CN117307357B - 一种火箭发动机模块化装配涡轮泵系统及回收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火箭发动机模块化装配涡轮泵系统及回收方法，包括泵‑轴承模块、涡轮模块、电器测试模块和联结模块；联结模块包括联轴器本体和过渡壳体，设于泵‑轴承模块和涡轮模块之间或设于两个泵‑轴承模块之间；运行时，双泵‑轴承模块负责对燃料和氧化剂进行加压，为火箭提供了推力；联结模块形成整体式的可拆卸连接模块，电器测试模块与泵‑轴承模块和涡轮模块电连接，可实时监测和分析涡轮泵系统的各项数据，为系统的检修维护提供数据支撑；涡轮泵模块的独立设计使得其能够拆卸，并对其进行维护或更换，火箭返修时无需进行全新的组装，本系统能够优化火箭的维护流程，降低维护成本，提高火箭的可靠性和可重复使用性。

Description

一种火箭发动机模块化装配涡轮泵系统及回收方法

技术领域

本发明涉及火箭发动机技术领域，尤其涉及一种火箭发动机模块化装配涡轮泵系统及回收方法。

背景技术

垂直回收运载火箭（VTVL）的开发，这种火箭有助于降低载荷发射成本。然而，随着这种运载火箭技术的发展，火箭发动机，特别是涡轮泵部分，面临更高的需求和考验；涡轮泵负责提供高压推进剂，其工作环境极为严酷，包括具有高转速、大功率、极端温度环境、高性能和大变比等特点。

传统的涡轮泵设计相当复杂，其结构由数百个零件的结合组成并且依次紧密排布，因此拆装时需要按照特定的顺序进行装配和分解，这导致预防性维护或故障排除变得更为困难，进一步降低了其维护效率；由于无法快速且便捷地进行局部检查或更换，每次对涡轮泵的维护都意味着需要将整个火箭发动机从火箭上拆卸下来，之后再将涡轮泵从发动机上分解出来进行维修，这会增加考虑维修周期和成本，影响火箭的使用效率。

鉴于此，需要对现有技术中的火箭发动机的涡轮泵加以改进，以解决其装配过程复杂，导致维护和使用成本高的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种火箭发动机模块化装配涡轮泵系统及回收方法，解决以上的技术问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种火箭发动机模块化装配涡轮泵系统，包括：

泵-轴承模块，用于将对燃料或氧化剂进行加压，生成高压的燃料或氧化剂；其中，所述泵-轴承模块的数量为两个；

涡轮模块，用于处理燃气的输入和输出；

电器测试模块，分别与所述泵-轴承模块和所述涡轮模块电连接；

联结模块，包括联轴器本体和过渡壳体，设于所述泵-轴承模块和涡轮模块之间或设于两个所述泵-轴承模块之间。

可选的，两个所述泵-轴承模块并列设置；

两个所述泵-轴承模块设有涡轮模块，涡轮模块的两侧分别设有一所述联结模块，所述联结模块的一端与泵-轴承模块连接。

可选的，还包括隔离密封模块，所述隔离密封模块设于两个所述泵-轴承模块之间，且两个所述泵-轴承模块并列设置；

两个泵-轴承模块的一侧设有所述涡轮模块，所述涡轮模块和所述泵-轴承模块之间通过一所述联轴器模块连接；其中一所述泵-轴承模块和所述隔离密封模块之间设有另一所述联轴器模块；

