CN114810423A - 一种共轴全流量分级燃烧循环液体火箭发动机 - Google Patents

一种共轴全流量分级燃烧循环液体火箭发动机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种共轴全流量分级燃烧循环液体火箭发动机，涉及火箭发动机技术领域，包括推力室和涡轮泵系统，所述推力室内连接有气相推进剂喷注系统，且推力室的侧端连接有管路一的一端，所述管路一的另一端和涡轮泵系统的富氧燃气出口连接，所述涡轮泵系统内转动连接有涡轮泵共轴转子总成，本发明中富氧涡轮本体和富燃涡轮本体使用一个涡轮泵共轴式主轴驱动，使得燃料和氧化剂的流量和扬程始终成比例，便于系统的稳定和推力调节，并可极大减少研发调试周期，所有推进剂全部经过富氧涡轮本体和富燃涡轮本体，使得富氧涡轮本体和富燃涡轮本体的质量流量很大，便于提升涡轮泵的功率并最终大幅提高液体火箭发动机的比冲等性能。

Description

一种共轴全流量分级燃烧循环液体火箭发动机
技术领域
本发明涉及火箭发动机领域，尤其涉及一种共轴全流量分级燃烧循环液体火箭发动机。
背景技术
火箭发动机就是利用冲量原理，自带推进剂、不依赖外界空气的喷气发动机。火箭发动机是喷气发动机的一种，将推进剂贮箱或运载工具内的反应物(推进剂)变成高速射流，由于牛顿第三运动定律而产生推力。火箭发动机可用于航天器推进，也可用于导弹等在大气层内飞行。
现存全流量分级燃烧循环液体火箭发动机的涡轮泵分为2个主要部分：氧泵系统和燃料泵系统，两系统分别由氧预燃室产生的富氧燃气驱动的氧涡轮、和燃料预燃室产生的富燃燃气驱动的燃料涡轮提供动力。因为两系统是不同轴的，所以两泵的转速很难保持稳定的比例关系，又因为推进剂流量和压力与涡轮转速之间存在耦合，导致预燃室燃气压力产生波动，并最终影响涡轮转速及泵的扬程和流量，所以整个系统非常难以稳定，研制周期漫长而艰难。
发明内容
本发明提供一种共轴全流量分级燃烧循环液体火箭发动机，解决了上述提到的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种共轴全流量分级燃烧循环液体火箭发动机，包括推力室和涡轮泵系统，所述推力室内连接有气相推进剂喷注系统，且推力室的侧端连接有管路一的一端，所述管路一的另一端和涡轮泵系统的富氧燃气出口连接，所述涡轮泵系统内转动连接有涡轮泵共轴转子总成，且涡轮泵系统的富燃燃气燃气出口连接有管路二的一端，所述管路二的另一端和气相推进剂喷注系统连接，所述涡轮泵系统外侧连接有富燃预燃室氧化剂调节阀和富氧预燃室燃料调节阀；
所述涡轮泵系统包括外壳本体、氧化剂入口、涡轮泵主轴动密封系统一、燃料入口、富燃涡轮燃气导向环、富燃预燃室本体、燃料喷注器一、氧化剂喷注器一、燃料喷注器二、氧化剂喷注器二、富氧预燃室本体和富氧涡轮燃气导向环，其中外壳本体的外表面设置氧化剂入口和燃料入口，且外壳本体内侧中间位置处设置涡轮泵主轴动密封系统一，所述外壳本体内侧固定连接对称分布的涡轮泵主轴动密封系统二，所述涡轮泵主轴动密封系统一一侧设置富燃预燃室本体，所述富燃预燃室本体处连接富燃涡轮燃气导向环，且富燃预燃室本体靠近涡轮泵主轴动密封系统一一侧设置燃料喷注器一和氧化剂喷注器一，所述涡轮泵主轴动密封系统一的另一侧设置富氧预燃室本体，所述富氧预燃室本体处连接富氧涡轮燃气导向环，且富氧预燃室本体靠近涡轮泵主轴动密封系统一一侧设置燃料喷注器二和氧化剂喷注器二；
