CN112761821B - 气瓶起动系统及液体火箭发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及泵压式液体火箭发动机技术领域，具体涉及一种气瓶起动系统及液体火箭发动机，其中气瓶起动系统包括：涡轮泵，包括涡轮喷嘴、动叶栅，所述涡轮喷嘴包括分隔开的第一部分、第二部分；气瓶，与所述第一部分通过第一管路相连，所述第一管路上设有电磁阀；燃气发生器，通过第二管路与所述第二部分相连。由于燃气发生器及第二部分涡轮喷嘴不与气瓶连通，这样就不用必须保证气瓶末压高于发生器内的压力，而只需保证气瓶末压比涡轮动叶栅处的压力高即可，而涡轮动叶栅处的压力很低，电磁阀前后的压差足够大，燃气不会返入气瓶内；且经过一次起动后，气瓶末压较高，仍还能再次放气起动一次，即不需要重复设置一个气瓶进行二次起动。

Description

气瓶起动系统及液体火箭发动机

技术领域

本发明涉及泵压式液体火箭发动机技术领域，具体涉及一种气瓶起动系统及液体火箭发动机。

背景技术

液体火箭发动机的一种外能源起动方案为气瓶起动，这种起动方案利用瓶装的高压气体驱动涡轮，高压气体一般采用发动机燃料气体，如液氧液氢发动机可采用氢气，液氧甲烷发动机可采用甲烷，除此以外，也可选择氮气、氦气。采用这种起动方式，合理选择气瓶的容积和压力以及燃气发生器的点火程序，可以保证发动机能迅速平稳起动。对于需要两次起动的发动机，可以采用双气瓶起动系统，但其结构质量较大。因此，现有技术中也有利用推力室冷却夹套中经吸热气化的燃料气体，即起动气瓶在发动机第一次起动放气后，再用发动机工作期间的冷却夹套中气化的燃料气体对气瓶进行充气。这样，就可以用一套起动气瓶系统来实现发动机的多次起动。

气瓶起动系统一般由气瓶、电磁阀及相应导管组成，当电磁阀打开，高压气体被引入涡轮入口集合器，气体经过涡轮喷嘴、动叶栅驱动涡轮转动，输出轴功，然后经涡轮排气管排出，然后电磁阀关闭，使得燃气发生器内的燃气与气瓶隔绝，由于电磁阀一般为先导式结构，不能够反向密封，即当涡轮入口集合器内的压力高于气瓶末压时，燃气便会反向倒灌进入起动气瓶，若起动气瓶采用复合材料，燃气温度超过了气瓶的安全使用温度，气瓶将会发生结构破坏，影响发动机工作安全，为了避免以上情况出现，起动气瓶的放气末压必须保证比涡轮入口集合器压力高，即保证高温燃气不会反向进入起动气瓶内部。但是，这样带来的问题是增加了气瓶内气体的剩余量，预充的气体不能够利用充分，在保证相同的起动功率下，增大了气瓶的容积和压力等不利因素。

若采用推力室冷却夹套出口引出的燃料气体对起动气瓶进行充气，气瓶充气压力与涡轮入口压力相差不大，同时为了保证气瓶末压高于涡轮入口压力，那么起动气瓶的放气压差将会非常小，以至于不能够起动。除此之外，若采用燃料气体进行起动，在燃气发生器点火前，燃气发生器内充满燃料气体，容易造成发生器点火时的压力峰问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既能实现二次起动，且可以有效解决气瓶剩余气量过多和对气瓶末压的限制的问题的气瓶起动系统及液体火箭发动机。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种气瓶起动系统，包括：

