一种开式循环液氧煤油发动机系统及使用方法技术方案

本发明专利技术公开了一种开式循环液氧煤油发动机系统及使用方法。该系统采用低成本的液氧、煤油作为推进剂，满足发动机的起动、点火功能，并降低了发动机生产成本，同时也满足了火箭发射无毒化的要求。该发动机系统的采用同轴设置的涡轮、煤油泵、氧化剂泵；氧化剂泵的入口与氧化剂供应源连通，煤油泵的入口与煤油供应源连通，两个泵的出口均与推力室连通；涡轮上设有火药起动器；涡轮通过管道与所述燃气发生器连通，且涡轮上设有排气管，燃气发生器的头部安装烟火点火器；氧化剂输出副管路的一端与氧化剂输出主管路连通，另一端与燃气发生器连通；煤油输出副管路的一端与煤油输出主管路连通，另一端与燃气发生器连通。

【技术实现步骤摘要】
一种开式循环液氧煤油发动机系统及使用方法
本专利技术属于液体火箭发动机
，具体是一种开式循环液氧煤油发动机系统及使用方法。
技术介绍
液氧煤油作为运载火箭的一种无毒、无污染的推进剂组合，具有比冲性能高、成本低、使用维护方便的特点，在当前运载火箭中得到广泛的应用。由于当前代运载火箭液氧煤油主动力发动机为补燃循环，虽然发动机的比冲性能高，但由于补燃循环发动机的系统压力高，导致发动机系统复杂，组件的生产、试验难度大，发动机的生产和使用维护成本较高，产量也较低。现役常规运载火箭采用常规推进剂开式循环发动机，虽然系统简单、使用维护方便，但推进剂毒性大，推进剂价格高，且面临被更新换代的需求。综合当前运载火箭发展和更新换代的需要，需结合补燃循环液氧煤油发动机和常规推进剂开式循环发动机的优点，从而设计一种液氧煤油发动机系统，以简化补燃循环发动机系统的复杂程度，减少组件数量，达到降低发动机生产、试验成本的目的，并提高发动机固有可靠性，从而实现火箭发射的无毒化。
技术实现思路
为了解决现有技术问题存在的问题，本专利技术结合了补燃循环液氧煤油发动机和循环发动机的特点，设计了一种开式循环液氧煤油发动机系统及使用方法，采用低成本的液氧、煤油作为推进剂，满足发动机的起动、点火功能，并减少了发动机的组件数量，降低发动机生产成本，同时也满足了火箭发射无毒化的要求。本专利技术的技术解决方案如下：本专利技术提供了一种开式循环液氧煤油发动机系统，包括推力室、同轴式涡轮泵组件、氧化剂输出主管路、煤油输出主管路、燃气发生器、烟火点火器、火药起动器、氧化剂输出副管路、煤油输出副管路以及氮气吹除阀；同轴式涡轮泵组件包括同轴设置的涡轮、煤油泵、氧化剂泵；氧化剂泵的入口与外部氧化剂供应源连通，氧化剂泵的出口通过氧化剂输出主管路与推力室连通，且氧化剂输出主管路上安装氧化剂主阀；煤油泵的入口与外部煤油供应源连通，煤油泵的出口通过煤油输出主管路与推力室连通，且煤油输出主管路上安装煤油主阀；涡轮上设有火药起动器；涡轮通过管道与所述燃气发生器连通，且涡轮上设有排气管，燃气发生器的头部安装烟火点火器；燃气发生器中氧化剂和煤油的混合比在0.35～0.45的范围内；氧化剂输出副管路的一端与所述氧化剂输出主管路连通，另一端与燃气发生器连通，氧化剂输出副管路上安装氧化剂副阀；煤油输出副管路的一端与所述煤油输出主管路连通，另一端与燃气发生器连通，煤油输出副管路上安装煤油副阀；氮气吹除阀在煤油输出主管路和煤油输出副管路上各安装一个，或者在氧化剂输出主管路和氧化剂输出副管路上各安装一个，或者在煤油输出主管路、煤油输出副管路、氧化剂输出主管路和氧化剂输出副管路上各安装一个，用于对系统进行吹除；氧化剂主阀、煤油主阀、氧化剂副阀、煤油副阀均采用气动阀门。进一步地，上述所述氧化剂输出副管路和煤油输出副管路上均安装有用于控制流量的汽蚀管。进一步地，上述煤油输出主管路和煤油输出副管路上安装有节流圈。