所述电器测试模块依次贯穿于所述泵-轴承模块、所述隔离密封模块和所述涡轮模块设置。

可选的，所述隔离密封模块包括隔离子模块、密封子模块和壳体子模块，所述隔离子模块、密封子模块安装于壳体子模块内；

所述隔离子模块包括第一紧固装置、隔离气和密封件；所述密封子模块包括氧化剂密封、燃料动密封、第二紧固装置和泄出通道。

可选的，所述泵-轴承模块包括泵子模块、轴子模块、轴承子模块和平衡子模块；

所述泵子模块包括第一壳体、诱导轮、离心轮和功能单元；

所述轴承子模块包括若干个轴承、支撑和第二壳体；

其中，所述第一壳体和所述第二壳体为一体式设置。

可选的，所述涡轮模块包括涡轮子模块和密封子模块，所述涡轮子模块包括进气壳体、涡轮转子、静子和涡轮密封单元；所述密封子模块包括燃气密封件、紧固元件和吹除元件。

可选的，所述电器测试模块包括转速子模块、温度压力子模块、振动子模块和变换器，分别用于测量转速、温度、压力、振动。

可选的，所述联结模块还包括：

动态平衡单元，设于所述联结模块的外层，用于保持所述联结模块转动时的动态平衡；

紧固部件，用于连接所述联轴器本体和过渡壳体；

弹性元件，设于所述联轴器模块与所述泵-轴承模块和所述涡轮模块之间；

延伸接口，用于与所述电器测试模块连接。

本发明还提供了一种火箭发动机模块化装配涡轮泵系统的回收方法，应用于如上所述的火箭发动机模块化装配涡轮泵系统，所述回收方法包括：

S1，将火箭完整回收至地面：

S2，将所述电器测试模块接入于所述火箭发动机模块化装配涡轮泵系统，进行系统性的快速测试，生成测试结果；

S3，根据所述测试结果，定位存在问题的问题模块；

S4，对所述问题模块进行拆解和检查；

S5，维护或更换所述问题模块，以形成合格的检修模块；

S6，将合格的检修模块重新装配至所述火箭发动机模块化装配涡轮泵系统内。

可选的，所述回收方法还包括：

S7，对装配后的所述火箭发动机模块化装配涡轮泵系统进行出厂性能检查。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：运行时，双泵-轴承模块负责对燃料和氧化剂进行加压，这生成了高压的燃料或氧化剂；高压燃料或氧化剂会被直接送入到涡轮模块中，涡轮模块负责处理燃气的输入和输出，将燃料和氧化剂进行混合燃烧并释放出高温高压燃气，这为火箭提供了推力；其中，联结模块包括和过渡壳体，形成整体式的可拆卸连接模块，用于将泵-轴承模块和涡轮模块相连接，电器测试模块与泵-轴承模块和涡轮模块电连接，可实时监测和分析涡轮泵系统的各项数据，通过这些信息能够对火箭发动机的运行情况进行实时监控，并能迅速定位和解决可能出现的问题；本火箭发动机模块化装配涡轮泵系统采用了模块化设计，同时通过电器测试模块实时监控系统的各项数据，为系统的检修维护提供数据支撑；涡轮泵模块的独立设计使得其能够拆卸，并对其进行维护或更换，火箭返修时无需进行全新的组装，本系统能够优化火箭的维护流程，降低维护成本，提高火箭的可靠性和可重复使用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本火箭发动机模块化装配涡轮泵系统的整体模块排布方式之一示意图；

图2为本火箭发动机模块化装配涡轮泵系统的整体模块排布方式之一的结构示意图；

图3为本火箭发动机模块化装配涡轮泵系统的整体模块排布方式之二的模块示意图；

图4为本火箭发动机模块化装配涡轮泵系统的整体模块和发动机的连接示意图；

图5为本火箭发动机模块化装配涡轮泵系统的泵-轴承模块的模块示意图；

图6为本火箭发动机模块化装配涡轮泵系统的涡轮模块的示意图；

图7为本火箭发动机模块化装配涡轮泵系统的电器测试模块的示意图；

图8为本火箭发动机模块化装配涡轮泵系统的联结模块的示意图；

图9为本火箭发动机模块化装配涡轮泵系统的隔离密封模块的示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“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。需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一：

结合图1至图9所示，本发明实施例提供了一种火箭发动机模块化装配涡轮泵系统，包括：

泵-轴承模块10，用于将对燃料或氧化剂进行加压，生成高压的燃料或氧化剂；其中，泵-轴承模块10的数量为两个；

涡轮模块20，用于处理燃气的输入和输出；

电器测试模块30，分别与泵-轴承模块10和涡轮模块20电连接；

联结模块40，包括联轴器41和过渡壳体42，设于泵-轴承模块10和涡轮模块20之间或设于两个泵-轴承模块10之间。

需要说明的是，本系统的检修过程可以实现针对性操作，只需对存在问题的模块进行拆解和修复，而无需将整个系统拆解干净；这一点极大地降低了维修的复杂度和时间消耗；所有模块都通过电器测试模块30的数据链接进行监控，这使得任何问题出现的时候都能够快速被定位，并在短时间内解决。

