CN111502864B - 一种开式循环液氧煤油发动机系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种开式循环液氧煤油发动机系统及使用方法

技术领域

本发明属于液体火箭发动机技术领域，具体是一种开式循环液氧煤油发动机系统及使用方法。

背景技术

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。

发明内容

为了解决现有技术问题存在的问题，本发明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。

本发明的技术解决方案如下：

本发明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；

步骤2.3：通电引燃推力室内火药点火装置，产生高温富燃燃气，与进入推力室内的气氧和液氧燃烧；当煤油充满推力室头腔后，从推力室喷注器流出，在高温火药燃气引燃下，与先进入推力室的液氧点火燃烧，推力室压力上升；

步骤3：大流量点火启动

步骤3.1：火药起动器点火工作，将氧化剂主阀完全打开，火药燃气驱动涡轮快速起旋，氧化剂泵和煤油泵后压力快速升高，进入推力室的液氧流量和煤油流量迅速增大，推力室转为大流量点火工作，推力室内压力迅速上升；

步骤3.2：当火药起动器能量即将耗尽之前，通气打开氧化剂副阀，并下达烟火点火器点火指令，通气打开煤油副阀，当发动机泵后压力超过火药起动器在燃气发生器内建立的压力，推进剂充满燃气发生器头腔后，燃气发生器点火工作，与火药起动器接力驱动涡轮，通过涡轮的反馈，发动机工况不断爬升；在发动机工况爬升过程中，当氮气吹除阀后燃料压力高于氮气吹除阀阀前氮气压力，氮气吹除阀关闭，吹除过程自动停止；

步骤4：稳态工作

发动机点火起动完成后，氧化剂主阀、煤油主阀均撤气，依靠液氧、煤油的作用力维持两个主阀处于打开状态，氧化剂副阀和煤油副阀一直通气保持打开状态，发动机维持稳态工作；

步骤5：系统关机

发动机关机时，先、后关闭氧化剂副阀及煤油副阀，切断燃气发生器的氧化剂及煤油供应，涡轮功率快速下降，当氧化剂泵和煤油泵后压力低至一定时，氧化剂主阀和煤油主阀先后自动关闭；在关机过程中，当推力室入口和发生器头腔压力低于氮气吹除阀前氮气压力时，氮气吹除阀自动打开，高压氮气快速吹除推力室和燃气发生器通道内的残余推进剂，实现快速关机。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明提供的发动机系统结构简单，固有可靠性高。相比现有运载火箭主动力补燃循环发动机，本发动机采用燃气发生器循环方式，系统组件数量少、发动机内部压力低、富燃燃气与金属材料相容性好，提高发动机的固有可靠性，可以降低发动机生产成本，并且本发动机起动点火过程中，推力室在发动机入口压力下先进行点火，且进行氧化剂流量节流，可以确保推力室点火时刻推进剂流量小，点火过程柔和、冲击小，推力室点火后，火药起动器和燃气发生器先、后接力工作，可以保证涡轮转速爬升平稳，发动机起动过程受控。

2、本发明采用烟火点火器对燃气发生器进行点火，点火能量充足，点火器体积小，工作可靠。

3、本发明采用气动阀门控制推力室和燃气发生器的工作，与现役常规开式发动机采用一次性工作的电爆阀门相比，本发动机系统具有不下台连续多次试车能力，大幅减少试车验证费用。

4、本发明的发动机系统中设置了氮气吹除系统，在发动机起动前和关机过程中自动吹除，发动机内腔残余燃料少，有利于保证试车起动一致性。

5、本发明的同轴式涡轮泵组件，将煤油泵中置，涡轮和氧化剂泵分居两侧，氧化剂泵和煤油泵之间采用双“端面密封+浮动环”密封结构；煤油泵和涡轮之间采用皮碗密封结构，皮碗密封安装在煤油泵壳体内，皮碗密封通过设计保证靠近煤油泵侧压力比涡轮侧压力高，允许少量煤油泄漏到涡轮腔，阻止涡轮腔高温燃气向泵腔泄漏；皮碗可以采用耐高温的塑料加工。由于涡轮、煤油泵和氧化剂泵同轴布置，一个涡轮同时驱动煤油泵和氧化剂泵，结构紧凑，有效减少了整体的零部件数量、重量及空间外廓尺寸，降低了生产加工及试验成本，提高了可靠性。

