CN111622864B - 一种半开式富氧补燃循环发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半开式富氧补燃循环发动机，将开式循环和补燃循环组合成半开式富氧补燃循环；具有全流量补燃循环发动机的氧化剂涡轮泵和燃料涡轮泵分别由富氧燃气和富燃燃气驱动，且介质相容，轴密封允许泄露量大，旋转组件安全裕度大，具有重复使用的特点。开式燃料供应系统的燃料涡轮泵由富燃燃气驱动，燃料涡轮采用小流量高压比冲击式涡轮，驱动燃料涡轮泵的富燃燃气通过喷管直接排出外界或引入喷管后段，不引入主燃烧室。闭式氧化剂供应的系统氧化剂涡轮泵由富氧燃气驱动，氧涡轮采用大流量低压比涡轮，驱动氧化剂涡轮泵的富氧燃气进入推力主燃烧室与燃料涡轮泵输入的燃料进行补燃，产生高温高压气体经喷管排出产生推力。

Description

一种半开式富氧补燃循环发动机

技术领域

本发明涉及一种半开式富氧补燃循环发动机，具体地说，涉及一种可用于商业运载火箭、空间飞行器的液体推进剂泵压式火箭发动机。

背景技术

目前运载火箭和空间飞行器所采用的泵压式发动机的系统循环方式主要有开式循环和闭式循环两类。开式循环如发生器循环、抽气循环等，其驱动涡轮的气体直接排出，由于排出的气体未经充分燃烧，这类发动机比冲性能相对较低，如长征3号、长征4号系列运载火箭仍在使用的各型常规推进剂火箭发动机。闭式循环发动机通常包括补燃循环和膨胀循环两种方式，这类循环方式由于无排气损失，发动机比冲性能较高。

膨胀循环是利用推力室传热产生气体直接驱动涡轮的一种闭式循环方式，由于无发生器或预燃室，系统相对简单，但仅适用于如液氢、甲烷之类的低温推进剂发动机。常规的补燃循环发动机是通过组织燃气发生器进行富燃或富氧燃烧，产生富燃或富氧燃气驱动涡轮之后引入主燃烧室进行补燃；补燃循环又分为全流量补燃循环、富氧补燃循环、富燃补燃循环方式。

常规的富氧或者富燃补燃循环发动机由于是由一个预燃室驱动氧化剂和燃料涡轮泵，通常需要较高的预燃室燃气温度，受材料可承受温度的限制，发动机燃烧室压力的提高难度较大。

全流量补燃循环是利用全部的推进剂进入富氧和富燃两个预燃室组织燃烧，产生的富氧燃气驱动氧化剂涡轮泵，富燃燃气则驱动燃料涡轮泵，富氧和富燃燃气做功之后引入燃烧室进行补燃的一种补燃循环方式。全流量补燃循环发动机具有理论燃烧室压力高、比冲性能高、预燃室温度低涡轮泵介质相容性好的特点，但由于需要同时组织超高压力的富氧预燃室和富燃预燃室进行燃烧，发动机系统复杂，各分系统流体动力学特性高度耦合，启动、变工况和关机时序控制精度要求高，其可靠性的保证难度较大。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种半开式富氧补燃循环发动机；该发动机将开式循环和补燃循环组合成半开式富氧补燃循环，其可提高发动机的燃烧室压力，保证发动机性能，又可保证涡轮泵工作介质的相容性，降低研制难度，提高发动机可靠性和安全性裕度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括开式燃料供应系统、闭式氧化剂供应系统和推力主燃烧室，其特征在于所述闭式氧化剂供应系统包括氧化剂泵、氧阀、富氧预燃室、氧涡轮、预燃室氧阀，所述氧化剂泵、氧涡轮固连在推力主燃烧室的前部，富氧预燃室位于氧化剂泵、氧涡轮之间的两侧，并与氧涡轮相连，氧阀分别与氧化剂泵、富氧预燃室通过管路连接，氧化剂泵与富燃发生器通过管路连接，发生器氧阀安装在靠近富燃发生器管路上；氧化剂涡轮泵通过富氧燃气驱动，氧化剂泵增压后的氧化剂一路引入富燃发生器，另一路引入富氧预燃室与从燃料泵后引入的燃料燃烧，产生富氧燃气驱动氧涡轮，驱动氧化剂涡轮泵的富氧燃气进入推力主燃烧室，并与燃料涡轮泵供给推力主燃烧室的燃料进行补燃，产生高温高压气体经喷管排出产生推力；