本发明的工作原理为：运行时，双泵-轴承模块10负责对燃料和氧化剂进行加压，这生成了高压的燃料或氧化剂；高压燃料或氧化剂会被直接送入到涡轮模块20中，涡轮模块20负责处理燃气的输入和输出，将燃料和氧化剂进行混合燃烧并释放出高温高压燃气，这为火箭提供了推力；其中，联结模块40包括联轴器41和过渡壳体42，形成整体式的可拆卸连接模块，用于将泵-轴承模块10和涡轮模块20相连接，电器测试模块30与泵-轴承模块10和涡轮模块20电连接，可实时监测和分析涡轮泵系统的各项数据，通过这些信息能够对火箭发动机的运行情况进行实时监控，并能迅速定位和解决可能出现的问题；相较于现有技术中的涡轮泵，本火箭发动机模块化装配涡轮泵系统采用了模块化设计，同时通过电器测试模块30实时监控系统的各项数据，为系统的检修维护提供数据支撑；涡轮泵模块的独立设计使得其能够拆卸，并对其进行维护或更换，火箭返修时无需进行全新的组装，本系统能够优化火箭的维护流程，降低维护成本，提高火箭的可靠性和可重复使用性。

作为本实施例的排布方案之一，结合图2所示，两个泵-轴承模块10并列设置；每个泵-轴承模块10独立工作，可以进行双通道燃料及氧化剂压力供给，提高了系统的冗余性和安全性。

两个泵-轴承模块10设有涡轮模块20，涡轮模块20的两侧分别设有一联结模块40，联结模块40的一端与泵-轴承模块10连接；对于涡轮模块20，处于两个泵-轴承模块10之间，便于平衡动力；涡轮模块20的两侧各配备一个联结模块40，分别连接到相邻的泵-轴承模块10，这样使每个模块能够独立承受压力和温度变化，增强了整个系统的稳定性。

这种并列设置的设计应用于模块化涡轮泵系统，在实际情况下，如果发生一个泵-轴承模块10故障，另一个泵-轴承模块10可以继续工作，保证整个系统的连续性和火箭的安全性；同时涡轮模块20的双侧连接设计也增加了系统的连接稳定性，提供了更好的冗余设计；这种设计显著提高了系统的可靠性，降低了单点故障的风险。

作为本实施例的另一排布方案，本火箭发动机模块化装配涡轮泵系统还包括隔离密封模块50，隔离密封模块50设于两个泵-轴承模块10之间，且两个泵-轴承模块10并列设置；两个泵-轴承模块10的一侧设有涡轮模块20，涡轮模块20和泵-轴承模块10之间通过一联轴器模块连接；其中一泵-轴承模块10和隔离密封模块50之间设有另一联轴器模块；电器测试模块30依次贯穿于泵-轴承模块10、隔离密封模块50和涡轮模块20设置。

在整个系统中，电器测试模块30贯穿设置在泵-轴承模块10、隔离密封模块50和涡轮模块20中；这使得电器测试模块30能够实时监测和分析各个模块的运作状态，发现问题并进行快速定位。

这个配置方案可以提供更好的模块间隔离，进一步增强模块化涡轮泵系统的灵活性和可靠性；也让故障检测和定位更加精准，有效地提高了火箭发动机的安全性和可维护性。

进一步说明的是，隔离密封模块50包括隔离子模块51、密封子模块52和壳体子模块53，隔离子模块51、密封子模块52安装于壳体子模块53内；壳体子模块53为隔离子模块51和密封子模块52提供物理支撑和保护，同时也保证了整个系统对外部环境的隔离。

隔离子模块51包括第一紧固装置54、隔离气元件55和密封件56；其使用隔离气元件55和密封件56来确保两个泵-轴承模块10之间的隔离；其中，第一紧固装置54负责将隔离子模块51固定在壳体子模块53内。

密封子模块52包括氧化剂密封、燃料动密封、第二紧固装置和泄出通道；其中，氧化剂密封和燃料动密封是用来保证在高压环境下，燃料和氧化剂不会泄漏；第二紧固装置则负责将密封子模块52固定在壳体子模块53内；泄出通道用以确保在发生异常压力情况下，能够通过安全的路径泄出燃料和氧化剂，以避免潜在的事故风险。

综上，此设计使得隔离密封模块50在提供隔离性能的同时，也可以保证燃料和氧化剂在高压下的密封，减小了燃料和氧化剂的泄漏风险，对保护火箭发动机和提高安全性起到了重要的作用。

