一种火箭发动机用涡轮泵电动启动器及涡轮泵的制作方法

本发明涉及液体火箭发动机技术领域，具体涉及一种火箭发动机用涡轮泵电动启动器及涡轮泵。

背景技术：

液体火箭发动机是指液体推进剂火箭发动机，即使用液态化学物质作为能源和工质的化学火箭推进系统。液体火箭发动机涡轮泵的启动方式主要有两类，一是贮箱压力作用自身启动，二是用一种能源来推动涡轮泵的所谓外能源启动。外能源启动是在发动机启动过程中，使用高能气体、燃气起旋涡轮泵，带动泵运转，向主、副系统输送推进剂，为发动机提供启动涡轮泵的初始动力源，使得发动机参数快速爬升至主级工况。对于二次或多次启动发动机，发动机启动过程均需启动器提供初始动力源，其中，泵压式供应系统的液体火箭发动机，均采用固体火药或者高压气体作为涡轮泵的初始动力源。

目前液体火箭发动机涡轮泵外能源启动介质一般为固体火药和高压气体，分别对应火药启动器和高压气瓶。其中火药启动器加速性好，结构紧凑，但只能单次使用，多次启动需配备多个启动器，但受限于空间布局，无法布置多个启动器；且多次启动的火药残渣可能对下游组件带来不利影响；高压气瓶启动平稳、无污染，使用维护性好，飞行返回后只需对高压气瓶充气即可再次执行任务；但是，高压气瓶启动系统过度复杂，多次启动需携带多个气瓶，会增加发动机重量，且高压气体成本较高。

鉴于以上两种启动方案的诸多缺点，研究一种新型外能源启动设备是本领域的热点研究问题。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种火箭发动机用涡轮泵电动启动器及涡轮泵，具体的实施方式如下：、

本发明实施例提供一种火箭发动机用涡轮泵电动启动器，所述电动启动器与涡轮泵相连，包括：

第一蓄电装置，用于向电机供电，以带动所述涡轮泵起旋；

定子绕组，安装于所述涡轮泵上；

充电模块，安装在所述涡轮泵上，与所述第一蓄电装置连接，用于向所述第一蓄电装置充电；

第二蓄电装置，用于向所述定子绕组通电。

在一个具体的实施例中，还包括控制器，所述控制器分别与所述第一蓄电装置和所述第二蓄电装置相连，

所述控制器用于根据第一信号，控制所述第一蓄电装置与所述电机导通，以及控制所述第二蓄电装置处于断开状态；

所述控制器还用于根据第二信号，控制所述第一蓄电装置与所述充电模块导通，以及控制所述第二蓄电装置与所述定子绕组导通。

在一个具体的实施例中，所述第一蓄电装置上设置有电量监测模块，所述电量监测模块用于监测所述第一蓄电装置的剩余电量，当所述剩余电量大于等于电量阈值时，向所述控制器发送第三信号。

在一个具体的实施例中，所述控制器还用于根据所述第三信号，控制所述第二蓄电装置与所述定子绕组断开，以及控制所述第一蓄电装置与所述充电模块断开。

在一个具体的实施例中，所述涡轮泵包括连接轴和安装在所述连接轴上的涡轮盘、第一叶轮和第二叶轮，所述涡轮盘的周向设置有涡轮壳体，所述第一叶轮的周向设置有第一壳体，所述第二叶轮的周向设置有第二壳体，所述涡轮壳体、所述第一壳体和所述第二壳体中的至少一个内安装有所述定子绕组；