进一步地，上述氧化剂泵和煤油泵套设于涡轮的涡轮转子上；所述涡轮与煤油泵之间通过皮碗密封连接，皮碗密封安装于煤油泵的煤油泵壳体内；氧化剂泵和煤油泵通过两组端面密封和浮动环密封连接，所述端面密封和浮动环密封安装于氧化剂泵的氧化剂泵壳体内，两组端面密封分别位于两组浮动环密封的外侧；所述两组端面密封分别为氧化剂泵侧端面密封和煤油泵侧端面密封。进一步地，上述氧化剂泵包括氧化剂泵进口管、氧化剂泵诱导轮和氧化剂泵离心轮和回流管；所述氧化剂泵诱导轮和氧化剂泵离心轮均套设于涡轮转子上，氧化剂泵诱导轮和氧化剂泵离心轮固定连接，氧化剂泵诱导轮外套设有氧化剂泵导流套；氧化剂泵离心轮的进口侧密封凸边外与氧化剂泵壳体之间设有氧化剂泵离心轮前密封环，氧化剂泵导流套的后端面与氧化剂泵离心轮前密封环的前端面贴合，氧化剂泵离心轮的出口侧密封凸边外与氧化剂泵壳体之间设有氧化剂泵离心轮后密封环；涡轮转子上位于氧化剂泵离心轮的后端套设有氧化剂泵轴承，所述氧化剂泵轴承的内圈的一侧与氧化剂泵侧端面密封的动环贴合，另一侧与氧化剂泵离心轮贴合，所述氧化剂泵轴承的外圈通过轴承座固定于氧化剂泵壳体上；所述氧化剂泵进口管固定连接于氧化剂泵壳体的前端；所述回流管的一端与氧化剂泵进口管的入口处连通，另一端连接于氧化剂泵轴承内圈与氧化剂泵侧端面密封的连接处；所述氧化剂泵壳体内均加工有螺旋式扩压器或者圆管式扩压器。进一步地，上述氧化剂泵导流套的前部、中部和后部为外径依次增大的柱状结构，氧化剂泵导流套的前部和氧化剂泵进口管之间留有间隙；所述氧化剂泵诱导轮套设于涡轮转子的末端，所述氧化剂泵诱导轮和涡轮转子通过轴端螺钉固定连接；轴端螺钉由氧化剂泵诱导轮的前端伸入至涡轮转子的末端，并与涡轮转子螺纹连接；所述轴端螺钉内安装有磁性元件。进一步地，上述氧化剂泵壳体位于浮动环密封处沿轴向对称开设有吹除气入口和吹除气出口，氧化剂泵壳体内在吹除气入口和吹除气出口之间形成吹除气通道。进一步地，上述煤油泵包括煤油泵诱导轮和煤油泵离心轮；所述煤油泵壳体包括煤油泵壳体前部和蜗壳状的煤油泵壳体后部，煤油泵壳体后部上开设有煤油泵入口通道，皮碗安装于煤油泵壳体前部和涡轮之间；所述煤油泵诱导轮和煤油泵离心轮均套设于涡轮转子上，煤油泵诱导轮和煤油泵离心轮固定连接，煤油泵诱导轮外套设有煤油泵导流套；煤油泵离心轮的进口侧密封凸边外与煤油泵壳体后部之间设有煤油泵离心轮前密封环，煤油泵导流套的后端面与煤油泵离心轮前密封环的前端面贴合，煤油泵离心轮的出口侧密封凸边外与煤油泵壳体后部之间设有煤油泵离心轮后密封环；煤油泵侧端面密封与煤油泵离心轮后端贴合；涡轮转子位于煤油泵诱导轮的前端与煤油泵壳体后部之间套设有衬套，煤油泵壳体前部与涡轮转子之间套设有主轴承，所述主轴承的内圈一侧与涡轮转子上设置的台阶贴合，另一侧与衬套的端面贴合，通过衬套将主轴承压紧，主轴承的外圈一侧与煤油泵壳体前部内的台阶贴合，另一侧通过限位螺母压紧；所述限位螺母固定于煤油泵壳体前部内，限位螺母开设有通孔，所述通孔与煤油泵入口通道处通过第一回流孔连通，所述主轴承的后侧与煤油泵入口通道处通过第二回流孔相连通；所述涡轮转子与煤油泵离心轮的出口侧密封凸边对应位置沿周向开设有多个回流入口，所述涡轮转子在主轴承后侧与煤油泵壳体后部之间对应位置沿周向开设有多个回流出口，所述衬套与回流出口对应位置开设有回流通孔；所述煤油泵壳体内加工有螺旋式扩压器或者圆管式扩压器。进一步地，上述涡轮为两级冲击式涡轮。基于上述一种开式循环液氧煤油发动机系统的结构描述，现对该发动机系统的使用方法进行以下详述，具体执行步骤如下：步骤1：打开氮气吹除阀，对系统进行吹氮处理；步骤2：初始小流量点火步骤2.1：通气打开煤油主阀、煤油在发动机入口压力下小流量充填推力室冷却套和头腔；步骤2.2：再通气小开度打开氧化剂主阀，小流量液氧充填氧化剂主阀阀后腔道，部分快速蒸发；...