所述开式燃料供应系统包括燃料一级泵、燃料二级泵，燃料涡轮、富燃发生器、燃料阀、发生器燃料阀、发生器氧阀，燃料一级泵与燃料二级泵安装在燃料涡轮前部，富燃发生器位于燃料二级泵与燃料涡轮之间，富燃发生器与燃料涡轮相连接，发生器氧阀位于富燃发生器一侧，发生器燃料阀固连在富燃发生器另一侧，并通过预燃室氧阀与富氧预燃室相连，燃料一级泵与推力主燃烧室通过管路连接，燃料阀安装在连接管路上；燃料一级泵与燃料二级泵相连通，燃料一级泵增压后部分供给燃料二级泵，其余部分经燃料阀引入推力主燃烧室，燃料二级泵的燃料一路经发生器燃料阀进入富燃发生器与从氧化剂泵后引出的部分氧化剂组织燃烧，产生的富燃燃气驱动燃料涡轮，驱动燃料涡轮后的燃气通过喷管直接排至外界或引入推力主燃烧室喷管后段,另一路燃料经预燃室氧阀进入富氧预燃室。

推进剂为液氧、煤油，或液氧、甲烷，液氧、液氢和四氧化二氮、偏二甲肼推进剂组合。

有益效果

本发明提出的一种半开式富氧补燃循环发动机，将开式循环和补燃循环组合成半开式富氧补燃循环，即可提高发动机的燃烧室压力，保证发动机性能，又可保证涡轮泵工作介质的相容性，降低研制难度，提高发动机可靠性和安全性裕度。半开式富氧补燃循环发动机具有全流量补燃循环发动机氧化剂涡轮泵和燃料涡轮泵分别由富氧燃气和富燃燃气驱动，介质相容，轴密封允许泄露量大，旋转组件安全裕度大，易于实现重复使用的特点，同时又合理避免全流量补燃循环发动机燃料供应压力过高、推力室研制难度大、系统高度耦合的缺陷。

半开式富氧补燃循环发动机与常规闭式补燃循环发动机相比，由于半开式富氧补燃循环发动机驱动燃料涡轮泵的富燃燃气直接排出外界，会造成部分能量损失，比冲有所降低。但由于燃料涡轮泵功率小，驱动燃料涡轮泵的富燃燃气流量占发动机的总流量的比例小，发动机的比冲降低相对较小。以海平面推力为100t的液氧/煤油推进剂组合为例，主燃烧室压力取26.5Mpa，理论计算半开式富氧补燃循环发动机海平面比冲可达到303s，相同燃烧室压力和喷管面积比条件下，闭式补燃循环发动机海平面比冲为311s，半开式富氧补燃循环发动机比冲降低幅度小于2.5％，半开式富氧补燃循环发动机有效避免了开式循环发动机主燃烧室压力无法提高、比冲过低的缺点。

