CN109519304A - 推力调节阀及火箭发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及火箭发动机领域，具体提供了一种推力调节阀及火箭发动机。推力调节阀设于燃气发生器上游，用以调节发动机推力，其包括：第一阀芯，设有第一节流孔；和第二阀芯，设有第二节流孔，第一阀芯和第二阀芯相对运动以使第一节流孔和第二节流孔具有重合部分且重合部分的面积连续变化，推进剂经重合部分流出，通过改变重合部分的面积以对流过重合部分的推进剂流量进行调节。本发明的推力调节阀对发动机推力调节的范围大、精度高、平稳性更好。

Description

推力调节阀及火箭发动机

技术领域

本发明涉及火箭发动机领域，具体涉及一种推力调节阀及火箭发动机。

背景技术

在对液体火箭发动机推力调节时，现有技术中往往利用燃气调节阀对火箭发动机的推力进行调节，但是调节阀由于长期在高温环境下工作，对阀体的材料和精度要求很高，并且阀体由于长期的烧蚀影响也会产生调节精度问题。同时对于燃气进行推力做功调节，往往造成燃烧做功的浪费，从而造成燃料的利用率不高。

对于液体发动机的推力调节，还可通过控制进入燃气发生器的推进剂流量和压力，进而实现控制发动机的推力，但是现有技术中采用截止阀控制推进剂流量，只能通过开关达到阶跃调节，且调节比低。然而发动机推力调节过程中，对调节阀的调节精度、调节特性的一致性要求较高，因此需要一种能够实现大范围无级调节的推力调节阀。

发明内容

为解决现有技术中火箭发动机燃气调节阀对材料和精度要求高、燃料利用率低的技术问题，本发明提供了一种利用可对燃料过流面积进行大范围无级调节从而实现发动机推力调节的推力调节阀。

同时，为解决现有技术火箭发动机燃料利用率低、推力调节阀对材料和精度要求高的技术问题，本发明提供了一种对燃料进行大范围无级调节从而实现发动机推力调节的火箭发动机。

第一方面，本发明提供了一种推力调节阀，设于燃气发生器上游，用以调节发动机推力，其包括：

第一阀芯，设有第一节流孔；和

第二阀芯，设有第二节流孔，所述第一阀芯和所述第二阀芯相对运动以使所述第一节流孔和所述第二节流孔具有重合部分且所述重合部分的面积连续变化，推进剂经所述重合部分流出，通过改变所述重合部分的面积以对流过所述重合部分的所述推进剂流量进行调节。

所述第一阀芯和所述第二阀芯为套筒结构且可相对转动地套接，所述第一节流孔和所述第二节流孔开设在所述第一阀芯和所述第二阀芯套接的侧壁上且位于同一轴向位置处。

所述第一节流孔和所述第二节流孔重合的过程中，所述重合部分的面积变化包括：

通过改变所述重合部分的面积以调节所述发动机推力的第一阶段；和

通过改变所述重合部分的面积以调节发动机预冷过流面积的第二阶段；

所述第二阶段的所述重合部分的面积的变化速率大于所述第一阶段。

所述第一阶段和所述第二阶段的所述重合部分的面积均为线性变化。

所述的推力调节阀，还包括：

壳体，内部具有腔体，所述第一阀芯固定设于所述腔体内，所述第二阀芯套接于所述第一阀芯内部，所述第二阀芯一端具有敞口，另一端设有转轴，所述转轴穿出所述壳体并与所述壳体转动连接，所述第二阀芯的所述敞口形成所述推进剂的入口，所述壳体上与所述重合部分对应的位置开设有所述推进剂的出口。

所述壳体与所述转轴转动连接的位置处开设有贯通所述壳体的泄出口。

所述的推力调节阀，还包括：

驱动装置，连接于所述转轴的轴端，用以驱动所述转轴转动。

所述驱动装置包括电机和用于连接所述电机输出轴与所述转轴的联轴器。

所述的推力调节阀，还包括：

端盖，设于所述壳体靠近所述推进剂的入口端，所述端盖上开设有与所述入口连通的通孔。

所述的推力调节阀，还包括：

密封件，包括设于所述端盖与所述壳体之间的垫片以及设于所述转轴上位于所述泄出口前后两端的密封圈；和

轴承，设于所述第一阀芯和第二阀芯之间。

第二方面，本发明提供了一种火箭发动机，包括上述的推力调节阀。

本发明的技术方案，具有如下有益效果：

1)本发明提供的推力调节阀，设于燃气发生器上游，通过调节推进剂的流量供应对火箭发动机的推力进行调节，降低阀体的材料和精度要求，减小燃气浪费，提高推进剂利用率。调节阀包括第一阀芯和第二阀芯，第一阀芯设有第一节流孔，第二阀芯上设有第二节流孔，第一阀芯和第二阀芯相对运动以使两者具有重合部分且重合部分的面积连续变化，推进剂经重合部分流出，通过改变重合部分的面积以对推进剂流量进行无级调整，进而对火箭发动机的推力实现连续的无级调整，推力调节的范围大、精度高、平稳性更好，同时调节阀的通用性更高。