6、本发明的氧化剂泵和煤油泵均结构紧凑，运行高效，泵体内部均设有密封结构，保证泵体运行安全。

7、本发明的氧化剂泵设置回流管，氧化剂泵离心轮叶轮出口流出的高压液体由于压差左右一部分从氧化剂泵离心轮后密封凸边与氧化剂泵离心轮后密封环之间的间隙流出，流过氧化剂泵轴承对氧化剂泵轴承及氧化剂泵侧端面密封进行冷却，再通过回流管流到氧化剂泵进口管内诱导轮之前，实现冷却回流，提高了流体的利用率。

8、本发明氧化剂泵导流套的前部和氧化剂泵进口管之间留有间隙，形成一个声腔结构，能够有效抑制氧化剂泵的汽蚀。

9、本发明的氧化剂泵壳体上开设有吹除气入口和吹除气出口，并形成吹除气通道，可用惰性气体进行吹除，保证氧化剂泵预冷时煤油泵及涡轮不会结冰影响涡轮正常启动，氧化剂泵预冷时氧化剂泵煤油泵腔之间进行高压惰性气体吹除加热，阻止低温通过轴及壳体向煤油泵及涡轮快速传递，保证了煤油泵壳体最低温度不小于-40℃，涡轮工作安全可靠。

附图说明

图1为本发明的系统示意图；

图2为本发明的起动点火过程的时序图；

图3为本发明实施例中同轴式涡轮泵组件的结构示意图；

图4为本发明图3中氧化剂泵轴承冷却回路示意图；

图5为本发明图4中主轴承冷却回路示意图；

图6为本发明实施例中两泵间密封吹除示意图；

图7为本发明实施例中声腔结构示意图；

图8为仿真实验过程中涡轮转速爬升曲线。

附图标记如下：

01-推力室、02-氧化剂输出主管路、03-煤油输出主管路、04-燃气发生器、05-烟火点火器、06-火药起动器、07-氧化剂输出副管路、08-煤油输出副管路、09-氮气吹除阀、010-涡轮、011-煤油泵、012-氧化剂泵、013-氧化剂主阀、014-煤油主阀、015-氧化剂副阀、016-煤油副阀、017-汽蚀管、018-节流圈。

1-涡轮转子、2-回流管、3-轴端螺钉、4-氧泵进口管、5-氧泵诱导轮、6-氧泵导流套、7-煤油泵诱导轮、8-氧泵离心轮前密封环、9-氧泵离心轮、10-氧泵壳体、11-氧泵离心轮后密封环、12-轴承座、13-氧泵侧端面密封、14-氧泵侧石墨浮动环、15-皮碗密封、16-涡轮盖、17-排气管、18-二级静子、19-限位螺母、20-主轴承、21-衬套、22-煤油泵壳体、2201-煤油泵壳体前部、2202-煤油泵壳体后部、23-煤油泵导流套、24-煤油泵离心轮前密封环、25-氧泵轴承、26-煤油泵离心轮、27-煤油泵离心轮后密封环、28-煤油泵侧端面密封、29-煤油泵侧石墨浮动环、30-套筒、31-第一回流孔、32-第二回流孔、33-通孔、34-回流入口、35-回流出口、36-声腔结构、37-吹除气入口、38-吹除气出口。

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有没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。

在发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

基本结构

本实施例提供了一种开式循环液氧煤油发动机系统的基本实现结构：如图1所示，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014；

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17，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03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(除本实施例之外，氮气吹除阀还可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。