半开式富氧补燃循环发动机具有以下特点

(1)燃料涡轮泵压力低，功率小，结构质量轻，有利于通过结构一体化设计较大幅度降低发动机结构质量；(2)燃料供应系统和氧化剂供应系统相对基本独立，便于单独开展试验验证，可在组成发动机全系统之前分别进行可靠性考核，有利于降低整机试车风险，减少整机试车次数，从而降低发动机研制成本；(3)富燃燃气可引入喷管后段形成气膜冷却，喷管后段无需再生冷却，推力室冷却夹套短，冷却燃料压降低、压力相对小，可在降低推力室结构质量的同时提高冷却夹套结构安全裕度；(4)发动机起动过程所需能量小，起动过程控制简单，只需起旋功率较小的燃料涡轮泵即可依靠燃料泵的压力完成发动机的起动过程，便于实现多次起动；(5)氧化剂涡轮只需驱动氧化剂泵，所需涡轮功率相对小，可有效降低高压富氧燃气的温度，从而可在确保高压富氧燃气系统的安全裕度的同时，克服常规补燃循环发动机由于富氧燃气温度的限制工况难以向上调节的问题。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种半开式富氧补燃循环发动机作进一步详细说明。

图1为本发明半开式富氧补燃循环发动机示意图。

图2为本发明的燃料二级泵单独供应富氧预燃室示意图。

图3以液氧煤油开式循环、半开式富氧补燃循环和闭式补燃循环发动机海平面比冲与室压曲线图。

图中

1.氧化剂泵 2.氧阀 3.富氧预燃室 4.氧涡轮 5.预燃室氧阀 6.推力主燃烧室7.燃料阀 8.发生器燃料阀 9.燃料涡轮 10.富燃发生器 11.发生器氧阀 12.燃料二级泵13.燃料一级泵

具体实施方式

本实施例是一种半开式富氧补燃循环发动机。

参阅图1、图2、图3，本实施例半开式富氧补燃循环发动机，采用开式循环和闭式循环，即补燃循环，相结合的循环方式，由开式燃料供应系统、闭式氧化剂供应系统和推力主燃烧室组成；其中，开式燃料供应系统包括燃料一级泵13、燃料二级泵12，燃料涡轮9、富燃发生器10、燃料阀7、发生器燃料阀8、发生器氧阀11，燃料一级泵13与燃料二级泵12安装在燃料涡轮9前部，富燃发生器位于燃料二级泵12与燃料涡轮9之间，富燃发生器10与燃料涡轮9相连接，发生器氧阀11位于富燃发生器10一侧，发生器燃料阀8固连在富燃发生器10另一侧，并通过预燃室氧阀5与富氧预燃室3相连，燃料一级泵13与推力主燃烧室通过管路连接，燃料阀7安装在连接管路上；燃料一级泵13与燃料二级泵12相连通，燃料一级泵13增压后部分供给燃料二级泵12，其余部分经燃料阀7引入推力主燃烧室6，燃料二级泵12的燃料一路经发生器燃料阀8进入富燃发生器10与从氧化剂泵1后引出的部分氧化剂组织燃烧，产生的富燃燃气驱动燃料涡轮9，驱动燃料涡轮9后的燃气通过喷管直接排至外界或引入推力主燃烧室6喷管后段,另一路燃料则经预燃室氧阀5进入富氧预燃室3。

闭式氧化剂供应系统包括氧化剂泵1、氧阀2、富氧预燃室3、氧涡轮4、预燃室氧阀5；所述氧化剂泵1、氧涡轮4固连在推力主燃烧室6的前部，富氧预燃室3位于氧化剂泵1、氧涡轮4之间的两侧，并与氧涡轮4相连通，氧阀2分别与氧化剂泵1、富氧预燃室3通过管路连接，氧化剂泵1与富燃发生器通过管路连接，发生器氧阀11安装在靠近富燃发生器管路上；氧化剂涡轮泵通过富氧燃气驱动，氧化剂泵1增压后的氧化剂一路引入富燃发生器10，另一路引入富氧预燃室3与从燃料泵后引入的燃料燃烧，产生富氧燃气驱动氧涡轮4，驱动氧化剂涡轮泵的富氧燃气进入推力主燃烧室6，并与燃料涡轮泵供给推力主燃烧室6的燃料进行补燃，产生高温高压气体经喷管排出产生推力。