2)本发明提供的推力调节阀，第一阀芯和第二阀芯为套筒结构且可相对转动地套接，第一节流孔和第二节流孔开设在第一阀芯和第二阀芯套接的侧壁上且位于同一轴向位置处。相较锥型阀芯，两个阀芯采用转动套接，进行流量调节时对阀芯型面要求低且阀芯受力分散，降低加工成本，并且采用面接触方式控制，控制精度更高。

3)本发明提供的推力调节阀，重合部分的面积变化包括用于调节发动机推力的第一阶段和用以调节发动机预冷过流面积的第二阶段，第二阶段的重合部分的面积的变化速率大于第一阶段。第一阶段用于调节发动机推力，设置第一阶段的重合面积变化速率较低，利于对发动机推力进行精确调整，第二阶段用于调节发动机预冷过流面积，设置第二阶段的重合面积变化速率高，使流量快速达到预冷要求，且可相应降低阀芯上节流孔的开设长度，提高阀芯强度。

4)本发明提供的推力调节阀，第一阶段和第二阶段的重合部分的面积均为线性变化，便于对推进剂流量进行计算及控制，且第一节流孔和第二节流孔形成更加规则，易于加工成型，降低成本。

5)本发明提供的推力调节阀，包括壳体，第一阀芯和第二阀芯安装在壳体内，第二阀芯一端为敞口，另一端设有转轴，转轴穿出壳体并与壳体转动连接，壳体与转轴转动连接的位置处开设有贯通壳体的泄出口，防止推进剂泄漏出转轴另一端。

6)本发明提供的推力调节阀，包括驱动装置，驱动装置包括电机和用于连接电机输出轴与转轴的联轴器，通过驱动装置对阀芯进行精确控制，实现发动机推力的精确调节。

7)本发明提供的火箭发动机，包括上述的推力调节阀，通过调节调节阀实现对发动机推力的精确控制，且该发动机具有上述所有有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明一种实施方式中推力调节阀的剖面结构示意图；

图2是根据本发明一种实施方式中第二阀芯结构示意图；

图3是根据本发明一种实施方式中第一阀芯结构示意图。

附图标记说明：

1-壳体；2-端盖；3-第二阀芯；31-第二节流孔；311-第一孔；312-第二孔；32-转轴；4-第一阀芯；41-第一节流孔；5-垫片；6-销钉；7-平键；8-联轴器；9-挡环；10-挡圈；11-轴承；12-密封圈；13-螺栓；14-螺母；15-螺柱。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明提供的推力调节阀，可应用于变推力液体火箭发动机，例如低温液氧甲烷发动机、液氧液氢发动机、液氧煤油发动机等，设置在燃气发生器上游，通过调节推进剂流量供应实现发动机的推力调节。图1中示出了本发明推力调节阀的一种实施方式。

如图1所示，在本实施方式中，推力调节阀包括壳体1、端盖2、第一阀芯4、以及第二阀芯3。壳体1作为调节阀的阀基体，其内部具有腔体，用于安装阀芯。第一阀芯4为套筒结构，第一阀芯4通过销钉6固定安装在壳体1的腔体内，第二阀芯3套设于第一阀芯4内，第二阀芯3截面的外径尺寸与第一阀芯4的内径尺寸适配，使得第二阀芯3可在第一阀芯4内相对转动，第一阀芯4的内壁与第二阀芯3外壁抵接形成第一道密封。如图1所示，第一阀芯4和第二阀芯3的两端分别设置有阶梯状的轴肩结构，第一阀芯4和第二阀芯3两端通过两个轴承11安装，以保证两者之间的相对转动，轴承11内圈与第二阀芯3接触，轴承11外圈与第一阀芯4接触，从而形成第二道密封。在本实施方式中，轴承11采用对向安装的角接触轴承，在保证轴承11承受第二阀芯3径向载荷的基础上，可以有效承载高压推进剂作用在第二阀芯3上的轴向力。