所述充电模块设置于所述连接轴上，且所述连接轴与所述电机相连。

在一个具体的实施例中，还包括转速感应器，所述转速感应器安装于所述涡轮壳体上，所述转速感应器用于检测所述涡轮盘的旋转速度，并将所述旋转速度发送给比较模块；

所述比较模块判断所述旋转速度大于第一预设速度时，向所述控制器发送第四信号，所述控制器根据所述第四信号控制所述第一蓄电装置与所述电机断开。

在一个具体的实施例中，所述比较模块判断所述旋转速度大于等于第二预设速度时，向所述控制器发送所述第二信号，其中，所述第二预设速度大于所述第一预设速度。

在一个具体的实施例中，所述电动启动器安装于所述第一叶轮与所述涡轮盘之间；或者，

所述电动启动器安装于所述第一叶轮与所述第二叶轮之间。

在一个具体的实施例中，所述第一蓄电装置包括可充电电池和/或超级电容电池。

本发明实施例还提供一种涡轮泵，所述涡轮泵上安装有上述任一实施例所述的电动启动器。

本发明的有益效果为：

1、本发明技术方案针对现有技术存在的不能较好地实现多次启动的技术问题，创造性地提出了采用电动启动方案替代传统火箭发动机火药启动或者高压气瓶启动的方式，通过涡轮的一小部分功率给第一蓄电装置充电，使得第一蓄电装置能够重复使用，本发明提供的电动启动器结构简单紧凑，重量轻，可以多次重复使用，且后期维护方便，不会对下游组件造成不利影响，不会受到安装空间的限制。

2、本发明提供的涡轮泵上安装有上述实施例所提及的电动启动器，使得电动启动器和涡轮泵一体化，结构紧凑，重量轻。

附图说明

图1是本发明提供的电动启动器的模块图；

图2是本发明提供的涡轮泵的结构示意图；

图3(a)-图3(b)是本发明提供的电动启动器的安装位置示意图。

附图标记说明：

第一蓄电装置10、定子绕组11、充电模块12、第二蓄电装置13、电机14、涡轮泵15、连接轴19、第一叶轮17、第二叶轮16、涡轮盘18、控制器20。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例一

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，图1是本发明提供的电动启动器的模块图；本发明提供一种火箭发动机用涡轮泵15电动启动器，具体包括第一蓄电装置10，定子绕组11、充电模块12和第二蓄电装置13，其中，第一蓄电装置10包括可充电电池和/或超级电容电池，需要同时具备高能量密度和高功率密度，其中，功率密度是指在任意时刻将泵驱动起来所需的瞬时功率，单位为kw，能量密度是指泵长时间运行所需要的总能量，单位为kwh。举例而言，电器的功率是100w，指的是功率密度，10小时总耗电1度，指的是能量密度(单位：wh/kg)。功率密度代表的是能驱动泵的爆发力，能量密度是指长时间运行的耐久力。第一蓄电装置10可以是超级电容电池、铅酸电池或者复合电源。

定子绕组11是绕在定子上面的铜线，定子绕组11缠绕在涡轮泵15上形成定子，定子的主要作用是产生旋转磁场，本实施例中，当涡轮泵15起旋之后，由涡轮泵15中的涡轮轴及其涡轮轴上的叶轮或者涡轮盘18构成转子，转子的主要作用是在旋转磁场中被磁力线切割进而产生(输出)电流；充电模块12，是指通过调节定子与转子的励磁电流，保持转子在转速和负荷变化时输出稳定电压的装置；第二蓄电装置13可以采用普通电源、大功率电池或者其他储电装置，用于向定子绕组11提供电流。

如图1所示的连接关系，电动启动器的工作原理是：在首次启动前，第一蓄电装置10充满电；启动时，第一蓄电装置10与电机14相连，向电机14提供电能，从而启动电机14，电机14向涡轮泵15提供起旋动力，带动涡轮泵15启动到正常工况的15％-30％，然后第一蓄电装置10停止供电，涡轮泵15脱离外部动力，在燃气的驱动下运转。

在涡轮泵15自行运转过程中，第二蓄电装置13和定子绕组11导通，使得定子绕组11上产生电磁感应，定子绕组11安装在涡轮泵15的壳体上，涡轮泵15上的转子转动时，能够被定子绕组11产生的电磁线切割，从而在转子上产生电流，感应电流通过接线端子进入充电模块12，并通过充电模块12进行稳压调节之后，给第一蓄电装置10进行充电，第一蓄电装置10充满之后，可以供下一次启动时使用，以满足多次重复启动的需求。

