阀202进入到氧化剂/燃料涡轮泵201内在1内完成增压后通过氧化剂主阀206后进入推力室101工作。

  之后打开煤油开启阀203,燃料储箱内的燃料通过煤油开启阀203进入煤油腔2012.,增压后从出口流出进入煤油流量调节器204,经过流量调节后进入推力室101工作。

  发动机推力调节模式:

  当发动机推力需要提高时,电机控制器及电池组211提高电机210及电机泵209的转速,增加去往燃气发生器207的氧化剂质量,进而调节涡轮泵的功率和转速,当涡轮泵转速提高时,其设置的氧化剂腔2011出口压力随之提高,流经氧化剂主阀206进入燃烧室的流量随之提高,此时同时调节煤油流量调节器204,增加进入燃烧室的燃料流量,发动机推力室101的推力随之提高。

  当发动机推力需要降低时,与上述不同之处是,电机控制器及电池组211降低电机210及电机泵209的转速,减少去往燃气发生器207的氧化剂质量,进而调节涡轮泵的功率和转速,最终发动机推力室101的推力降低。

  发动机停车模式:

  缓慢减低并关闭电机210及电机泵209的转速,进而减少进入燃气发生器207的氧化剂流量,涡轮泵功率和转速随之缓慢降低,发动机燃烧室缓慢熄火。

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