本实施例中，富氧预燃室的燃料的供应也可采用燃料二级泵单独供应，而富燃发生器10的燃料则从燃料一级泵后引出。

半开式富氧补燃循环发动机工作过程

启动前燃料充满燃料一级泵13和燃料二级泵12至阀前，氧化剂充满氧化剂泵至氧化剂阀前。启动时，打开富燃发生器燃料阀和发生器氧阀11，氧化剂和燃料进入富燃发生器10，经点火燃烧产生燃气驱动燃料涡轮9，带动燃料泵，燃料泵后压力上升；依次打开富氧发生器10燃料阀7和氧阀2，氧化剂和燃料进入富氧发生器10，经点火燃烧，产生富氧燃气驱动氧涡轮带动氧泵，氧泵后压力上升；燃料泵后压力达到一定值后打开燃料阀，燃料经推力室冷却通道进入推力主燃烧室6与驱动氧涡轮4之后进入推力室的富氧燃气补燃。达到稳定工况后，通过调节富氧预燃室燃料阀和富燃发生器氧阀的开度调节发动机的推力，通过调节燃料阀的开度调节发动机混合比。关机时，关闭富燃发生器氧阀和富氧预燃室燃料阀，切断发生器氧化剂和预燃室燃料供应，燃料涡轮泵和氧化剂涡轮泵转速下降，扬程降低，当泵扬程降低到一定值时燃料阀和氧阀关闭，发动机关机。

本实施例中，半开式富氧补燃循环发动机采用液氧、煤油，或液氧、甲烷，或液氧、液氢和四氧化二氮、偏二甲肼推进剂组合。

根据推进剂饱和蒸汽压值和火箭总体提供的推进剂入口压力大小可增加燃料预压泵和氧化剂预压泵。

半开式富氧补燃循环发动机，阀门的控制方式可采用气控、电控或液压自动控制，富氧预燃室和富燃发生器根据推进剂组合的特点采用火炬点火、火药点火、化学自燃点火或者电点火方式，燃料涡轮泵的起旋则可采用氦气或火药起旋方式。发动机的系统参数根据推力主燃烧室压力设计值通过参数选择、热力计算与参数平衡计算获得。

本实施例中，以海平面推力为100t的液氧/煤油推进剂组合为例，对开式富氧补燃组合循环发动机的系统特点和性能指标作进一步描述。发动机按图2配置，并增加燃料预压泵和氧化剂预压泵。按主燃烧室压力为26.5Mpa，推力室混合比为2.7，喷管面积比为35，富燃发生器混合比为0.3，燃料涡轮压比25，氧涡轮压比1.72的设计值，通过热力计算和系统参数平衡计算，可获得发动机性能和组件设计参数。主要参数如表1所示；

100t液氧煤油半开式补燃循环发动机主要参数 表1

根据参数计算结果可以看出，液氧煤油半开式补燃循环发动机在主燃烧室压力高达26.5Mpa且考虑足够的推进剂流路压降的条件下，燃料涡轮所需流量仅占发动机总流量的约4％，燃料涡轮排气损失占比相对较小，发动机可达到较高的比冲性能。在对液氧煤油开式循环、半开式富氧补燃循环和闭式补燃循环发动机比冲与室压的变化关系的计算结果表明，开式循环发动机由于随着主燃烧室压力的提高需要更高比例流量的燃气驱动涡轮而导致发动机的比冲在过低的燃烧室压力值处出现拐点，室压力一般不超过12Mpa，比冲过低，而半开式富氧补燃组合循环发动机在很高的压力范围内比冲随主燃烧室压力增加而增加。

计算结果表明，液氧煤油半开式补燃循环发动机由于驱动氧涡轮的富氧燃气流路大，且只需驱动氧泵，与由一个涡轮同时驱动氧化剂泵和燃料泵的常规补燃循环发动机相比，富氧预燃室的高压富氧燃气温度相对较低为680K，可大幅地提高富氧燃气系统的安全裕度，有效避免常规补燃循环发动机由于富氧燃气温度过高，安全裕度小，推力难以向上调节的不足。

