一种自燃推进剂富氧补燃发动机起动系统及起动方法与流程

1.本发明涉及液体火箭发动机的起动系统及起动方法，具体涉及一种自燃推进剂富氧补燃发动机起动系统及起动方法。


背景技术：

2.液体火箭发动机的起动过程是一个十分复杂的物理化学过程。在几秒甚至更短的时间内，发动机各组件的工作状态需从远偏离设计点过渡到额定工况。起动过程中的能量将高密度释放，因此，各组件必须很好地配合，否则可能出现过高的温度峰、压力峰，导致发动机的结构被破坏。
3.目前国内外现有的型号补燃循环发动机成熟应用的起动方式主要有：
4.(1)自身起动
5.自身起动是最简单的起动方式，发动机不需要引入单独的起动系统，结构最简单，质量也最轻。自身起动可以实现多次起动，但对发动机入口处的压力要求高，一般要求发动机入口处的压力不小于0.5mpa，且起动过程对入口压力较为敏感，入口压力的散差会影响发动机起动的品质。
6.(2)火药起动器强迫起动
7.火药起动器是目前液体火箭发动机最常用的强迫起动方式，但一般只适用于一次或两次起动的发动机，如果火药起动器进行更多次数的起动工作，发动机需要设置更多的火药起动器，这种方式会导致起动器的结构重量大。火药起动器的能量和工作时间固定，不易调整，并且一般而言，这种强迫起动方式需要使用火药起动器将发动机的转速提升至额定转速的50％或以上。


技术实现要素：

8.本发明的目的是解决现有的起动方式对发动机入口处的压力要求高，或者不能实现多次起动，或者需要将发动机的转速提升至额定转速的50％及以上的技术问题，而提供一种自燃推进剂富氧补燃发动机起动系统及起动方法。
9.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
10.一种自燃推进剂富氧补燃发动机起动系统，其特殊之处在于：包括连接轴，依次设置在连接轴上的主涡轮1、氧化剂泵5、起动涡轮2和燃料泵4，以及起动涡轮控制阀3、流量调节器6、燃气发生器7、发生器氧化剂阀8、发生器燃料阀9及转级阀10；所述起动涡轮2、主涡轮1、燃料泵4和氧化剂泵5的转速相同；
11.所述起动涡轮2上设置有气体入口管道13，用于向起动涡轮2输入辅助起动气体；所述起动涡轮控制阀3安装在气体入口管道13上且开度可连续调节，用于控制辅助起动气体进入起动涡轮2的流量；起动涡轮2用于起动初始时刻带动主涡轮1、燃料泵4和氧化剂泵5起旋；
12.所述燃料泵4上设置有与燃料泵内部容腔联通的燃料入口11，燃料入口11用于向
燃料泵内部容腔充填燃料；燃料泵4与燃气发生器7的一个入口通过管路联通，用于将燃料输送至燃气发生器7；
13.所述流量调节器6、转级阀10和发生器燃料阀9沿燃料的输送方向依次设置在燃料泵4与燃气发生器7之间的管路上；所述发生器燃料阀9用于控制燃料进入燃气发生器7，所述转级阀10用于起动初始时刻调节燃料的流量，所述流量调节器6用于起动后期调节燃料的流量；
14.所述氧化剂泵5上设置有与氧化剂泵内部容腔联通的氧化剂入口12，氧化剂入口12用于向氧化剂泵内部容腔充填氧化剂；氧化剂泵5与燃气发生器7的另一个入口通过管路联通，用于将氧化剂输送至燃气发生器7；
15.所述发生器氧化剂阀8设置在燃气发生器7与氧化剂泵5之间的管路上，用于控制氧化剂进入燃气发生器7；
16.所述燃气发生器7的燃气出口与主涡轮1联通，用于燃料和氧化剂的燃烧并将燃烧产生的燃气输送至主涡轮1，用于起动后期驱动主涡轮1继续增加转速。
17.进一步地，所述起动涡轮控制阀3、发生器氧化剂阀8和发生器燃料阀9均为气动阀。
18.进一步地，还包括与起动涡轮控制阀3、发生器氧化剂阀8和发生器燃料阀9分别电连接的控制系统；
