CN109973246A - 一种气液复合驱动预压涡轮泵结构及预压涡轮泵驱动方法 - Google Patents

一种气液复合驱动预压涡轮泵结构及预压涡轮泵驱动方法 Download PDF

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Abstract

一种气液复合驱动预压涡轮泵结构及预压涡轮泵驱动方法，适用于自身起动泵压式液体火箭发动机中，其能够在发动机起动阶段提前起旋预压涡轮泵，提高发动机起动阶段主泵的入口压力，从而改善发动机低入口压力的起动特性。本发明的气液复合驱动预压涡轮泵是通过高压液体和高温燃气复合驱动预压涡轮带动预压泵旋转增压。气涡轮与液涡轮共用一个涡轮转子。在发动机起动阶段利用主泵后的高压液体提前起旋预压涡轮，提高主泵的入口压力，降低主泵的汽蚀程度，待预压涡轮泵达到一定转速以后，关闭驱动液路，高温燃气接力驱动预压涡轮泵，提高发动机起动阶段的工作可靠性。本发明预压涡轮泵结构已在产品上进行过验证试验，取得了很好的效果。

Description

一种气液复合驱动预压涡轮泵结构及预压涡轮泵驱动方法
技术领域
本发明涉及一种气液复合驱动预压涡轮泵结构，属于流体机械技术领域。
背景技术
我国新一代液体火箭发动机普遍采用推进剂输送预压技术。通过预压泵对推进剂的预先增压，保证主泵在较低的贮箱压力下不发生汽蚀。当发动机处于起动阶段时，预压涡轮泵的转速是一个逐渐提高的过程，在一定时间段内是作为流阻元件存在，其流阻会导致主泵入口压力降低。对于高空二级发动机，由于发动机入口压力更低，因此起动段主泵入口压力会降得更低，降低了发动机工作的可靠性。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，为了改善发动机低入口压力的起动特性，提供了一种气液复合驱动预压涡轮泵结构。在起动阶段利用主泵后的高压液体提前起旋预压涡轮，提高主泵的入口压力，降低主泵的汽蚀程度，待预压涡轮泵达到一定转速以后，关闭驱动液路，高温燃气接力驱动预压涡轮泵，提高发动机起动阶段的工作可靠性。
本发明的技术解决方案是：
一种气液复合驱动预压涡轮泵结构，包括：喷嘴环和预压涡轮叶片，喷嘴环上设置有气喷嘴和液喷嘴，分别喷射高压燃气和高压液体；所述气喷嘴为收缩扩张喷嘴，所述液喷嘴为收缩喷嘴；预压泵为轴流泵。
通过高压液体和高压燃气接力复合驱动预压涡轮叶片带动预压泵旋转增压，气涡轮和液涡轮共用一个涡轮转子。
所述气涡轮是指高压气体驱动预压涡轮叶片带动预压泵旋转增压，所述液涡轮是指高压液体驱动预压涡轮叶片带动预压泵旋转增压，涡轮转子包括预压涡轮叶片和预压泵。
液喷嘴安放角保证高压液体驱动预压涡轮叶片时旋向与气涡轮驱动状态相同。液喷嘴的安放角保证在整个变工况工作时预压泵均输出正功率；如果在某些工况点输出的功率为负，则修正安放角，直至输出正功率，所述变工况工作是指液体驱动预压涡轮叶片带动预压泵旋转增压的过程。
气喷嘴采用局部进气方式。液喷嘴的收缩角度θ取10°<θ<20°。液喷嘴的冲角α取1°<α<2°。
所述高压液体为压力范围10～20Mpa，且与预压泵增压的液体为同种介质，所述高压气体为压力范围10～20MPa、温度范围400～600K的气体。
一种采用所述的气液复合驱动预压涡轮泵结构实现的预压涡轮泵驱动方法，步骤如下：
(1)在起动阶段利用高压液体提前起旋预压涡轮泵，提高主泵的入口压力；
(2)待预压涡轮泵达到预定转速以后，关闭驱动液路；
(3)高压燃气接力驱动预压涡轮泵。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明设计的气液复合驱动预压涡轮泵结构，气涡轮与液涡轮共用一个涡轮转子，结构布局上更加简单紧凑，提高了产品的工作可靠性；本发明设计的气液复合驱动预压涡轮泵结构，经过了实践验证。
(2)本发明设计的气液复合驱动预压涡轮泵结构，以气涡轮驱动预压涡轮泵的额定运转工况为设计点，设计预压涡轮泵结构，然后以设计好的预压涡轮泵结构为输入条件，依据液涡轮驱动的工况参数，设计适用于高压液体驱动的液喷嘴等其他结构，设计方法创新。