计算结果表明，液氧煤油半开式补燃组合循环发动机燃料一级泵扬程相对较低，所需燃料涡轮功率只为氧涡轮功率的37％，燃料涡轮泵研制难度相对较小，可以降低燃料涡轮泵的结构尺寸与结构重量。同时，由于推力室冷却夹套最高入口压力低，不高于燃料一级泵后压力，可以提高推力室冷却夹套结构安全裕度，避免全流量补燃循环发动机推力室冷却夹套结构必需承受过高压力带来的加工难题。

半开式补燃组合循环发动机推力和混合比的调节可通过调节富氧预燃室燃料阀开度、富燃发生器燃料阀与富燃发生器氧阀开度，或在相应流路上设置调节器改变相应流路的压降，增加或减少富氧预燃室燃料流量和富燃发生器流量来实现。同时提高或减小富氧预燃室燃料流量和富燃发生器流量可提高或减小发动机推力，保持富氧预燃室燃料流量基本不变，提高或较小富燃发生器的流量可减小，或增加发动机混合比。由于无需在燃料主路设置混合比调节器，半闭式补燃组合循环发动机推力和混合比调节组件流量小，可减小结构重量和降低研制难度。

Claims (2)

1.一种半开式富氧补燃循环发动机，包括开式燃料供应系统、闭式氧化剂供应系统和推力主燃烧室，其特征在于:所述闭式氧化剂供应系统包括氧化剂泵、氧阀、富氧预燃室、氧涡轮、预燃室氧阀，所述氧化剂泵、氧涡轮固连在推力主燃烧室的前部，富氧预燃室位于氧化剂泵、氧涡轮之间的两侧，并与氧涡轮相连，氧阀分别与氧化剂泵、富氧预燃室通过管路连接，氧化剂泵与富燃发生器通过管路连接，发生器氧阀安装在靠近富燃发生器管路上；氧化剂涡轮泵通过富氧燃气驱动，氧化剂泵增压后的氧化剂一路引入富燃发生器，另一路引入富氧预燃室与从燃料泵后引入的燃料燃烧，产生富氧燃气驱动氧涡轮，驱动氧化剂涡轮泵的富氧燃气进入推力主燃烧室，并与燃料涡轮泵供给推力主燃烧室的燃料进行补燃，产生高温高压气体经喷管排出产生推力；

所述开式燃料供应系统包括燃料一级泵、燃料二级泵，燃料涡轮、富燃发生器、燃料阀、发生器燃料阀、发生器氧阀，燃料一级泵与燃料二级泵安装在燃料涡轮前部，富燃发生器位于燃料二级泵与燃料涡轮之间，富燃发生器与燃料涡轮相连接，发生器氧阀位于富燃发生器一侧，发生器燃料阀固连在富燃发生器另一侧，并通过预燃室氧阀与富氧预燃室相连，燃料一级泵与推力主燃烧室通过管路连接，燃料阀安装在连接管路上；燃料一级泵与燃料二级泵相连通，燃料一级泵增压后部分供给燃料二级泵，其余部分经燃料阀引入推力主燃烧室，燃料二级泵的燃料一路经发生器燃料阀进入富燃发生器与从氧化剂泵后引出的部分氧化剂组织燃烧，产生的富燃燃气驱动燃料涡轮，驱动燃料涡轮后的燃气通过喷管直接排至外界或引入推力主燃烧室喷管后段,另一路燃料经预燃室氧阀进入富氧预燃室。

2.根据权利要求1所述的半开式富氧补燃循环发动机，其特征在于:推进剂为液氧、煤油，或液氧、甲烷，或液氧、液氢，或四氧化二氮、偏二甲肼。

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