以上基本系统结构中各部件的主要功能如下：

推力室01为发动机产生推力的组件，液氧和煤油在推力室内部进行燃烧。燃气发生器04是产生富燃燃气的组件，为涡轮010提供驱动工质。氧化剂泵012和煤油泵011为推力室01和燃气发生器04提供高压的液体推进剂。氧化剂主阀013和煤油主阀014是进入推力室的推进剂开关。氧化剂副阀015和煤油副阀016是进入燃气发生器04的推进剂开关。通过高压控制气体控制氧化剂主阀013、煤油主阀014、氧化剂副阀015和煤油副阀016的打开。在稳态工作中，氧化剂主阀013和煤油主阀014在推进剂介质压力下能够维持打开状态，氧化剂副阀015和煤油副阀016需通高压控制气以维持打开状态。烟火点火器05固定在燃气发生器04的头部，在发动机起动过程中，烟火点火器05产生高温火焰，对燃气发生器04进行点火。

基本结构的使用方法

本实施例的使用方法如下：

步骤1：打开氮气吹除阀09，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014，煤油在发动机入口压力下小流量充填推力室01冷却套和头腔；

步骤2.2：再通气小开度打开氧化剂主阀013(在实际过程中也可以采用在氧化剂主阀处并联一个旁通路实现该过程)，小流量液氧充填氧化剂主阀阀后腔道，部分快速蒸发；

步骤2.3：通电引燃推力室01内火药点火装置，产生高温富燃燃气，与进入推力室1内的气氧和液氧燃烧，当煤油充满推力室头腔后，从推力室喷注器流出，在高温火药燃气引燃下，与先进入推力室01的液氧点火燃烧，推力室压力上升；

步骤3：大流量点火启动；

步骤3.1：火药起动器点火工作，短时间内，氧化剂主阀013也通气完全打开(大开度)，火药燃气驱动涡轮快速起旋，氧化剂泵012和煤油泵011后压力快速升高，进入推力室01的液氧流量和煤油流量迅速增大，推力室01转为大流量点火工作，推力室01内压力迅速上升；

步骤3.2：当火药起动器06能量即将耗尽之前，通气打开氧化剂副阀015，并下达烟火点火器05点火指令，通气打开煤油副阀016，当发动机泵后压力超过火药起动器06在燃气发生器04内建立的压力，推进剂充满燃气发生器头腔后，燃气发生器04点火工作，与火药起动器06接力驱动涡轮010，通过涡轮的反馈，发动机工况不断爬升，该发动机系统起动点火过程如图7所示，在发动机工况爬升过程中，当燃料吹除阀09后燃料压力高于吹除阀前氮气压力，燃料吹除阀09关闭，推力室01和燃气发生器04燃料头腔的吹除自动停止；

步骤4：稳态工作

发动机起动完成后，氧化剂主阀013、煤油主阀014均撤气，依靠液氧、煤油的作用力维持两个主阀处于打开状态，氧化剂副阀015和煤油副阀016一直通气保持打开状态，发动机维持稳态工作；

步骤5：系统关机

发动机关机时，先、后关闭氧化剂副阀015及煤油副阀016，切断燃气发生器04的氧化剂及煤油供应，涡轮010功率快速下降，当氧化剂泵012和煤油泵011后压力低至一定时，氧化剂主阀013和煤油主阀014在弹簧力作用下先后自动关闭，在关机过程中，当推力室01入口和燃气发生器04头腔压力低于氮气吹除阀09前氮气压力时，氮气吹除阀09自动打开，高压氮气快速吹除推力室01和燃气发生器04通道内的残余推进剂，实现快速关机，也利于下次再次点火工作。

优化结构设计

在上述基本系统结构的基础上本实施例还做出了以下优化设计：

1、氧化剂输出副管路07和煤油输出副管路08上均安装有汽蚀管017，通过氧化剂输出副管路上的汽蚀管控制进入燃气发生器内液氧流量的精度，通过煤油输出副管路上的汽蚀管控制进入燃气发生器内煤油流量的精度。

2、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，煤油输出主管路上的节流圈调整推力室煤油路的流阻，以控制发动机的混合比在要求范围内。煤油输出副管路上的节流圈调整汽蚀管的压力损失在要求的范围内。

3、本实施例中同轴式涡轮泵组件的具体结构如下：煤油泵011居中，涡轮010和氧化剂泵012分居两侧，一个涡轮010同时驱动氧化剂泵012和煤油泵011，结构紧凑、零件少，主要由氧化剂泵012、煤油泵011、涡轮010，以及氧化剂泵012和煤油泵011间密封、涡轮010与煤油泵011之间密封组成。