所述涡轮泵共轴转子总成包括涡轮泵共轴式主轴、富氧涡轮本体、氧化剂泵叶轮、涡轮泵主轴轴承、燃料泵叶轮和富燃涡轮本体，其中涡轮泵共轴式主轴的外表面一侧固定连接富氧涡轮本体和氧化剂泵叶轮，且涡轮泵共轴式主轴的外表面另一侧固定连接燃料泵叶轮和富燃涡轮本体，所述涡轮泵共轴式主轴的外表面固定连接涡轮泵主轴轴承。
优选的，所述管路一远离涡轮泵系统一端穿插至气相推进剂喷注系统处，且与气相推进剂喷注系统相连通。
优选的，所述富燃预燃室氧化剂调节阀和富燃预燃室本体连通，所述富氧预燃室燃料调节阀和富氧预燃室本体连通。
优选的，所述涡轮泵共轴转子总成通过涡轮泵主轴轴承和涡轮泵系统连接，所述涡轮泵共轴式主轴外表面固定连接多个涡轮泵主轴轴承。
与相关技术相比较，本发明提供的一种共轴全流量分级燃烧循环液体火箭发动机具有如下有益效果：
本发明提供一种共轴全流量分级燃烧循环液体火箭发动机，富氧涡轮本体和富燃涡轮本体使用一个涡轮泵共轴式主轴驱动，使得燃料和氧化剂的流量和扬程始终成比例，便于系统的稳定和推力调节，并可极大减少研发调试周期，所有推进剂全部经过富氧涡轮本体和富燃涡轮本体，使得富氧涡轮本体和富燃涡轮本体的质量流量很大，便于提升涡轮泵的功率并最终大幅提高液体火箭发动机的比冲等性能。
本发明提供一种共轴全流量分级燃烧循环液体火箭发动机，进入推力室的所有推进剂均为气相，经气相推进剂喷注系统混合后组织的是高效的气相燃烧，可以大幅提高燃烧效率并减小推力室的特征长度，从而大幅降低结构重量。
本发明提供一种共轴全流量分级燃烧循环液体火箭发动机，共轴全流量分级燃烧循环液体火箭发动机是一种闭式循环，所有推进剂均完全燃烧，不存在涡轮废气排放问题，可以大幅提高推进剂利用率且因燃烧完全，燃烧产物更为环保。
本发明提供一种共轴全流量分级燃烧循环液体火箭发动机，通过调整富氧预燃室燃料调节阀和富燃预燃室氧化剂调节阀的开度，可以调节燃气温度和推力，因流经调节阀的推进剂流量较小，所需的作动器功率也较小，利于系统的响应速度和自动化控制。
附图说明
图1为一种共轴全流量分级燃烧循环液体火箭发动机整体结构示意图；
图2为一种共轴全流量分级燃烧循环液体火箭发动机涡轮泵系统结构示意图；
图3为一种共轴全流量分级燃烧循环液体火箭发动机涡轮泵共轴转子总成结构示意图。
图中标号：1、推力室；2、气相推进剂喷注系统；3、管路一；4、涡轮泵系统；5、涡轮泵共轴转子总成；6、管路二；7、富燃预燃室氧化剂调节阀；8、富氧预燃室燃料调节阀；41、外壳本体；42、氧化剂入口；43、涡轮泵主轴动密封系统一；44、燃料入口；45、富燃涡轮燃气导向环；46、富燃预燃室本体；47、燃料喷注器一；48、氧化剂喷注器一；49、燃料喷注器二；410、氧化剂喷注器二；411、富氧预燃室本体；412、富氧涡轮燃气导向环；413、涡轮泵主轴动密封系统二；51、涡轮泵共轴式主轴；52、富氧涡轮本体；53、氧化剂泵叶轮；54、涡轮泵主轴轴承；55、燃料泵叶轮；56、富燃涡轮本体。
具体实施方式
实施例，由图1-3给出，本发明一种共轴全流量分级燃烧循环液体火箭发动机，包括推力室1和涡轮泵系统4，推力室1内连接有气相推进剂喷注系统2，且推力室1的侧端连接有管路一3的一端，管路一3的另一端和涡轮泵系统4的富氧燃气出口连接，涡轮泵系统4内转动连接有涡轮泵共轴转子总成5，且涡轮泵系统4的富燃燃气燃气出口连接有管路二6的一端，管路二6的另一端和气相推进剂喷注系统2连接，涡轮泵系统4外侧连接有富燃预燃室氧化剂调节阀7和富氧预燃室燃料调节阀8；