(3)本发明设计的气液复合驱动预压涡轮泵结构，气喷嘴采用局部进气方式，喷嘴环余下的结构空间可以布置足够的液喷嘴，保证了产品结构上的可行性。
(4)本发明设计的气液复合驱动预压涡轮泵结构，液喷嘴的安放角保证了在发动机起动阶段转速逐渐提高时预压泵均输出正功率，改善了发动机的起动品质。
附图说明
图1是本发明气液复合驱动预压涡轮泵结构的局部图；
图2是图1的零件1的主视图；
其中附图标记为：1-喷嘴环，2-预压涡轮叶片，3-气喷嘴，4-液喷嘴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
如图1、图2所示，图1为本发明的气液复合驱动预压涡轮泵结构的局部图，图2是图1的零件1的主视图。本发明提出的一种气液复合驱动预压涡轮泵结构为一个环形的喷嘴环，喷嘴环后为预压涡轮。
该预压涡轮泵结构包括喷嘴环(1)和预压涡轮叶片(2)，喷嘴环(1)上设置有气喷嘴(3)和液喷嘴(4)，分别喷射高压燃气和高压液体；所述气喷嘴(3)为收缩扩张喷嘴，所述液喷嘴(4)为收缩喷嘴；
通过高压液体和高压燃气接力复合驱动预压涡轮叶片(2)带动预压泵旋转增压，气涡轮和液涡轮共用一个涡轮转子。如此可保证气液复合驱动预压涡轮泵结构布局上简单紧凑。本发明中预压泵为轴流泵。
气涡轮是指高压气体驱动预压涡轮叶片(2)带动预压泵旋转增压，所述液涡轮是指高压液体驱动预压涡轮叶片(2)带动预压泵旋转增压，涡轮转子包括预压涡轮叶片(2)和预压泵。
为了保证液喷嘴有充分的空间布置，气喷嘴采用局部进气结构，如图2所示。
从保证预压涡轮泵运转连续性考虑，液喷嘴安放角应保证驱动涡轮转子时旋向与气涡轮驱动状态相同。
液喷嘴(4)的安放角保证在整个变工况工作时预压泵均输出正功率；如果在某些工况点输出的功率为负，则修正安放角，直至输出正功率，所述变工况工作是指液体驱动预压涡轮叶片(2)带动预压泵旋转增压的过程。
具体的，考虑到液喷嘴驱动预压涡轮泵时发动机处于起动阶段，预压涡轮泵工况变化大，需要评估液涡轮偏工况运行时的工作适应性，以保证液涡轮全工况运行时输出的均为正功率，否则需要修正液喷嘴的安放角。
这个内容属于设计液喷嘴的一项内容，具体就是：
(1)液喷嘴的安放角是基于一个工况参数设计的结构参数；
(2)发动机起动阶段预压涡轮泵是变工况工作过程；
(3)需要评估液涡轮偏工况运行时的工作适应性；
(4)评估的目标是保证当前安放角的液喷嘴在整个变工况工作时预压泵都能输出正的功率；
(5)如果在某些工况点输出的功率为负，那么需要修正安放角，直至适应所有的工况。
液喷嘴的冲角选取，考虑冲角应为正，保证正功率，冲角不宜太大，太大流动损失就大。本发明中液喷嘴冲角α优选取1°<α<2°。液喷嘴(4)的收缩角度θ优选10°<θ<20°。
本实施例中，高压液体为压力范围10～20Mpa的液氧，与预压泵增压的液体为同种介质，所述高压气体为压力范围10～20MPa、温度范围400～600K的气体，一般采用气氧。
进一步的，本发明还提出一种预压涡轮泵驱动方法，步骤如下：
(1)在起动阶段利用高压液体提前起旋预压涡轮泵，提高主泵的入口压力；
(2)待预压涡轮泵达到预定转速以后，关闭驱动液路；
(3)高压燃气接力驱动预压涡轮泵。
综上，本发明提出的一种气液复合驱动预压涡轮泵结构及预压涡轮泵驱动方法，适用于自身起动泵压式液体火箭发动机中，其能够在发动机起动阶段提前起旋预压涡轮泵，提高发动机起动阶段主泵的入口压力，从而改善发动机低入口压力的起动特性。本发明的气液复合驱动预压涡轮泵是通过高压液体和高温燃气复合驱动预压涡轮带动预压泵旋转增压，预压泵为轴流泵。气涡轮与液涡轮共用一个涡轮转子。在发动机起动阶段利用主泵后的高压液体提前起旋预压涡轮，提高主泵的入口压力，降低主泵的汽蚀程度，待预压涡轮泵达到一定转速以后，关闭驱动液路，高温燃气接力驱动预压涡轮泵，提高发动机起动阶段的工作可靠性。本发明气液复合驱动预压涡轮泵结构已经在产品上进行过验证试验，取得了很好的效果，有效改善了发动机低入口压力的起动特性，可在类似的泵压式液体火箭发动机中推广应用。
尽管对本实例的上述描述和附图代表了本发明的优选方案，但是本领域技术人员可以根据不同的设计要求和设计参数在不偏离权利要求所界定的范围的情况下进行改进，因此，本发明是广泛的。