19.所述控制系统用于控制起动涡轮控制阀3的开度，以及起动涡轮控制阀3、发生器氧化剂阀8和发生器燃料阀9的开关。
20.进一步地，所述辅助起动气体为氦气。
21.本发明还提供一种自燃推进剂富氧补燃发动机起动方法，基于上述的一种自燃推进剂富氧补燃发动机起动系统，其特殊之处在于，包括以下步骤：
22.步骤1、将燃料从燃料入口11充填进燃料泵4的内部容腔，将氧化剂从氧化剂入口12充填进氧化剂泵5的内部容腔，将流量调节器6调节至大开度档位、将转级阀10调节至小开度档位；
23.步骤2、打开起动涡轮控制阀3，驱动辅助起动气体进入起动涡轮2，使起动涡轮2起旋；起动涡轮2带动燃料泵4和氧化剂泵5起旋，对燃料和氧化剂进行增压；
24.步骤3、起动涡轮2带动主涡轮1旋转，当主涡轮1的转速不再增加时，打开发生器氧化剂阀8；
25.步骤4、燃气发生器7的氧化剂容腔被充填满后，打开发生器燃料阀9，燃料和氧化剂在燃气发生器7中进行燃烧，燃烧产生的高温高压燃气通过管路进入并驱动主涡轮1；
26.步骤5、当主涡轮1的转速达到额定转速的40％时，转级阀10由小开度档位转级至大开度档位；
27.当主涡轮1的转速达到额定转速的90％～95％时，流量调节器6调节至起调状态；
28.当主涡轮1的转速达到额定转速的40％以上时，关闭起动涡轮控制阀3；
29.当主涡轮1的转速达到额定转速，完成发动机的起动。
30.进一步地，所述步骤6中，当主涡轮1的转速达到额定转速时，关闭起动涡轮控制阀3。
31.进一步地，所述步骤1中，将燃料从燃料入口11充填进燃料泵4的内部容腔，将氧化
剂从氧化剂入口12充填进氧化剂泵5的内部容腔，使得燃料入口11和氧化剂入口12的压力分别达到0.3mpa～0.7mpa。
32.与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：
33.1、本发明提供的自燃推进剂富氧补燃发动机起动系统通过辅助起动气体辅助起旋，将主涡轮驱动至一定转速，燃料泵和氧化剂泵起旋后会产生扬程，压力会有一定提高，因此对发动机入口处的压力要求低；无火工品，发动机的使用维护方便，可以多次起动；
34.2、本发明提供的自燃推进剂富氧补燃发动机起动系统通过控制阀门的打开、关闭时序和开度大小来控制发动机的起动；通过调整起动涡轮控制阀的打开、关闭的时刻和开度大小，可以调整辅助起动气体的工作时间，优化起动的消耗量，辅助起动气体的流量小，不需要像强迫起动一样将发动机转速起旋至额定值的50％以上，仅需要起旋至额定值的25％左右即可实现起动；
35.3、本发明提供的自燃推进剂富氧补燃发动机起动系统中，所有阀门均为气动阀门，可以实现多次打开和关闭。
附图说明
36.图1为本发明提供的自燃推进剂富氧补燃发动机起动系统的结构原理图；
37.图2为采用本发明提供的自燃推进剂富氧补燃发动机起动方法的发动机起动转速曲线图；
38.附图标记说明如下：
39.1-主涡轮，2-起动涡轮，3-起动涡轮控制阀，4-燃料泵，5-氧化剂泵，6-流量调节器，7-燃气发生器，8-发生器氧化剂阀，9-发生器燃料阀，10-转级阀，11-燃料入口，12-氧化剂入口，13-气体入口管道。
具体实施方式
40.下面结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种自燃推进剂富氧补燃发动机起动系统及起动方法进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