涡轮泵系统4包括外壳本体41、氧化剂入口42、涡轮泵主轴动密封系统一43、燃料入口44、富燃涡轮燃气导向环45、富燃预燃室本体46、燃料喷注器一47、氧化剂喷注器一48、燃料喷注器二49、氧化剂喷注器二410、富氧预燃室本体411和富氧涡轮燃气导向环412，其中外壳本体41的外表面设置氧化剂入口42和燃料入口44，且外壳本体41内侧中间位置处设置涡轮泵主轴动密封系统一43，外壳本体41内侧固定连接对称分布的涡轮泵主轴动密封系统二413，涡轮泵主轴动密封系统一43一侧设置富燃预燃室本体46，富燃预燃室本体46处连接富燃涡轮燃气导向环45，且富燃预燃室本体46靠近涡轮泵主轴动密封系统一43一侧设置燃料喷注器一47和氧化剂喷注器一48，涡轮泵主轴动密封系统一43的另一侧设置富氧预燃室本体411，富氧预燃室本体411处连接富氧涡轮燃气导向环412，且富氧预燃室本体411靠近涡轮泵主轴动密封系统一43一侧设置燃料喷注器二49和氧化剂喷注器二410；
涡轮泵共轴转子总成5包括涡轮泵共轴式主轴51、富氧涡轮本体52、氧化剂泵叶轮53、涡轮泵主轴轴承54、燃料泵叶轮55和富燃涡轮本体56，其中涡轮泵共轴式主轴51的外表面一侧固定连接富氧涡轮本体52和氧化剂泵叶轮53，且涡轮泵共轴式主轴51的外表面另一侧固定连接燃料泵叶轮55和富燃涡轮本体56，涡轮泵共轴式主轴51的外表面固定连接涡轮泵主轴轴承54。
工作原理：
氧化剂和燃料通过氧化剂入口42和燃料入口44进入涡轮泵系统4内，流经氧化剂泵叶轮53和燃料泵叶轮55后在富燃预燃室本体46和富氧预燃室本体411内燃烧并产生两路成分不同的高温燃气，此燃气经富燃涡轮燃气导向环45和富氧涡轮燃气导向环412引导并高速喷向富氧涡轮本体52和富燃涡轮本体56，使富氧涡轮本体52和富燃涡轮本体56高速旋转并通过涡轮泵共轴式主轴51带动氧化剂泵叶轮53和燃料泵叶轮55一并旋转，将入口的低压推进剂增压，随着推进剂压力的增加，富燃预燃室本体46和富氧预燃室本体411内压力迅速上升，从而以更高的速度喷向富氧涡轮本体52和富燃涡轮本体56并获得更大的主轴功率，流过涡轮泵系统4的燃气经由管路一3和管路二6最终到达推力室1处的气相推进剂喷注系统2内，经此系统混合后完全燃烧并由推力室1出口高速喷出产生推力，通过调整富燃预燃室氧化剂调节阀7和富氧预燃室燃料调节阀8的开度，可以调整燃气温度和压力，涡轮泵共轴式主轴51、氧化剂泵叶轮53、富燃涡轮本体56的转速也随之改变，从而实现推进剂流量的调整和推力的调节，涡轮泵主轴动密封系统一43和涡轮泵主轴动密封系统二413除了起到密封作用，还兼有冷却涡轮泵主轴轴承54的作用，推力室1壁设有冷却装置，可以是再生冷却、液膜冷却或烧蚀冷却等；
富氧涡轮本体52和富燃涡轮本体56使用一个涡轮泵共轴式主轴51驱动，使得燃料和氧化剂的流量和扬程始终成比例，便于系统的稳定和推力调节，并可极大减少研发调试周期，所有推进剂全部经过富氧涡轮本体52和富燃涡轮本体56，使得富氧涡轮本体52和富燃涡轮本体56的质量流量很大，便于提升涡轮泵的功率并最终大幅提高液体火箭发动机的比冲等性能。
进入推力室1的所有推进剂均为气相，经气相推进剂喷注系统2混合后组织的是高效的气相燃烧，可以大幅提高燃烧效率并减小推力室1的特征长度，从而大幅降低结构重量；
共轴全流量分级燃烧循环液体火箭发动机是一种闭式循环，所有推进剂均完全燃烧，不存在涡轮废气排放问题，可以大幅提高推进剂利用率且因燃烧完全，燃烧产物更为环保；
