多次起动一致性好的常温富氧补燃循环发动机及关机方法与流程

本发明涉及一种发动机，具体涉及一种多次起动一致性好的常温富氧补燃循环发动机及关机方法。

背景技术：

1、采用富氧补燃循环能够显著提高常温推进剂液体火箭发动机的性能。该种循环方式的发动机进行多次起动时，需保证关机方式不能够对各组件造成损伤，并保证多次起动的一致性。

2、目前，常温推进剂富氧补燃循环发动机关机存在以下问题：

3、1)富氧燃气温度低，燃气路组件选取的材料不能承受关机可能出现的富燃高温燃气的烧蚀。发动机通过切断燃气发生器的燃料路供应来实现发动机工况迅速下降，进而实现关机。由于燃气发生器燃料头腔有燃料残余，关机后燃气发生器燃烧过程不受控，极有可能出现富燃燃烧的情况。

4、2)常温氧化剂关机后不能挥发，积存在燃气发生器氧化剂腔中，影响下次起动的充填时序。同时由于常温氧化剂有毒，产品试验结束后如果不及时处理干净燃气发生器氧化剂腔，将对环境和人员造成污染和伤害。

5、3)为适应多次起动，允许氧化剂泵腔向涡轮腔泄漏推进剂。这样在关机后氧化剂泵腔和燃气腔互通，燃气腔残留的燃气将进入氧化剂泵腔，由于燃气中含有水汽，且关机后可能有燃料残余，将污染氧化剂泵腔环境。

6、4)推力室燃料主阀设置在推力室冷却夹套入口，这使得关机后整个冷却夹套中的推进剂将进入推力室，产生较大的后效冲量且偏差大，同时由于冷却夹套中推进剂排空时间长，限制了再次起动的时间间隔。

技术实现思路

1、本发明提供了一种多次起动一致性好的常温富氧补燃循环发动机及关机方法，用于解决目前燃气发生器会出现富燃燃烧的问题、常温氧化剂在发动机关机后不能挥发的问题、发动机关机后燃气腔残留的燃气污染氧化剂泵腔的问题以及冷却夹套中的推进剂排空时间偏差大的问题。本发明能够保证常温推进剂富氧补燃循环发动机多次起动的一致性。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种多次起动一致性好的常温富氧补燃循环发动机，包括控制阀组、燃气发生器，推力室，同轴依次设置的涡轮、氧化剂泵、燃料一级泵、燃料二级泵；所述氧化剂泵输入端与氧化剂管路连接，输出端与燃气发生器的氧化剂头腔连接；所述燃料一级泵输入端与燃料管路连接，第一输出端与推力室的冷却夹套入口环腔连接，第二输出端与燃料二级泵输入端相连接；所述燃料二级泵的输出端与燃气发生器的燃料头腔入口连接；所述燃气发生器的燃气腔出口与涡轮的输入端连接；所述涡轮的输出端与推力室的燃气头腔入口连接；所述推力室的的冷却夹套通过排放路与外部环境连通，冷却夹套出口与推力室的燃料头腔集液器连接；其特殊之处在于：

4、还包括吹除一路、吹除二路、吹除三路以及吹除四路；

5、所述吹除一路的吹除点设置在燃料二级泵和燃气发生器的燃料头腔之间，所述吹除一路上设置有第一吹除单向阀；

6、所述吹除二路的吹除点设置在推力室的燃料头腔集液器上，所述吹除二路上设置有第二吹除单向阀；

7、所述吹除三路的吹除点设置在燃气发生器的氧化剂头腔上，所述吹除三路上设置有第三吹除单向阀；

8、所述吹除四路的吹除点设置在氧化剂泵的入口壳体上，所述吹除四路上设置有第四吹除单向阀。

9、进一步地，所述吹除一路、吹除二路和吹除三路的气源压力小于推力室燃料头腔压力的70％；

10、所述吹除二路和吹除三路各自的吹除流量是吹除一路的吹除流量的1.8-2.2倍；

11、所述吹除四路的气源压力在0.3mpa到0.5mpa之间。

12、进一步地，所述控制阀组包括氧化剂主阀、氧化剂排放阀、燃料主阀、推力室排放阀、发生器燃料阀、燃料隔离阀和氧化剂隔离阀、燃料排放阀；

13、所述氧化剂主阀设置在氧化剂泵的输出端和燃气发生器的氧化剂头腔入口之间；

14、所述氧化剂排放阀设置在氧化剂排放通道上，所述氧化剂排放通道一端设置在氧化剂泵输出端与氧化剂主阀连接的管路上，另一端与外部环境连通；

15、所述燃料主阀设置在燃料一级泵输出端与推力室的冷却夹套入口连接的管路上；

16、所述推力室排放阀设置在排放路上，用于在发动机关机后将推力室冷却夹套中的剩余燃料排出，避免大量燃料进入推力室燃烧带来关机后效冲量及其偏差大，并保证多次起动推力室冷却夹套充填一致性；