涡轮泵，包括涡轮喷嘴、动叶栅，所述涡轮喷嘴包括分隔开的第一部分、第二部分；

气瓶，与所述第一部分通过第一管路相连，所述第一管路上设有电磁阀；

燃气发生器，通过第二管路与所述第二部分相连。

可选地，所述第一部分占所述涡轮喷嘴的比值为A，10％≤A≤30％。

可选地，15％≤A≤20％。

可选地，所述气瓶起动系统还包括起动集合器，所述起动集合器设置在所述第一部分上，且同时与所述第一部分、所述第一管路相连通。

可选地，所述气瓶起动系统还包括燃气集合器，所述燃气集合器设置在所述第二部分上，且同时与所述第二部分、所述第二管路相连通。

可选地，所述气瓶起动系统还包括控制器，所述控制器用于在所述涡轮泵的转速到达预设转速时，控制所述燃气发生器点火，并控制所述电磁阀关闭。

可选地，所述气瓶内适于预先存储氢气、氦气、氮气中的一种。

可选地，所述气瓶起动系统还包括推进剂贮箱、推力室，所述推进剂贮箱分别与所述推力室、所述燃气发生器连通，所述推力室的夹套出口与所述气瓶连通。

本发明还提供一种液体火箭发动机，包括所述的气瓶起动系统。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的气瓶起动系统，当发动机进行起动时，打开电磁阀，由于第一部分与第二部分分隔开，起动气体不会填充第二部分的涡轮喷嘴，起动气体沿第一管路进入第一部分的涡轮喷嘴，动叶栅驱动涡轮转动，输出轴功，当涡轮加速到一定的转速，燃气发生器进行点火，燃气发生器开始工作，与起动气瓶形成接力，关闭电磁阀，发动机完成起动，此时燃气发生器内有较高的压力，由于燃气发生器及第二部分涡轮喷嘴不与气瓶连通，这样就不用必须保证气瓶末压高于发生器内的压力，而只需保证气瓶末压比涡轮动叶栅处的压力高即可，而涡轮动叶栅处的压力很低，电磁阀前后的压差足够大，燃气不会返入气瓶内；且经过一次起动后，气瓶末压较高，仍还能再次放气起动一次，即不需要重复设置一个气瓶进行二次起动。

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为本发明的实施例1中提供的气瓶起动系统的结构示意图。

附图标记说明：

1－气瓶；2－电磁阀；3－起动集合器；4－动叶栅；5－涡轮喷嘴；6－燃气集合器；7－第二管路；8－燃气发生器；9－第一管路。

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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”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。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式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。

实施例1

现有技术中的气瓶起动系统一般由气瓶、电磁阀及相应导管组成，当电磁阀打开，高压气体被引入涡轮入口集合器，气体经过涡轮喷嘴、动叶栅驱动涡轮转动，输出轴功，然后经涡轮排气管排出，然后电磁阀关闭，使得燃气发生器内的燃气与气瓶隔绝，由于电磁阀一般为先导式结构，不能够反向密封，即当涡轮入口集合器内的压力高于气瓶末压时，燃气便会反向倒灌进入起动气瓶，若起动气瓶采用复合材料，燃气温度超过了气瓶的安全使用温度，气瓶将会发生结构破坏，影响发动机工作安全，为了避免以上情况出现，起动气瓶的放气末压必须保证比涡轮入口集合器压力高，即保证高温燃气不会反向进入起动气瓶内部。但是，这样带来的问题是增加了气瓶内气体的剩余量，预充的气体不能够利用充分，在保证相同的起动功率下，增大了气瓶的容积和压力等不利因素。

若采用推力室冷却夹套出口引出的燃料气体对起动气瓶进行充气，气瓶充气压力与涡轮入口压力相差不大，同时为了保证气瓶末压高于涡轮入口压力，那么起动气瓶的放气压差将会非常小，以至于不能够起动。除此之外，若采用燃料气体进行起动，在燃气发生器点火前，燃气发生器内充满燃料气体，容易造成发生器点火时的压力峰问题。

为此，本实施例提供一种气瓶起动系统，既能实现二次起动，且可以有效解决气瓶1剩余气量过多和对气瓶1末压的限制的问题。在一个实施方式中，气瓶起动系统包括涡轮泵、气瓶1、燃气发生器8。

其中，涡轮泵包括涡轮喷嘴5、动叶栅4、排气管，涡轮喷嘴5包括分隔开的第一部分、第二部分；气瓶1与第一部分通过第一管路9相连，第一管路9上设有电磁阀2；燃气发生器8通过第二管路7与第二部分相连。

本实施方式提供的气瓶起动系统，当发动机进行起动时，打开电磁阀2，由于第一部分与第二部分分隔开，起动气体不会填充第二部分的涡轮喷嘴5，起动气体沿第一管路9进入第一部分的涡轮喷嘴5，动叶栅4驱动涡轮转动，输出轴功，然后经涡轮排气管排出，当涡轮加速到一定的转速，燃气发生器8进行点火，燃气发生器8开始工作，与起动气瓶1形成接力，关闭电磁阀2，发动机完成起动，此时燃气发生器8内有较高的压力，由于燃气发生器8及第二部分涡轮喷嘴5不与气瓶1连通，这样就不用必须保证气瓶1末压高于发生器内的压力，而只需保证气瓶1末压比涡轮动叶栅4处的压力高即可，而涡轮动叶栅4处的压力很低，约0.4MPa，电磁阀2前后的压差足够大，燃气不会返入气瓶1内；且经过一次起动后，气瓶1末压较高，仍还能再次放气起动一次，即不需要重复设置一个气瓶1进行二次起动。同样也解决了当采用推力室冷却夹套内的燃料气体对气瓶1充气进气起动，由于要保证气瓶1较高的末压，导致气瓶1放气压差小的问题，并且，起动气体不会充填燃气发生器8，避免了燃气发生器8点火时的富燃环境，使得点火时序制定简单，解决了燃气发生器8点火时容易出现点火压力峰问题。同时也降低了电磁阀2的使用要求和研制难度，不必使用高温燃气阀以及能够反向密封的电磁阀2。