具体说明的是，泵-轴承模块10包括泵子模块11、轴子模块12、轴承子模块13和平衡子模块14；泵子模块11包括第一壳体17、诱导轮15、离心轮16和功能单元18；第一壳体17构成了泵子模块11的外壳，在其内部设置有诱导轮15、离心轮16和功能单元18；这些是泵子模块11核心的操作组件，它们协同工作将低压燃料和氧化剂压缩并升为高压。

轴承子模块13包括若干个轴承、支撑和第二壳体19；轴承和支撑是基本的机械组件，对涡轮轴承进行支撑，并在涡轮运转过程中防止轴向和径向的移动；第二壳体19为轴承子模块13提供保护，确保内部组件在恶劣环境中也能正常工作。

其中，第一壳体17和第二壳体19为一体式设置；壳体是出于单一的块材上半部分构造出来，目的是保证在高压下壳体的整体性和稳定性。

具体说明的是，涡轮模块20包括涡轮子模块21和密封子模块22，所述涡轮子模块21包括进气壳体23、涡轮转子24、静子25和涡轮密封单元26；所述密封子模块22包括燃气密封件27、紧固元件28和吹除元件29。

作为本实施例的一优选方案，电器测试模块30包括：

转速子模块31，负责实时监测和记录泵-轴承模块10的转速；转速的变化可能意味着机械故障或运行效率的变化，有助于对系统的健康状态进行评估。

温度压力子模块32，温度压力子模块32可以测量和记录涡轮模块20工作过程中的温度和压力值；过高或过低的温度和压力都可能对系统运行产生影响，这个子模块可以帮助检测可能存在的问题。

振动子模块33，能够监测产生的振动信号；异常的振动可能是轴承损坏、不平衡或安装问题的信号。

变换器34，可以将各个子模块测量的模拟信号转化为数字信号，方便后续的数据处理和分析。

综上，本电器测试模块30的设计不仅可以实时监测系统运行状态，预防发生可能的故障，保证系统运行的稳定性，而且还可以提高涡轮泵系统的使用寿命，降低维修成本，从而提高了整个火箭发动机的可靠性和效率。

具体说明的是，联结模块40还包括：

动态平衡单元，设于联结模块40的外层，用于保持联结模块40转动时的动态平衡；由于涡轮泵和联轴器会产生旋转，动态平衡单元可以确保联结器在高速旋转时保持稳定，减少振动和噪音。

紧固部件，用于连接联轴器41和过渡壳体42；紧固部件可以为螺栓或螺母，这些部件可以将联轴器、过渡壳体42，涡轮模块20和泵-轴承模块10等牢牢的固定在一起。

弹性元件，设于联轴器模块与泵-轴承模块10和涡轮模块20之间；弹性元件可以为橡胶或者弹簧，这些部件可以减少联结模块40与涡轮模块20和泵-轴承模块10之间因速度变化或扭矩突变造成的影响。

延伸接口，用于与电器测试模块30连接；延伸接口可以与电器测试模块30连接，以便于获取联结器运行状态的数据。

实施例二：

本发明还提供了一种火箭发动机模块化装配涡轮泵系统的回收方法，应用于实施例一的火箭发动机模块化装配涡轮泵系统，回收方法包括：

S1，将火箭完整回收至地面。整个火箭体需要被成功地从轨道或其它地方回收到地面上。

S2，将电器测试模块30接入于火箭发动机模块化装配涡轮泵系统，进行系统性的快速测试，生成测试结果。

利用电器测试模块30，对火箭上的涡轮泵模块、泵-轴承模块10、联结模块40进行快速而全面的在线检测，无需对火箭发动机进行拆解。

S3，根据测试结果，定位存在问题的问题模块。

根据电器测试模块30的测试结果，精准地定位到可能存在问题或者性能衰落的模块。

S4，对问题模块进行拆解和检查。

找出由S3中确定的可能存在问题的问题模块，只对这个模块进行整体的拆解和检查，这大大减少了维修时间和成本。

S5，维护或更换问题模块，以形成合格的检修模块。

如果问题模块可以维护修复，那么完成修复后重新组装；如果无法修复，那么使用新的模块替换问题模块。

S6，将合格的检修模块重新装配至火箭发动机模块化装配涡轮泵系统内。

将修复或更换后的模块重新安装，并运用电器测试模块30对其进行功能性测试，以保证其正常工作。

进一步说明的是，本回收方法还包括：

S7，对装配后的火箭发动机模块化装配涡轮泵系统进行出厂性能检查。

维修工作完成后，对整机进行出厂检查，这包括所有系统的测试验证，以确认火箭准备好进行下一次发射。

以上所述，以上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精神和范围。

Claims (9)