如图3所示，氧化剂泵012包括氧化剂泵进口管4、氧化剂泵诱导轮5，氧化剂泵导流套6，氧化剂泵离心轮前密封环8、氧化剂泵离心轮9，氧化剂泵壳体10、氧化剂泵离心轮后密封环11、回流管2、轴端螺钉3、轴承座12和氧化剂泵轴承31。氧化剂泵壳体10内加工有螺旋式扩压器或者圆管式扩压器，轴承座12固定在氧化剂泵壳体10上，氧化剂泵轴承31穿过涡轮转子1安装在轴承座12内，氧化剂泵轴承12内圈一侧与氧化剂泵侧端面密封13的动环贴合，一侧与氧化剂泵离心轮9贴合，氧化剂泵轴承12轴向无限位装置，可轴向移动；氧化剂泵离心轮9与涡轮转子1通过花键连接，氧化剂泵诱导轮5与涡轮转子1通过平键连接传递扭矩，平键数量可以是1个，也可以是2个；氧化剂泵诱导轮5及氧化剂泵离心轮9通过轴端螺钉3轴向压紧，轴端螺钉3和涡轮转子1通过螺纹连接，轴端螺钉3内可以安装磁性元件用以测量涡轮转速；氧化剂泵离心轮后密封环11通过螺钉固定在氧化剂泵壳体10内，与氧化剂泵离心轮9后密封凸边形成迷宫密封阻止离心轮出口的高压液体向低压区泄漏，具体密封形式不限。如图7，氧化剂泵导流套6安装在氧化剂泵进口管4内，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，氧化剂泵导流套6与氧化剂泵进口管4形成一声腔结构36，抑制氧化剂泵工作时诱导轮汽蚀的产生。氧化剂泵离心轮前密封环8轴向压紧氧化剂泵导流套6，氧化剂泵离心轮前密封环8通过螺钉安装在氧化剂泵进口管4内，与氧化剂泵离心轮9前密封凸边形成迷宫密封阻止离心轮出口的高压液体向离心轮入口泄漏；氧化剂泵进口管4与氧化剂泵壳体10通过螺栓螺母连接，采用弹性垫圈防松。

煤油泵011包括煤油泵壳体22，煤油泵导流套23，煤油泵离心轮前密封环24，煤油泵诱导轮7，煤油泵离心轮26，煤油泵离心轮后密封环27，衬套21、主轴承20。煤油泵壳体22内加工有螺旋式扩压器或者圆管式扩压器，主轴承20内环一侧与涡轮转子1轴上台阶固定，另一侧通过衬套21压紧，主轴承20外环一侧安装在煤油泵壳体22内，一侧通过压紧螺母限位；煤油泵诱导轮7通过与涡轮转子1通过平键连接传递扭矩，平键数量可以是1个，也可以是2个；煤油泵离心轮26与涡轮转子1通过花键连接，离心轮通过压紧螺母与涡轮转子1固定，煤油泵导流套23通过煤油泵离心轮前密封环24压紧固定在煤油泵壳体22内，煤油泵离心轮前密封环24固定在煤油泵壳体22内，煤油泵离心轮后密封环27固定在氧化剂泵壳体10内。

涡轮010包括涡轮转子1、涡轮盖16、排气管17和二级静子18。涡轮转子1为冲击式涡轮，由一级转子和二级转子及轴组成，一级转子和二级转子由高温合金锻件加工而成，转子叶片高度由计算给出，叶片可以整体加工而成，外圈可以焊接一圈卫带，也可以整体加工一圈卫带增加转子叶片刚度，降低泄漏损失；一级转子和二级转子通过一周螺钉或铆钉连接，螺钉数量一般为偶数个，满足强度设计准则，连接好的一二级转子通过一周螺钉或铆钉与轴连接，螺钉数量一般为偶数个，满足强度设计准则；涡轮盖16主要包括集气环、一周均布或者不对称分布的拉法尔喷嘴，二级静子18通过螺钉安装固定在涡轮盖16上；排气管17焊接固定在涡轮盖16上。