本发明提供的电动启动器仅在涡轮泵15启动过程工作，由于大部分发动机启动器的工作时长为1秒，可使涡轮泵15达到额定工况的15％-30％，所需的瞬时功率为4-30kw范围；因此，第一蓄电装置10需要具有大功率高密度的特性，目前锂电池可达到最大功率密度为数千瓦每千克，按照最大工作时间以及最大功率估算，电池重量约为10kg，与现有的高压气瓶或者火药启动器的重量相当。高压气瓶或者火药启动器需要携带多个才能够实现多次重复使用，而本发明的电动启动器，只需要设置一个即可实现多次重复使用，电动启动器也基本不需要后期维护，能够降低成本。

可知，电动启动器通过充放电电池或者超级电容提供能源给电机14驱动涡轮泵15起旋。当涡轮泵15起旋到额定工况的15％-30％时，继之发生器点火工作。启动过程中达到15％-30％工况，电机14提供给涡轮泵15的功率及扭矩相对较小，电池相对质量较小。涡轮泵15达到额定工况后，涡轮产生功率一小部分通过电机14模块反过来给电池充电，电池充满之后充电模块12断开，涡轮产生功率全部供给推进剂泵。此种启动方式回避了气瓶启动和火药启动器的缺点，且可靠性高，重复使用维护方便。电动启动器方案易于实现，仅需涡轮泵15轴涡轮端留出悬臂，简化了整个发动机系统，同时简化了启动时序。此外启动过程可根据具体启动方案调节启动过程功率变化。

实施例二

在上述实施例一的基础上，如图2所示，本实施例对电动启动器及涡轮泵15的连接关系进行详细说明，电动启动器中还包括控制器20，控制器20分别与第一蓄电装置10和第二蓄电装置13连接，进一步的，电动启动器安装在涡轮泵15上，涡轮泵15包括连接轴19，连接轴19上安装有涡轮和多级泵，涡轮通过燃烧的气体提供动力，电动启动器向涡轮提供初始起旋动力，电机14一端与第一蓄电装置10连接，另一端通过连接轴19给涡轮提供动力。

具体的，控制器20接收外部设备发送的第一信号，第一信号为火箭发动机启动信号，控制器20接收到第一信号，并根据第一信号控制电动启动器开始工作，具体为，根据第一信号控制第一蓄电装置10与电机14导通，电机14通电运转带动涡轮泵15起旋，这个过程为第一蓄电装置10的放电过程；需要说明的是，电机14通电即启动，断电即停机，电机14所能提供的启动功率可以根据实际需要进行预先调整，当电机14通电后，就按照预设的启动功率提供旋转动力，该种形式能够给电机14提供最优方案。解决现有技术中，高压气瓶能源所能提供的启动功率不可控的技术问题。

在第一蓄电装置10的放电过程，第二蓄电装置13、定子绕组11及其充电模块12处于待机状态。

进一步的，当涡轮起旋之后，通过转速感应器能够检测涡轮盘18的旋转速度，涡轮盘18将旋转速度发送给比较模块，比较模块判断该旋转速度是否大于第一预设速度，其中第一预设速度对应于涡轮达到正常工况15％-30％之间任一功率所对应的旋转速度，当旋转速度大于第一预设速度，说明，涡轮的起旋功率达到了正常工况的15％-30％，此时，电机14已经不能满足向涡轮提供动力，比较模块向控制器20发送第四信号，第四信号为电机14停止信号，控制器20根据第四信号控制第一蓄电装置10断电，电机14停止运转，第一蓄电装置10放电过程结束。

当比较模块判断选择速度小于第一预设速度时，说明，涡轮还未达到正常工况的15％-30％，涡轮还不足以依靠燃气维持运转，此时仍然需要电机14提供启动功率，那么比较模块箱控制器20发送信号为空或者维持状态。

第一蓄电装置10放电结束之后，涡轮依靠燃气提供的推动力继续运转，在此过程中，转速感应器持续地向比较模块提供旋转速度，比较模块进行转速比较，当判断旋转速度大于等于第二预设速度时，比较模块向控制器20发送第二信号，其中，第二预设速度为涡轮达到正常工况的90％-95％时的旋转速度，说明涡轮已经处于正常运转状态，第二信号为控制充电信号，即涡轮处于正常运转状态时，可以进行充电动作。