17、所述发生器燃料阀设置在燃料二级泵的输出端与燃气发生器的燃料头腔入口之间；

18、所述燃料隔离阀设置在燃料一级泵的燃料管路上；

19、所述氧化剂隔离阀设置在氧化剂泵的氧化剂管路上；

20、所述燃料排放阀设置在燃料排放通道上，所述燃料排放通道一端设置在燃料一级泵输出端与燃料主阀连接的管路上，另一端与外部环境连通。

21、本发明还提供一种多次起动一致性好的常温富氧补燃循环发动机的关机方法，包括以下步骤：

22、步骤1，对吹除一路和吹除二路提供气源压力；

23、步骤2，切断燃气发生器的燃料供应，实现发动机关机，使得燃气发生器中的燃气温度降低，涡轮的输入功率下降，燃气发生器的燃料头腔和氧化剂头腔、以及推力室的燃料头腔压力下降；

24、步骤3，当燃气发生器燃料头腔的压力低于吹除一路的气源压力时，吹除一路中的吹除气体通过第一吹除单向阀将燃气发生器燃料头腔中剩余的燃料排出到燃气发生器的燃气腔并与氧化剂燃烧；

25、步骤4，当推力室中燃料头腔的压力低于吹除二路的气源压力时，吹除二路的吹除气体通过第二吹除单向阀进入推力室的燃料头腔，最终将推力室冷却套中的燃料通过排放路排出；

26、步骤5，切断燃气发生器的氧化剂供应，氧化剂泵中的部分氧化剂通过氧化剂排放阀自动排出；

27、步骤6，关闭氧化剂管路和燃料管路；对吹除三路和吹除四路提供气源压力；

28、步骤7，吹除三路的吹除气体通过第三吹除单向阀进入燃气发生器的氧化剂头腔，将燃气发生器氧化剂头腔中的残余氧化剂排出；

29、同时，吹除四路的吹除气体通第四吹除单向阀进入氧化剂泵，将氧化剂泵中残余氧化剂排出；

30、当燃气发生器氧化剂头腔中的残余氧化剂吹除干净后，关闭吹除三路和吹除四路，并同时关闭吹除一路和吹除二路；

31、步骤8，重复多次打开吹除一路和吹除二路，直至推力室排放阀无燃料液滴排出，发动机的关机过程结束。

32、进一步地，所述燃料二级泵的输出端与燃气发生器的燃料头腔入口之间设置有发生器燃料阀；步骤2中，通过关闭发生器燃料阀实现发动机关机。

33、进一步地，所述燃料一级泵输出端与推力室的第一输入端的冷却套入口之间设置有燃料主阀；所述排放路上设置有推力室排放阀；

34、步骤4中，当推力室中燃料头腔的压力低于吹除二路的气源压力时，吹除二路的吹除气体通过第二吹除单向阀进入推力室的燃料头腔；

35、此时燃料主阀处于开启状态，燃料只进入推力室，推力室排放阀和燃料排放阀不向外部环境排放推进剂；吹除二路的吹除气体与仍在进入推力室的燃料形成混合物一同进入推力室的燃气腔，并与仍在进入推力室的氧化剂燃烧；

36、燃料主阀在燃气发生器燃料头腔中残余燃料吹除干净后关闭，并同时打开推力室排放阀和燃料排放阀；由于吹除二路的吹除点设置在推力室冷却夹套出口的燃料头腔集液器上，位于燃料主阀的下游，因此燃料主阀关闭之后吹除二路的吹除气体仍可进入推力室，并且吹除气体分为第一气体和第二气体，第一气体进入推力室的冷却夹套，将冷却夹套中的燃料通过推力室排放阀排出，以确保发动机再次起动时推力室的冷却夹套充填过程与发动机第一次起动一致；第二气体进入推力室的燃料头腔，避免氧化剂窜入推力室的燃料头腔，防止发动机再次起动时推力室的燃料头腔出现爆燃。