【技术保护点】
1.一种开式循环液氧煤油发动机系统，其特征在于：包括推力室(01)、同轴式涡轮泵组件、氧化剂输出主管路(02)、煤油输出主管路(03)、燃气发生器(04)、烟火点火器(05)、火药起动器(06)、氧化剂输出副管路(07)、煤油输出副管路(08)以及氮气吹除阀(09)；/n同轴式涡轮泵组件包括同轴设置的涡轮(010)、煤油泵(011)、氧化剂泵(012)；/n氧化剂泵(012)的入口与外部氧化剂供应源连通，氧化剂泵(012)的出口通过氧化剂输出主管路(02)与推力室(01)连通，且氧化剂输出主管路(02)上安装氧化剂主阀(013)；/n煤油泵(011)的入口与外部煤油供应源连通，煤油泵(011)的出口通过煤油输出主管路(03)与推力室(01)连通，且煤油输出主管路(03)上安装煤油主阀(04)；/n涡轮(010)上设有火药起动器(06)；涡轮(010)通过管道与所述燃气发生器(04)连通，且涡轮(010)上设有排气管，燃气发生器(04)的头部安装烟火点火器(05)；燃气发生器中氧化剂和煤油的混合比在0.35～0.45的范围内；/n氧化剂输出副管路(07)的一端与所述氧化剂输出主管路(02)连通，另一端与燃气发生器(04)连通，氧化剂输出副管路(07)上安装氧化剂副阀(015)；/n煤油输出副管路(08)的一端与所述煤油输出主管路(03)连通，另一端与燃气发生器(04)连通，煤油输出副管路(08)上安装煤油副阀(016)；/n氮气吹除阀(09)在煤油输出主管路(03)和煤油输出副管路(08)上各安装一个，或者在氧化剂输出主管路(02)和氧化剂输出副管路(07)上各安装一个，或者在煤油输出主管路(03)、煤油输出副管路(08)、氧化剂输出主管路(02)和氧化剂输出副管路上均各安装一个，用于对系统进行吹除；/n氧化剂主阀(013)、煤油主阀(014)、氧化剂副阀(015)、煤油副阀(016)均采用气动阀门。/n...

【技术特征摘要】
1.一种开式循环液氧煤油发动机系统，其特征在于：包括推力室(01)、同轴式涡轮泵组件、氧化剂输出主管路(02)、煤油输出主管路(03)、燃气发生器(04)、烟火点火器(05)、火药起动器(06)、氧化剂输出副管路(07)、煤油输出副管路(08)以及氮气吹除阀(09)；
同轴式涡轮泵组件包括同轴设置的涡轮(010)、煤油泵(011)、氧化剂泵(012)；
氧化剂泵(012)的入口与外部氧化剂供应源连通，氧化剂泵(012)的出口通过氧化剂输出主管路(02)与推力室(01)连通，且氧化剂输出主管路(02)上安装氧化剂主阀(013)；
煤油泵(011)的入口与外部煤油供应源连通，煤油泵(011)的出口通过煤油输出主管路(03)与推力室(01)连通，且煤油输出主管路(03)上安装煤油主阀(04)；
涡轮(010)上设有火药起动器(06)；涡轮(010)通过管道与所述燃气发生器(04)连通，且涡轮(010)上设有排气管，燃气发生器(04)的头部安装烟火点火器(05)；燃气发生器中氧化剂和煤油的混合比在0.35～0.45的范围内；
氧化剂输出副管路(07)的一端与所述氧化剂输出主管路(02)连通，另一端与燃气发生器(04)连通，氧化剂输出副管路(07)上安装氧化剂副阀(015)；
煤油输出副管路(08)的一端与所述煤油输出主管路(03)连通，另一端与燃气发生器(04)连通，煤油输出副管路(08)上安装煤油副阀(016)；
氮气吹除阀(09)在煤油输出主管路(03)和煤油输出副管路(08)上各安装一个，或者在氧化剂输出主管路(02)和氧化剂输出副管路(07)上各安装一个，或者在煤油输出主管路(03)、煤油输出副管路(08)、氧化剂输出主管路(02)和氧化剂输出副管路上均各安装一个，用于对系统进行吹除；
氧化剂主阀(013)、煤油主阀(014)、氧化剂副阀(015)、煤油副阀(016)均采用气动阀门。