41.一种自燃推进剂富氧补燃发动机起动系统，如图1所示，包括连接轴，依次设置在连接轴上的主涡轮1、氧化剂泵5、起动涡轮2和燃料泵4，以及起动涡轮控制阀3、流量调节器6、燃气发生器7、发生器氧化剂阀8、发生器燃料阀9及转级阀10，还包括与起动涡轮控制阀3、发生器氧化剂阀8和发生器燃料阀9分别电连接的控制系统。控制系统用于控制起动涡轮控制阀3的开度，以及起动涡轮控制阀3、发生器氧化剂阀8和发生器燃料阀9的开关。起动涡轮2、主涡轮1、燃料泵4和氧化剂泵5为同轴式串联结构，其转速相同。
42.起动涡轮2上设置有气体入口管道13，用于向起动涡轮2输入辅助起动气体。起动涡轮控制阀3安装在气体入口管道13上且开度可连续调节，用于控制辅助起动气体进入起动涡轮2的流量。起动涡轮2用于起动初始时刻带动主涡轮1、燃料泵4和氧化剂泵5起旋。本实施例中，辅助起动气体为氦气。
43.燃料泵4上设置有与燃料泵内部容腔联通的燃料入口11，燃料入口11用于向燃料泵内部容腔充填燃料。燃料泵4与燃气发生器7的一个入口通过管路联通，用于将燃料输送
至燃气发生器7。
44.流量调节器6、转级阀10和发生器燃料阀9沿燃料的输送方向依次设置在燃料泵4与燃气发生器7之间的管路上。发生器燃料阀9用于控制燃料进入燃气发生器7，转级阀10用于起动初始时刻调节燃料的流量，流量调节器6用于起动后期调节燃料的流量。
45.设置流量调节器6和转级阀10，可以降低主涡轮1起旋的转速。主涡轮1起旋后先使用较小的氧化剂和燃料流量在燃气发生器7中进行燃烧，当燃烧组织起来后再将转级阀10的开度增大，提高燃料流量，从而实现工况的爬升。
46.氧化剂泵5上设置有与氧化剂泵内部容腔联通的氧化剂入口12，氧化剂入口12用于向氧化剂泵内部容腔充填氧化剂。氧化剂泵5与燃气发生器7的另一个入口通过管路联通，用于将氧化剂输送至燃气发生器7。发生器氧化剂阀8设置在燃气发生器7与氧化剂泵5之间的管路上，用于控制氧化剂进入燃气发生器7。
47.燃气发生器7的燃气出口与主涡轮1通过管路联通，燃料与氧化剂在燃气发生器7中进行燃烧，燃气产生的燃气通过管路输送至主涡轮1，用于起动后期驱动主涡轮1转动。
48.发动机起动之前先将燃料和氧化剂从燃料入口11和氧化剂入口12充填进燃料泵4和氧化剂泵5的内部容腔，燃料入口11、氧化剂入口12和起动涡轮2的进气压力达到一定值时符合起动条件。
49.本发明提供的自燃推进剂富氧补燃发动机起动系统通过调节发生器氧阀8和发生器燃料阀9的打开时差，对主涡轮1的接力情况进行控制和调节，从而可以调整发动机起动过程。
50.起动涡轮控制阀3、发生器氧化剂阀8和发生器燃料阀9均为气动阀，起动涡轮控制阀3的开度可以进行连续调节。本实施例中，所有的截止阀和调节阀均为可多次开闭的阀门，从而简单地实现发动机的多次起动。
51.起动时先打开起动涡轮控制阀3，驱动氦气进入起动涡轮2，使之起旋，同时串联的燃料泵4和氧化剂泵5起旋将燃料和氧化剂进行增压。由于燃料泵4和氧化剂泵5后的主阀处于关闭状态，起动涡轮2做功用于燃料和氧化剂增压，使起动涡轮2的输出功和燃料泵4、氧化剂泵5的负载功率平衡。主涡轮1的转速达到平衡值后，先后打开发生器氧化剂阀8和发生器燃料阀9，燃料和氧化剂进入燃气发生器7进行燃烧，燃烧产生高温高压燃气驱动主涡轮1。然后转级阀10从小开度转级至大开度，增加燃气发生器7的燃料流量，提高燃气发生器7的做功能力，使整个涡轮泵的功率增加，转速进一步提高。当主涡轮1的转速到达一定值时，实现了主涡轮1和起动涡轮2的接力，此时关闭起动涡轮控制阀2，完成了起动的接力，当主涡轮1的输出功和燃料泵4、氧化剂泵5的消耗功平衡时，发动机过渡到稳态工作工况。