Claims (10)

1.一种气液复合驱动预压涡轮泵结构，其特征在于包括：喷嘴环(1)和预压涡轮叶片(2)，喷嘴环(1)上设置有气喷嘴(3)和液喷嘴(4)，分别喷射高压燃气和高压液体；所述气喷嘴(3)为收缩扩张喷嘴，所述液喷嘴(4)为收缩喷嘴；
通过高压液体和高压燃气接力复合驱动预压涡轮叶片(2)带动预压泵旋转增压，气涡轮和液涡轮共用一个涡轮转子。
2.根据权利要求1所述的气液复合驱动预压涡轮泵结构，其特征在于：预压泵为轴流泵。
3.根据权利要求1所述的气液复合驱动预压涡轮泵结构，其特征在于：所述气涡轮是指高压气体驱动预压涡轮叶片(2)带动预压泵旋转增压，所述液涡轮是指高压液体驱动预压涡轮叶片(2)带动预压泵旋转增压，涡轮转子包括预压涡轮叶片(2)和预压泵。
4.根据权利要求1所述的气液复合驱动预压涡轮泵结构，其特征在于：液喷嘴(4)安放角保证高压液体驱动预压涡轮叶片(2)时旋向与气涡轮驱动状态相同。
5.根据权利要求4所述的气液复合驱动预压涡轮泵结构，其特征在于：液喷嘴(4)的安放角保证在整个变工况工作时预压泵均输出正功率；如果在某些工况点输出的功率为负，则修正安放角，直至输出正功率，所述变工况工作是指液体驱动预压涡轮叶片(2)带动预压泵旋转增压，预压泵从开始起旋到增加至预定转速的变化过程。
6.根据权利要求1所述的气液复合驱动预压涡轮泵结构，其特征在于：气喷嘴(3)采用局部进气方式。
7.根据权利要求1所述的气液复合驱动预压涡轮泵结构，其特征在于：液喷嘴(4)的收缩角度θ取10°<θ<20°。
8.根据权利要求1所述的气液复合驱动预压涡轮泵结构，其特征在于：液喷嘴(4)的冲角α取1°<α<2°。
9.根据权利要求1所述的气液复合驱动预压涡轮泵结构，其特征在于：所述高压液体为压力范围10～20Mpa，且与预压泵增压的液体为同种介质，所述高压气体为压力范围10～20MPa、温度范围400～600K的气体。
10.一种采用如权利要求1～9中任一项所述的气液复合驱动预压涡轮泵结构实现的预压涡轮泵驱动方法，其特征在于步骤如下：
(1)在起动阶段利用高压液体提前起旋预压涡轮泵，提高主泵的入口压力；
(2)待预压涡轮泵达到预定转速以后，关闭驱动液路；
(3)高压燃气接力驱动预压涡轮泵。
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