第二阀芯3的一端为敞口，另一端为密闭结构，且另一端设置有转轴32，转轴32穿出壳体1且与壳体1转动连接，转轴32与壳体1的转动连接处设置有两道密封圈12，从而对两者的转动连接处进行密封。密封圈12可采用自紧式弹簧蓄能密封圈，密封圈12的内圈与转轴32接触，外圈与壳体1接触，形成第三道密封。一侧密封圈12依靠第二阀芯3限位，同时推进剂压力的作用方向也是朝向将其固定于壳体1密封槽上的方向，另一侧密封圈12依靠挡环9限位，将密封圈12固定在壳体1密封槽内，挡环9依靠挡圈10进行限位。

在第一阀芯4和第二阀芯3接触的部分上分别设置有第一节流孔41和第二节流孔31，如图1所示，第一节流孔41和第二节流孔31均开设在第一阀芯4和第二阀芯3接触的轴向中央位置处。为实现调节阀的无级调节，第一节流孔41和第二节流孔31均为连续开设的长弧形孔。在第二阀芯3绕轴线转动时，第二节流孔31与第一节流孔41发生重合且重合部分的面积连续变化。在本实施方式中，壳体1与第一节流孔41对应位置处开设出口B，推进剂经重合部分流出后经出口B流出调节阀。

在一个示例性的实施方式中，第一节流孔41开设在第一阀芯4上形成的弧线的夹角为120°～180°，第二节流孔31与第一节流孔41对应开设。因此第二阀芯3转动一圈的过程中，第一节流孔41和第二节流孔31具有完全不重合状态，当两者完全不重合时，调节阀处于关闭状态，推进剂无法流出；第一节流孔41和第二节流孔31还具有重合状态，在该状态下，第二阀芯3转动时，重合部分面积随之发生连续性变化，通过重合部分的面积变化，控制推进剂的流出速度和压力。

需要说明的是，对于低温液体火箭发动机，对发动机及其输送系统进行预冷是保证发动机稳定性和可靠性至关重要的一环，如不预冷或预冷不充分，输送管路和发动机的温度高于液体推进剂，发动机就无法正常工作。预冷用的低温冷却剂可以是发动机所用的推进剂或液氦、液氮等冷却剂。本发明提供的推力调节阀，可同时对推进剂预冷流量进行调节。

具体而言，在本实施方式中，如图2、图3所示，第一节流孔41为长弧形的开孔，且第一节流孔41的在轴向的宽度大于第二节流孔31，因而第二阀芯3在转动过程中，第二节流孔31与第一节流孔41相重合的面积由第二节流孔31的形状决定。如图2所示，第二节流孔31为类似“凸”字型的开孔，其包括第一孔311和第二孔312。当第二节流孔31与第一节流孔41重合部分在第一孔311阶段变化时，重合部分的推进剂流量用于调节发动机推力；当重合部分转过第一孔311，此时重合部分中第二孔312部分的推进剂用于调节发动机预冷的流体流量。设置第二孔312的宽度大于第一孔311，从而使得阀芯调节过程中第二阶段的重合部分的面积变化速率大于第一阶段。在第一阶段中，由于流量调节较慢，可实现对推进剂的精确调节控制，从而实现发动机推力的精确调节，而第二阶段中，由于流量调节较快，可快速达到发动机预冷流量要求，同时可相应减小第二孔312的长度，提高第二阀芯3的强度。且在本实施方式中，第一孔311和第二孔312均为弧状的直孔(即轴向宽度不变)，从而使推进剂的调节形成两段线性调节，便于对流量的参数化计算和控制。

在本实施方式中，转轴32的轴端连接在驱动装置上，驱动装置包括电机17，电机17的输出轴与转轴32通过联轴器8连接从而带动转轴32转动。联轴器8与转轴32采用平键7连接，联轴器8与电机17输出轴采用花键连接。同时转轴32轴端可相应增长结构尺寸，使其具有较低的传热性能，保证电机17接口端温度不至于过低。

在本实施方式中，壳体1位于两密封圈12之间开设有泄出口C，泄出口C将经前三道密封泄露的微量推进剂排出，提高密封可靠性，保证电机17接口端无泄露物质。

如图1所示，端盖2和壳体1上均设有法兰，两者通过螺栓固定连接，端盖2对壳体1开口端进行盖合，同时端盖2抵接在轴承11上，对阀芯进行轴向限位。端盖2与壳体1之间设有垫片5，垫片5对连接位置进行密封，垫片5可采用铝垫片，垫片5上喷涂Fs-46，增强密封效果，保证密封可靠性。端盖2与第二阀芯3敞口对应的位置开设有入口A，从而形成推进剂入口。同时，端盖2和壳体1上设置有螺柱15，便于调节阀的安装。