1.一种火箭发动机模块化装配涡轮泵系统的回收方法，其特征在于，应用于火箭发动机模块化装配涡轮泵系统，所述火箭发动机模块化装配涡轮泵系统包括：

泵-轴承模块，用于将对燃料或氧化剂进行加压，生成高压的燃料或氧化剂；其中，所述泵-轴承模块的数量为两个；

涡轮模块，用于处理燃气的输入和输出；

电器测试模块，分别与所述泵-轴承模块和所述涡轮模块电连接；

联结模块，包括联轴器本体和过渡壳体，设于所述泵-轴承模块和涡轮模块之间或设于两个所述泵-轴承模块之间；

所述回收方法包括：

S1，将火箭完整回收至地面：

S2，将所述电器测试模块接入于所述火箭发动机模块化装配涡轮泵系统，进行系统性的快速测试，生成测试结果；

S3，根据所述测试结果，定位存在问题的问题模块；

S4，对所述问题模块进行拆解和检查；

S5，维护或更换所述问题模块，以形成合格的检修模块；

S6，将合格的检修模块重新装配至所述火箭发动机模块化装配涡轮泵系统内。

2.根据权利要求1所述的火箭发动机模块化装配涡轮泵系统的回收方法，其特征在于，还包括：

S7，对装配后的所述火箭发动机模块化装配涡轮泵系统进行出厂性能检查。

3.根据权利要求1所述的火箭发动机模块化装配涡轮泵系统的回收方法，其特征在于，两个所述泵-轴承模块并列设置；

两个所述泵-轴承模块之间设有涡轮模块，涡轮模块的两侧分别设有一所述联结模块，所述联结模块的一端与泵-轴承模块连接。

4.根据权利要求1所述的火箭发动机模块化装配涡轮泵系统的回收方法，其特征在于，所述火箭发动机模块化装配涡轮泵系统还包括隔离密封模块，所述隔离密封模块设于两个所述泵-轴承模块之间，且两个所述泵-轴承模块并列设置；

两个泵-轴承模块的一侧设有所述涡轮模块，所述涡轮模块和所述泵-轴承模块之间通过一所述联结模块连接；其中一所述泵-轴承模块和所述隔离密封模块之间设有另一所述联结模块；

所述电器测试模块依次贯穿于所述泵-轴承模块、所述隔离密封模块和所述涡轮模块设置。

5.根据权利要求4所述的火箭发动机模块化装配涡轮泵系统的回收方法，其特征在于，所述隔离密封模块包括隔离子模块、密封子模块和壳体子模块，所述隔离子模块、密封子模块安装于壳体子模块内；

所述隔离子模块包括第一紧固装置、隔离气和密封件；所述密封子模块包括氧化剂密封、燃料动密封、第二紧固装置和泄出通道。

6.根据权利要求3或5所述的火箭发动机模块化装配涡轮泵系统的回收方法，其特征在于，所述泵-轴承模块包括泵子模块、轴子模块、轴承子模块和平衡子模块；

所述泵子模块包括第一壳体、诱导轮、离心轮和功能单元；

所述轴承子模块包括若干个轴承、支撑和第二壳体；

其中，所述第一壳体和所述第二壳体为一体式设置。

7.根据权利要求3或5所述的火箭发动机模块化装配涡轮泵系统的回收方法，其特征在于，所述涡轮模块包括涡轮子模块和密封子模块，所述涡轮子模块包括进气壳体、涡轮转子、静子和涡轮密封单元；所述密封子模块包括燃气密封件、紧固元件和吹除元件。

8.根据权利要求3或5所述的火箭发动机模块化装配涡轮泵系统的回收方法，其特征在于，所述电器测试模块包括转速子模块、温度压力子模块、振动子模块和变换器，用于测量转速、温度、压力、振动。

9.根据权利要求3或5所述的火箭发动机模块化装配涡轮泵系统的回收方法，其特征在于，所述火箭发动机模块化装配涡轮泵系统还包括：

动态平衡单元，设于所述联结模块的外层，用于保持所述联结模块转动时的动态平衡；

紧固部件，用于连接所述联轴器本体和过渡壳体；

弹性元件，设于所述联结模块与所述泵-轴承模块和所述涡轮模块之间；

延伸接口，用于与所述电器测试模块连接。