37、进一步地，所述氧化剂泵的输出端设置有氧化剂主阀，所述氧化剂主阀的出口和燃气发生器的氧化剂头腔入口连接；所述氧化剂排放阀设置在氧化剂排放通道上，所述氧化剂排放通道一端与氧化剂泵输出端与燃气发生器的第一输入端连接的管路连通，另一端与外部环境连通；

38、步骤5中，关闭燃料主阀的同时关闭氧化剂主阀，且打开氧化剂排放阀；当氧化剂主阀关闭时，切断燃气发生器的氧化剂供应，氧化剂泵中的氧化剂从氧化剂排放阀排出到外部环境；此时燃气发生器氧化剂头腔中残余氧化剂在不受控的状态下向燃气发生器燃气腔、涡轮和推力室的燃气腔排放，并从推力室连通的排放路排向外部环境。

39、进一步地，所述吹除三路用于向燃气发生器的氧化剂头腔内输入气体，所述燃料管路上设置有燃料隔离阀，所述氧化剂管路上设置有氧化剂隔离阀；

40、步骤6中，通过关闭氧化剂隔离阀和燃料隔离阀，实现关闭氧化剂管路和燃料管路，使得氧化剂和燃料不再进入发动机内腔。

41、进一步地，步骤7中，吹除三路的吹除气体通过第三吹除单向阀进入燃气发生器的氧化剂头腔，使得燃气发生器氧化剂头腔中残余氧化剂的排出，吹除气体和氧化剂的混合物进入涡轮，并在涡轮的入口、涡轮的出口和推力室中的燃气头腔建立压力；

42、同时，吹除四路的吹除气体通过第四吹除单向阀进入氧化剂泵，并将氧化剂泵中的氧化剂从氧化剂排放阀排向外部环境，吹除气体和氧化剂的混合物在氧化剂泵内建立压力；

43、吹除三路的吹除气体和氧化剂混合物在涡轮出口建立的压力不能高于吹除四路中吹除气体和氧化剂的混合物在氧化剂泵内建立的压力，避免涡轮燃气腔的燃气进入氧化剂泵。

44、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

45、1、本发明通过设置吹除一路，在发生器燃料阀关闭后、氧化剂主阀未关闭前，将燃气发生器燃料头腔中剩余的燃料加速排出，保证了氧化剂质量流量与燃料质量流量的比值高于关机前，燃气温度降低，不会烧蚀涡轮。

46、2、本发明通过设置吹除三路，在关机后5s对燃气发生器的氧化剂头腔进行吹除，加速氧化剂的排出，避免常温氧化剂关机后在燃气发生器的氧化剂头腔积存，影响下一次起动的充填时序。同时通过设置吹除四路，并合理设置吹除三路与吹除四路的压力和流量，使得吹除三路的吹除气体和氧化剂混合物在涡轮出口建立的压力不能高于吹除四路中吹除气体和氧化剂的混合物在氧化剂泵腔内建立的压力，避免燃气腔的燃气进入氧化剂泵腔。

47、3、本发明通过设置吹除二路和推力室排放阀，使得发动机关机后推力室冷却夹套中的燃料从冷却夹套入口加速排出，降低了后效冲量及其偏差，保证了发动机多次起动的一致性。

48、4、本发明通过设置吹除一路、吹除二路、吹除三路以及吹除四路上的单向阀、吹除压力和吹除流量，保证吹除系统参数协调，吹除措施有效，且不影响稳态工作特性。

49、5、本发明通过设置氧化剂主阀、氧化剂排放阀、燃料主阀、推力室排放阀、发生器燃料阀、燃料隔离阀、氧化剂隔离阀和燃料排放阀，以及通过设置各个阀门与吹除一路、吹除二路、吹除三路以及吹除四路的相互配合时序，精确地控制关机过程，保证了关机安全协调进行。

50、6、当推力室中燃料头腔的压力低于吹除二路的气源压力时，本发明吹除二路的气体进入到推力室的燃料头腔中，并将燃料头腔中的残余燃料运送至推力室的燃气腔中进行燃烧，可以将燃料头腔中的残余燃料消耗干净。

51、当推力室的燃料头腔中残余燃料消耗干净后，关闭燃料主阀并同时推力室排放阀和燃料排放阀，此时吹除二路的吹除气体分为第一气体和第二气体，第一气体进入推力室的冷却夹套，将冷却夹套中的燃料通过推力室排放阀(排出，以确保发动机再次起动时推力室的冷却夹套充填过程与发动机第一次起动一致；第二气体进入推力室的燃料头腔，避免氧化剂窜入推力室的燃料头腔，防止发动机再次起动时推力室的燃料头腔出现爆燃。