进一步的，涡轮泵15包括连接轴19和安装在连接轴19上的涡轮盘18、第一叶轮17和第二叶轮16，涡轮盘18的周向安装有涡轮壳体，用于保护涡轮盘18，防止异物进入高速旋转的涡轮盘18，造成重大事故，同理，第一叶轮17的周向安装有第一壳体，第二叶轮16的周向安装有第二壳体，定子绕组11安装于涡轮壳体内，或者第一壳体内，或者第二壳体内，或者涡轮壳体和第一壳体内，或者第一壳体和第二壳体内，由于定子绕组11具有一定的重量，而在火箭发动机领域以尽可能地减轻重量为设计原则，因此，定子绕组11的具体设置以实际需求为安装原则。

同时，充电模块12设置在连接轴19上，充电模块12可以内嵌于连接轴19上，也可以与连接轴19通过导线连接，以能够将励磁电流引导至充电模块12为原则。

控制器20根据第二信号控制第二蓄电装置13与定子绕组11导通，定子绕组11通电，产生感应电磁；控制器20还控制第一蓄电装置10与充电模块12导通，涡轮旋转，充当转子的作用，与安装在涡轮壳体上的定子绕组11形成发电机14构，涡轮盘18被电磁线切割，产生感应电流，并通过连接端子将电流引导至充电模块12，充电模块12对感应电流进行交直流转换，并进行稳压调制，保持转子在转速和负荷变化时输出稳定电压；充电模块12对电流进行调整之后，对与之连接的第一蓄电装置10进行充电；该过程为第一蓄电装置10的充电过程；

需要说明的是，第四信号和第二信号可以通过外部设备直接给到控制器20，而不限于上述提到的通过比较模块发送给控制器20。

进一步的，第一蓄电装置10上设置有电量监测模块，电量检测模块用于监测第一蓄电装置10的剩余电量，当剩余电量等于大于电量阈值时，向控制器20发送第三信号；其中，电量阈值为第一蓄电装置10中充满电时的电量或者达到充满电量的95％时对应的电量，当剩余电量与电量阈值相等或者大于电量阈值，说明，第一蓄电装置10内充电以及满了，不需要再充电了，从节约资源的角度讲，应该停止充电，此时电量检测模块向控制器20发送第三信号，第三信号为停止充电信号，控制根据第三信号控制第一蓄电装置10与充电模块12断开，令第二蓄电装置13和定子绕组11断开，这样定子绕组11不再产生感应电磁，涡轮盘18或者第一叶轮17或者第二叶轮16的旋转也不再产生感应电流，涡轮泵15的全部功率用来提供火箭发动机的动力，这样通过涡轮泵15的一部分功率完成第一蓄电装置10的充电过程，以便于下一次启动，从而达到多次重复使用的功能。

进一步的，如图3(a)-图3(b)所示，电动启动器中的电机14在安装过程中，可以设置在连接轴19上靠近涡轮盘18的一端，或者设置在第一叶轮17与第二叶轮16之间，或者设置在第一叶轮17与涡轮盘18之间，该种设计方式能够将涡轮泵15与电动启动器一体化，简化了整个发动机系统，使得结构更加紧凑。

需要说明的是，本发明实施例中，第一蓄电装置10、第二蓄电装置13可以固定安装在涡轮壳体上，定子绕组11安装在涡轮壳体上，充电模块12与连接轴19连接，这样能够使得火箭发动机的结构更加紧凑，节约安装空间。

实施例三

本实施例提供过一种涡轮泵15，该涡轮泵15上安装有上述实施例一和实施例二中所提及的电动启动器。本发明提供的涡轮泵15创造性地采用电动启动器来实现，一方面使用电动启动方式，使得电机14直接驱动连接轴19，可以准确调节启动功率，另一方面，通过电动启动器中的定子绕组11、充电模块12和第二蓄电装置13能够给第一蓄电装置10进行充电，从而实现多次重复使用的功能，该涡轮泵15结构简单紧凑，重量轻，且无需维护，能够较好地节约成本，提高实用性。

综上所述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方案及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求书为准。