两泵间密封包括氧化剂泵侧端面密封13，氧化剂泵侧石墨浮动环14，煤油泵侧端面密封28，煤油泵侧石墨浮动环29。氧化剂泵侧端面密封13可以是膜盒式端面密封，也可以是弹簧式端面密封，动环通过平键与涡轮转子1连接，也可以不通过平键靠氧化剂泵轴承25内环压紧，动环可以采用“液封轮+动环”一体化结构，通过液封轮降低密封比压，增强密封工作可靠性；安装在密封壳体内的石墨浮动环与动环接触，保证一定密封比压，起到密封氧介质的作用；氧化剂泵侧石墨浮动环14通过固定装置安装在氧化剂泵壳体内，石墨浮动环内环与涡轮转子1轴的径向间隙控制在0.05～0.3mm范围，保证石墨浮动环即起到密封又不会烧蚀；煤油泵侧端面密封28可以是膜盒式端面密封，也可以是弹簧式端面密封，动环通过平键与涡轮转子1连接，也可以不通过平键靠氧化剂泵轴承内环压紧，动环可以采用“液封轮+动环”一体化结构，通过液封轮降低密封比压，增强密封工作可靠性；安装在密封壳体内的石墨浮动环与动环接触，保证一定密封比压，起到密封氧介质的作用；氧化剂泵侧石墨浮动环29通过固定装置安装在氧化剂泵壳体内，浮动环内环与涡轮转子轴的径向间隙控制在0.05～0.3mm范围，保证浮动环即起到密封又不会烧蚀；煤油泵侧端面密封28从加工制造考虑可以与氧化剂泵侧端面密封13结构完全一样。

煤油泵011和涡轮010之间采用皮碗密封。限位螺母19压紧主轴承20，皮碗15采用耐高温材料加工，主唇在靠近涡轮侧安装，有涡轮转子1的轴形成过盈配合，径向过盈量0.05～0.4mm，保证转子转动时密封。涡轮设计时保证皮碗密封靠近煤油泵侧压力高于涡轮燃气侧压力0.02～0.15MPa，确保即使密封磨损泄漏时少量煤油向涡轮腔泄漏，参与涡轮燃气富燃燃烧，不会造成涡轮转子的温度升高，不会出现高温燃气反串到煤油泵内引起爆炸，可靠性高。

涡轮010为火药起动器启动，高速火药燃气推动涡轮转子1转动，从而带动氧化剂泵诱导轮5转动对液氧介质进行初步增压后进入氧化剂泵离心轮9，氧化剂泵离心轮在涡轮转子1的带动下同步转动，继续对进入离心轮入口的液氧介质进行增压，从离心出口的出来的液氧介质进入到氧化剂泵壳体内的蜗壳和扩压器中，速度降低压力继续增大，然后从泵出口流出进入下游管道中。

如图4，从氧化剂泵离心轮9叶轮出口流出的高压液体由于压差左右一部分从离心轮9后密封凸边与离心轮后密封环11之间的间隙流出，流过氧化剂泵轴承25对轴承及氧化剂泵侧端面密封13进行冷却，再通过回流管2流到氧化剂泵进口管4内诱导轮之前。

由于液氧的饱和蒸汽压高，因而氧化剂泵布置在轴端，轴向入口流阻损失最小，氧化剂泵抗汽蚀性能高，满足总体入口压力；要求氧化剂泵导流套6安装在氧化剂泵进口管4内后形成一声腔，破坏氧化剂泵诱导轮入口前外圆空化气态氧的形成，提高氧化剂泵的抗汽蚀能力。

如图5，涡轮转子1与煤油泵离心轮26的出口侧密封凸边对应位置沿轴向开设有多个回流入口34，所述涡轮转子1在主轴承20后侧与煤油泵壳体后部2202之间对应位置沿轴向开设有多个回流出口35，限位螺母19固定于煤油泵壳体前部2201内，限位螺母19开设有通孔33，所述通孔33与煤油泵入口通道处通过第一回流孔31连通，所述主轴承20的后侧与煤油泵入口通道处通过第二回流孔32相连通。