通过调整富氧预燃室燃料调节阀8和富燃预燃室氧化剂调节阀7的开度，可以调节燃气温度和推力，因流经调节阀的推进剂流量较小，所需的作动器功率也较小，利于系统的响应速度和自动化控制。

Claims (4)

1.一种共轴全流量分级燃烧循环液体火箭发动机，其特征在于：包括推力室(1)和涡轮泵系统(4)，所述推力室(1)内连接有气相推进剂喷注系统(2)，且推力室(1)的侧端连接有管路一(3)的一端，所述管路一(3)的另一端和涡轮泵系统(4)的富氧燃气出口连接，所述涡轮泵系统(4)内转动连接有涡轮泵共轴转子总成(5)，且涡轮泵系统(4)的富燃燃气燃气出口连接有管路二(6)的一端，所述管路二(6)的另一端和气相推进剂喷注系统(2)连接，所述涡轮泵系统(4)外侧连接有富燃预燃室氧化剂调节阀(7)和富氧预燃室燃料调节阀(8)；
所述涡轮泵系统(4)包括外壳本体(41)、氧化剂入口(42)、涡轮泵主轴动密封系统一(43)、燃料入口(44)、富燃涡轮燃气导向环(45)、富燃预燃室本体(46)、燃料喷注器一(47)、氧化剂喷注器一(48)、燃料喷注器二(49)、氧化剂喷注器二(410)、富氧预燃室本体(411)和富氧涡轮燃气导向环(412)，其中外壳本体(41)的外表面设置氧化剂入口(42)和燃料入口(44)，且外壳本体(41)内侧中间位置处设置涡轮泵主轴动密封系统一(43)，所述外壳本体(41)内侧固定连接对称分布的涡轮泵主轴动密封系统二(413)，所述涡轮泵主轴动密封系统一(43)一侧设置富燃预燃室本体(46)，所述富燃预燃室本体(46)处连接富燃涡轮燃气导向环(45)，且富燃预燃室本体(46)靠近涡轮泵主轴动密封系统一(43)一侧设置燃料喷注器一(47)和氧化剂喷注器一(48)，所述涡轮泵主轴动密封系统一(43)的另一侧设置富氧预燃室本体(411)，所述富氧预燃室本体(411)处连接富氧涡轮燃气导向环(412)，且富氧预燃室本体(411)靠近涡轮泵主轴动密封系统一(43)一侧设置燃料喷注器二(49)和氧化剂喷注器二(410)；
所述涡轮泵共轴转子总成(5)包括涡轮泵共轴式主轴(51)、富氧涡轮本体(52)、氧化剂泵叶轮(53)、涡轮泵主轴轴承(54)、燃料泵叶轮(55)和富燃涡轮本体(56)，其中涡轮泵共轴式主轴(51)的外表面一侧固定连接富氧涡轮本体(52)和氧化剂泵叶轮(53)，且涡轮泵共轴式主轴(51)的外表面另一侧固定连接燃料泵叶轮(55)和富燃涡轮本体(56)，所述涡轮泵共轴式主轴(51)的外表面固定连接涡轮泵主轴轴承(54)。
2.根据权利要求1所述的一种共轴全流量分级燃烧循环液体火箭发动机，其特征在于，所述管路一(3)远离涡轮泵系统(4)一端穿插至气相推进剂喷注系统(2)处，且与气相推进剂喷注系统(2)相连通。
3.根据权利要求1所述的一种共轴全流量分级燃烧循环液体火箭发动机，其特征在于，所述富燃预燃室氧化剂调节阀(7)和富燃预燃室本体(46)连通，所述富氧预燃室燃料调节阀(8)和富氧预燃室本体(411)连通。
4.根据权利要求1所述的一种共轴全流量分级燃烧循环液体火箭发动机，其特征在于，所述涡轮泵共轴转子总成(5)通过涡轮泵主轴轴承(54)和涡轮泵系统(4)连接，所述涡轮泵共轴式主轴(51)外表面固定连接多个涡轮泵主轴轴承(54)。
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