2.根据权利要求1所述的开式循环液氧煤油发动机系统，其特征在于：
所述氧化剂输出副管路(07)和煤油输出副管路(08)上均安装有用于控制流量的汽蚀管(017)。


3.根据权利要求2所述的开式循环液氧煤油发动机系统，其特征在于：所述煤油输出主管路(03)和煤油输出副管路(08)上安装有节流圈(018)。


4.根据权利要求1-3任一权利要所述的开式循环液氧煤油发动机系统，其特征在于：
所述氧化剂泵(012)和煤油泵(011)套设于涡轮的涡轮转子(1)上；
所述涡轮(010)与煤油泵(011)之间通过皮碗(15)密封连接，皮碗(15)密封安装于煤油泵(011)的煤油泵壳体(22)内；氧化剂泵(012)和煤油泵(011)通过两组端面密封和浮动环密封连接，所述端面密封和浮动环密封安装于氧化剂泵的氧化剂泵壳体(10)内，两组端面密封分别位于两组浮动环密封的外侧；
所述两组端面密封分别为氧化剂泵侧端面密封(13)和煤油泵侧端面密封(28)。


5.根据权利要求4所述的一种开式循环液氧煤油发动机系统，其特征在于：所述氧化剂泵(012)包括氧化剂泵进口管(4)、氧化剂泵诱导轮(5)和氧化剂泵离心轮(9)和回流管(2)；所述氧化剂泵诱导轮(5)和氧化剂泵离心轮(9)均套设于涡轮转子(1)上，氧化剂泵诱导轮(5)和氧化剂泵离心轮(9)固定连接，氧化剂泵诱导轮(5)外套设有氧化剂泵导流套(6)；氧化剂泵离心轮(9)的进口侧密封凸边外与氧化剂泵壳体(10)之间设有氧化剂泵离心轮前密封环(8)，氧化剂泵导流套(6)的后端面与氧化剂泵离心轮前密封环(8)的前端面贴合，氧化剂泵离心轮(9)的出口侧密封凸边外与氧化剂泵壳体(10)之间设有氧化剂泵离心轮后密封环(11)；涡轮转子(1)上位于氧化剂泵离心轮(9)的后端套设有氧化剂泵轴承(25)，所述氧化剂泵轴承(25)的内圈的一侧与氧化剂泵侧端面密封(13)的动环贴合，另一侧与氧化剂泵离心轮(9)贴合，所述氧化剂泵轴承(25)的外圈通过轴承座(12)固定于氧化剂泵壳体(10)上；所述氧化剂泵进口管(4)固定连接于氧化剂泵壳体(10)的前端；所述回流管(2)的一端与氧化剂泵进口管(4)的入口处连通，另一端连接于氧化剂泵轴承(25)内圈与氧化剂泵侧端面密封(13)的连接处；所述氧化剂泵壳体(10)内均加工有螺旋式扩压器或者圆管式扩压器。


6.根据权利要求5所述的一种开式循环液氧煤油发动机系统，其特征在于：所述氧化剂泵导流套(6)的前部、中部和后部为外径依次增大的柱状结构，氧化剂泵导流套(6)的前部和氧化剂泵进口管(4)之间留有间隙；所述氧化剂泵诱导轮(5)套设于涡轮转子(1)的末端，所述氧化剂泵诱导轮(5)和涡轮转子(1)通过轴端螺钉(3)固定连接；轴端螺钉(3)由氧化剂泵诱导轮(5)的前端伸入至涡轮转子(1)的末端，并与涡轮转子(1)螺纹连接；所述轴端螺钉(3)内安装有磁性元件。


7.根据权利要求6所述一种开式循环液氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘上，韩红伟，冯耀辉，李平，王艺杰，童飞，蒲光荣，秦新华，
申请(专利权)人：西安航天动力研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61