煤油泵诱导轮7在涡轮转子1的带动下对煤油介质进行初步增压后进入煤油泵离心轮26，在离心的转动下继续增压，从离心出口的出来的介质进入到煤油壳体内的蜗壳和扩压器中，速度降低压力继续增大，然后从泵出口流出进入下游管道中。从煤油泵离心轮26叶轮出口流出的高压液体由于压差左右一部分从离心轮26后密封凸边与离心轮后密封环21之间的间隙流出，

通过与转子对应的回流入口34流入涡轮转子1内部，从衬套21上回流通孔对应的回流出口35流出分为两路，一路流过主轴承20对轴承进行冷却润滑，经过限位螺母19上的通孔33流过对应煤油泵壳体上的第一回流孔31流入到泵入口；一路经过煤油泵壳体上对应的第二回流孔32直接流入到煤油泵诱导轮7前对入口流体增压，提高煤油泵汽蚀性能。

如图6，发动启动前氧路开始加注预冷，在吹除气入口37引入一股0.2～3MPa惰性气体进行吹除，从吹除气出口38吹出，保证氧化剂泵预冷时煤油泵及涡轮不会结冰影响涡轮正常启动，氧化剂泵预冷时氧化剂泵煤油泵腔之间进行高压惰性气体吹除加热，阻止低温通过轴及壳体向煤油泵及涡轮快速传递，保证了煤油泵壳体最低温度不小于-40℃，涡轮工作安全可靠。

煤油泵012在涡轮启动前2-5分钟排放后启动，减少了煤油泵012抽真空程序，涡轮启动程序简单。

同轴式涡轮泵组件工作过程中可以继续在吹除气入口引入一股0.2～3MPa惰性气体进行吹除，吹除气压力及流量由浮动环的设计泄漏量决定，将密封泄漏的推进剂从吹除气出口吹除到外界，防止泄漏的氧和煤油介质在泵腔内接触燃烧引起爆炸。密封经过大量试验证明无泄漏或极少泄漏后涡轮启动后也可不再进行密封吹除。

将上述的煤油泵更换为甲烷泵，本发明的方案依然可用，只需按照需要设计甲烷泵的尺寸和外壳，或依据常规需求调整部分内部结构即可。

试验验证

为了对本实施例开式循环液氧煤油发动机系统方案的合理性进行验证，从而建立了上述发动机系统，并对该发动机系统进行点火启动及运行试验，试验效果如下：发动机试车过程中的涡轮转速变化曲线如图8所示。在起动过程中，涡轮转速爬升平滑，在火药起动器通电指令后的0.9s内，发动机起动完成进入稳态工况，涡轮转速约为9100r/min，由此可见该系统的性能良好，符合实际需求。

本发明说明书中未详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术，最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种开式循环液氧煤油发动机系统的使用方法，其特征在于：所述发动机系统包括推力室(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(014)；

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；

该发动机系统的具体使用方法如下：

步骤1：打开氮气吹除阀(09)，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(014)、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(013)，小流量液氧充填氧化剂主阀阀后腔道，部分快速蒸发；

步骤2.3：通电引燃推力室(01)内火药点火装置，产生高温富燃燃气，与进入推力室(01)内的气氧和液氧燃烧；当煤油充满推力室头腔后，从推力室喷注器流出，在高温火药燃气引燃下，与先进入推力室的液氧点火燃烧，推力室压力上升；

步骤3：大流量点火启动；

步骤3.1：火药起动器(06)点火工作，将氧化剂主阀(013)完全打开，火药燃气驱动涡轮快速起旋，氧化剂泵(012)和煤油泵(011)后压力快速升高，进入推力室的液氧流量和煤油流量迅速增大，推力室转为大流量点火工作，推力室内压力迅速上升；

步骤3.2：当火药起动器(06)能量即将耗尽之前，通气打开氧化剂副阀(015)，并下达烟火点火器(05)点火指令，通气打开煤油副阀(016)，当发动机泵后压力超过火药起动器(06)在燃气发生器(04)内建立的压力，推进剂充满燃气发生器头腔后，燃气发生器(04)点火工作，与火药起动器(06)接力驱动涡轮，通过涡轮(010)的反馈，发动机工况不断爬升；在发动机工况爬升过程中，当氮气吹除阀(09)后燃料压力高于氮气吹除阀阀前氮气压力，氮气吹除阀(09)关闭，吹除过程自动停止；