在上述实施方式的基础上，在一个实施方式中，第一部分占涡轮喷嘴5的比值为A，10％≤A≤30％。在该实施方式中，既可确保燃气发生器8与气瓶1不连通，又能确保涡轮动叶栅4能够驱动涡轮转动。

在一个优选的实施方式中，15％≤A≤20％。在本实施中，选择15％－20％的涡轮喷嘴5作为气瓶起动的进气口，其余喷嘴作为发动机工作时的主进气口。

在上述实施方式的基础上，在一个优选的实施方式中，如图1所示，气瓶起动系统还包括起动集合器3，起动集合器3设置在第一部分上，且同时与第一部分、第一管路9相连通。起动集合器3的设置能够使起动气体预先充填在起动集合器3内，对高压气体减压。

在上述实施方式的基础上，在一个优选的实施方式中，气瓶起动系统还包括燃气集合器6，燃气集合器6设置在第二部分上，且同时与第二部分、第二管路7相连通。在本实施方式中，通过设置起动集合器3、燃气集合器6，起动集合器3与燃气集合器6为相互独立的结构，能够进一步确保燃气发生器8与气瓶1不连通。当发动机进行起动时，气瓶1放气，气体不会填充燃气发生器8及燃气集合器6，高压气体经第一管路9直接进入起动集合器3，经过第一部分涡轮喷嘴5，动叶栅4驱动涡轮转动，输出轴功，然后经涡轮排气管排出。气瓶1出口与涡轮动叶栅4连通，这样当燃气发生器8点火工作后，气瓶1出口的背压为涡轮动叶栅4处的压力，压力很低，约0.4Mpa，燃气发生器8及燃气集合器6内的高压燃气(约7Mpa)不与第一管路9及电磁阀2连通，这样就不用必须保证气瓶1末压高于发生器内的压力，而只需要气瓶1末压比涡轮动叶栅4处的压力高即可，因此，气瓶1进行完一次起动后，由于末压较高，仍还能再次放气起动一次，即不需要重复设置一个气瓶1进行二次起动。

在一个实施方式中，气瓶起动系统还包括控制器，控制器用于在涡轮泵的转速到达预设转速时，控制燃气发生器8点火，并控制电磁阀2关闭。

在一个实施方式中，气瓶1内适于预先存储氢气、氦气、氮气中的一种。

在一个实施方式中，气瓶起动系统还包括推进剂贮箱、推力室，推进剂贮箱分别与推力室、燃气发生器8连通，推力室的夹套出口与气瓶1连通。在该实施方式中，能够利用推进剂燃料加热汽化后产生的气体对气瓶1充气，结构简单紧凑，同时也比较安全。

实施例2

本实施例提供一种液体火箭发动机，包括上述实施例中提供的气瓶起动系统。

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发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种气瓶起动系统，其特征在于，包括：

涡轮泵，包括涡轮喷嘴（5）、动叶栅（4），所述涡轮喷嘴（5）包括分隔开的第一部分、第二部分;

气瓶（1），与所述第一部分通过第一管路（9）相连，所述第一管路（9）上设有电磁阀（2）；

燃气发生器（8），通过第二管路（7）与所述第二部分相连；

起动集合器（3），所述起动集合器（3）设置在所述第一部分上，且同时与所述第一部分、所述第一管路（9）相连通；

燃气集合器（6），所述燃气集合器（6）设置在所述第二部分上，且同时与所述第二部分、所述第二管路（7）相连通。

2.根据权利要求1所述的气瓶起动系统，其特征在于，所述第一部分占所述涡轮喷嘴（5）的比值为A，10%≤A≤30%。

3.根据权利要求2所述的气瓶起动系统，其特征在于，15%≤A≤20%。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的气瓶起动系统，其特征在于，所述气瓶起动系统还包括控制器，所述控制器用于在所述涡轮泵的转速到达预设转速时，控制所述燃气发生器（8）点火，并控制所述电磁阀（2）关闭。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的气瓶起动系统，其特征在于，所述气瓶（1）内适于预先存储氢气、氦气、氮气中的一种。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的气瓶起动系统，其特征在于，所述气瓶起动系统还包括推进剂贮箱、推力室，所述推进剂贮箱分别与所述推力室、所述燃气发生器（8）连通，所述推力室的夹套出口与所述气瓶（1）连通。

7.一种液体火箭发动机，其特征在于，包括权利要求1-6中任一项所述的气瓶起动系统。

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