上述对本实施方式的调节阀的结构进行了说明，下面结合图1对本实施方式调节阀的工作原理进行说明。

上游推进剂从入口A进入调节阀内，通过第二阀芯3和第一阀芯4上的第二节流孔31和第一节流孔41的重合部分，推进剂被节流降压，流量相应发生改变，通过出口B进入下游单元(例如燃气发生器)。需要对发动机进行推力调节时，电机17接到指令信号，输出旋转力矩驱动转轴32旋转从而使第二阀芯3转动，改变重合部分的过流面积，从而调节上下游流量和压力，实现发动机推力调节的功能。

上述对本实施方式的推力调节阀的结构和原理进行了说明，需要说明的是，在上述实施方式的基础上，本发明还有其它可替代的实施方式。

在一个可替代的实施方式中，第一阀芯4和第二阀芯3之间相对运动为往复滑动，两者通过滑动轴承连接，通过往复滑动改变两个节流孔的重合部分面积，进而实现发动机推力调节，调节原理与上述相同，在此不再赘述。

在另一个可替代的实施方式中，第二节流孔31的形状还可以是其他任何适于实施的形状，并不局限于上述实施方式，例如第二节流孔31为梯形状、三角形状等，本发明对此不作限制。

在再一个可替代的实施方式中，第一节流孔41和第二节流孔31的形状可以互换，在此基础上，第一孔311和第二孔312的面积比可根据实际需要进行设置，本发明对此不作限制。

在第二方面中，本发明还提供了一种火箭发动机，包括上述的推力调节阀，其结构与原理与上述相同，在此不再赘述。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。

Claims (11)

1.一种推力调节阀，其特征在于，设于燃气发生器上游，用以调节发动机推力，其包括：

第一阀芯(4)，设有第一节流孔(41)；和

第二阀芯(3)，设有第二节流孔(31)，所述第一阀芯(4)和所述第二阀芯(3)相对运动以使所述第一节流孔(41)和所述第二节流孔(31)具有重合部分且所述重合部分的面积连续变化，推进剂经所述重合部分流出，通过改变所述重合部分的面积以对流过所述重合部分的所述推进剂流量进行调节。

2.根据权利要求1所述的推力调节阀，其特征在于，

所述第一阀芯(4)和所述第二阀芯(3)为套筒结构且可相对转动地套接，所述第一节流孔(41)和所述第二节流孔(31)开设在所述第一阀芯(4)和所述第二阀芯套(3)接的侧壁上且位于同一轴向位置处。

3.根据权利要求2所述的推力调节阀，其特征在于，

所述第一节流孔(41)和所述第二节流孔(31)重合的过程中，所述重合部分的面积变化包括：

通过改变所述重合部分的面积以调节所述发动机推力的第一阶段；和

通过改变所述重合部分的面积以调节发动机预冷过流面积的第二阶段；

所述第二阶段的所述重合部分的面积的变化速率大于所述第一阶段。

4.根据权利要求3所述的推力调节阀，其特征在于，

所述第一阶段和所述第二阶段的所述重合部分的面积均为线性变化。

5.根据权利要求2至4任一项所述的推力调节阀，其特征在于，还包括：

壳体(1)，内部具有腔体，所述第一阀芯(4)固定设于所述腔体内，所述第二阀芯(3)套接于所述第一阀芯(4)内部，所述第二阀芯(3)一端具有敞口，另一端设有转轴(32)，所述转轴(32)穿出所述壳体(1)并与所述壳体(1)转动连接，所述第二阀芯(3)的所述敞口形成所述推进剂的入口，所述壳体(1)上与所述重合部分对应的位置开设有所述推进剂的出口。

6.根据权利要求5所述的推力调节阀，其特征在于，

所述壳体(1)与所述转轴(32)转动连接的位置处开设有贯通所述壳体(1)的泄出口。

7.根据权利要求6所述的推力调节阀，其特征在于，还包括：

驱动装置，连接于所述转轴(32)的轴端，用以驱动所述转轴(32)转动。

8.根据权利要求7所述的推力调节阀，其特征在于，

所述驱动装置包括电机(17)和用于连接所述电机输出轴与所述转轴的联轴器(8)。

9.根据权利要求8所述的推力调节阀，其特征在于，还包括：

端盖(2)，设于所述壳体(1)靠近所述推进剂的入口端，所述端盖(2)上开设有与所述入口连通的通孔。

10.根据权利要求9所述的推力调节阀，其特征在于，还包括：

密封件，包括设于所述端盖(2)与所述壳体(1)之间的垫片(5)以及设于所述转轴(32)上位于所述泄出口前后两端的密封圈(12)；和轴承(11)，设于所述第一阀芯(4)和第二阀芯(3)之间。

11.一种火箭发动机，其特征在于，包括权利要求1至10任一项所述的推力调节阀。