步骤4：稳态工作

发动机点火起动完成后，氧化剂主阀(013)、煤油主阀(014)均撤气，依靠液氧、煤油的作用力维持两个主阀处于打开状态，氧化剂副阀(015)和煤油副阀(016)一直通气保持打开状态，发动机维持稳态工作；

步骤5：系统关机

发动机关机时，先、后关闭氧化剂副阀(015)及煤油副阀(016)，切断燃气发生器(04)的氧化剂及煤油供应，涡轮(010)功率快速下降，当氧化剂泵(012)和煤油泵(011)后压力低至一定时，氧化剂主阀(013)和煤油主阀(014)先后自动关闭；在关机过程中，当推力室入口和发生器头腔压力低于氮气吹除阀(09)前氮气压力时，氮气吹除阀(09)自动打开，高压氮气快速吹除推力室和燃气发生器通道内的残余推进剂，实现快速关机。

2.根据权利要求1所述的开式循环液氧煤油发动机系统的使用方法，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的使用方法，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的使用方法，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的使用方法，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的使用方法，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煤油发动机系统的使用方法，其特征在于：所述氧化剂泵壳体(10)位于浮动环密封处沿轴向对称开设有吹除气入口(37)和吹除气出口(38)，氧化剂泵壳体(10)内在吹除气入口(37)和吹除气出口(38)之间形成吹除气通道。

8.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的使用方法，其特征在于：所述煤油泵(011)包括煤油泵诱导轮(7)和煤油泵离心轮(26)；

所述煤油泵壳体(22)包括煤油泵壳体前部(2201)和蜗壳状的煤油泵壳体后部(2202)，煤油泵壳体后部(2202)上开设有煤油泵入口通道，皮碗(15)安装于煤油泵壳体前部(2201)和涡轮之间；

所述煤油泵诱导轮(7)和煤油泵离心轮(26)均套设于涡轮转子(1)上，煤油泵诱导轮(7)和煤油泵离心轮(26)固定连接，煤油泵诱导轮(7)外套设有煤油泵导流套(23)；

煤油泵离心轮(26)的进口侧密封凸边外与煤油泵壳体后部(2202)之间设有煤油泵离心轮前密封环(24)，煤油泵导流套(23)的后端面与煤油泵离心轮前密封环(24)的前端面贴合，煤油泵离心轮(26)的出口侧密封凸边外与煤油泵壳体后部(2202)之间设有煤油泵离心轮后密封环(27)；煤油泵侧端面密封(28)与煤油泵离心轮(26)后端贴合；

涡轮转子(1)位于煤油泵诱导轮(7)的前端与煤油泵壳体后部(2202)之间套设有衬套(21)，煤油泵壳体前部(2201)与涡轮转子(1)之间套设有主轴承(20)，所述主轴承(20)的内圈一侧与涡轮转子(1)上设置的台阶贴合，另一侧与衬套(21)的端面贴合，通过衬套(21)将主轴承(20)压紧，主轴承(20)的外圈一侧与煤油泵壳体前部(2201)内的台阶贴合，另一侧通过限位螺母(19)压紧；所述限位螺母(19)固定于煤油泵壳体前部(2201)内，限位螺母(19)开设有通孔(33)，所述通孔(33)与煤油泵入口通道处通过第一回流孔(31)连通，所述主轴承(20)的后侧与煤油泵入口通道处通过第二回流孔(32)相连通；

所述涡轮转子(1)与煤油泵离心轮(26)的出口侧密封凸边对应位置沿周向开设有多个回流入口(34)，所述涡轮转子(1)在主轴承(20)后侧与煤油泵壳体后部(2202)之间对应位置沿周向开设有多个回流出口(35)，所述衬套(21)与回流出口(35)对应位置开设有回流通孔；

所述煤油泵壳体(22)内加工有螺旋式扩压器或者圆管式扩压器。

9.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的使用方法，其特征在于：所述涡轮(010)为两级冲击式涡轮。

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