52.本实施例还提供一种自燃推进剂富氧补燃发动机起动方法，基于上述的一种自燃推进剂富氧补燃发动机起动系统，包括以下步骤：
53.步骤1、将燃料从燃料入口11充填进燃料泵4的内部容腔，将氧化剂从氧化剂入口12充填进氧化剂泵5的内部容腔，直至燃料入口11和氧化剂入口12的压力分别达到0.3mpa～0.7mpa；将流量调节器6调节至大开度、将转级阀10调节至小开度。流量调节器6仅有两种状态，分别为大开度和起调状态。转级阀10具有两种开度，分别为大开度和小开度。
54.步骤2、打开起动涡轮控制阀3，并调节其开度，使辅助起动气体进入起动涡轮2，使起动涡轮2起旋；起动涡轮2带动燃料泵4和氧化剂泵5起旋，对燃料和氧化剂进行增压。起动
涡轮控制阀3的开度根据主涡轮1需达到的发动机起动转速确定，主涡轮1需提升的转速越高，所需辅助起动气体的流量越大，起动涡轮控制阀3的开度越大。
55.步骤3、起动涡轮2带动主涡轮1旋转，当主涡轮1的转速不再增加时，打开发生器氧化剂阀8。
56.步骤4、氧化剂进入燃气发生器7的氧化剂容腔，燃气发生器7的氧化剂容腔被充填满后，打开发生器燃料阀9，燃料和氧化剂在燃气发生器7中进行燃烧，燃烧产生的高温高压燃气驱动主涡轮1。
57.步骤5、当主涡轮1的转速达到额定转速的40％时，转级阀10由小开度转级至大开度；当主涡轮1的转速达到额定转速的90％～95％时，流量调节器6调节至起调状态；当主涡轮1的转速大于额定转速的40％后，关闭起动涡轮控制阀3。
58.本实施例中，当主涡轮1的转速达到额定转速时，关闭起动涡轮控制阀3。当主涡轮1的转速达到额定转速，完成发动机的起动。
59.通过上述方法，实现了常温推进剂空间补燃泵压式发动机的低流量氦气辅助起动。如图2所示，为采用本发明提供的自燃推进剂富氧补燃发动机起动系统和起动方法的发动机起动转速曲线图，可以看出已将强迫起动发动机的起旋转速可降低至仅25％左右。

技术特征：
1.一种自燃推进剂富氧补燃发动机起动系统，其特征在于：包括连接轴，依次设置在连接轴上的主涡轮(1)、氧化剂泵(5)、起动涡轮(2)和燃料泵(4)，以及起动涡轮控制阀(3)、流量调节器(6)、燃气发生器(7)、发生器氧化剂阀(8)、发生器燃料阀(9)及转级阀(10)；所述起动涡轮(2)上设置有气体入口管道(13)，用于向起动涡轮(2)输入辅助起动气体；所述起动涡轮控制阀(3)安装在气体入口管道(13)上且开度可连续调节，用于控制辅助起动气体进入起动涡轮(2)的流量；起动涡轮(2)用于起动初始时刻带动主涡轮(1)、燃料泵(4)和氧化剂泵(5)起旋；所述燃料泵(4)上设置有与燃料泵内部容腔联通的燃料入口(11)，燃料入口(11)用于向燃料泵内部容腔充填燃料；燃料泵(4)与燃气发生器(7)的一个入口通过管路联通，用于将燃料输送至燃气发生器(7)；所述流量调节器(6)、转级阀(10)和发生器燃料阀(9)沿燃料的输送方向依次设置在燃料泵(4)与燃气发生器(7)之间的管路上；所述发生器燃料阀(9)用于控制燃料进入燃气发生器(7)，所述转级阀(10)用于起动初始时刻调节燃料的流量，所述流量调节器(6)用于起动后期调节燃料的流量；所述氧化剂泵(5)上设置有与氧化剂泵内部容腔联通的氧化剂入口(12)，氧化剂入口(12)用于向氧化剂泵内部容腔充填氧化剂；氧化剂泵(5)与燃气发生器(7)的另一个入口通过管路联通，用于将氧化剂输送至燃气发生器(7)；所述发生器氧化剂阀(8)设置在燃气发生器(7)与氧化剂泵(5)之间的管路上，用于控制氧化剂进入燃气发生器(7)；所述燃气发生器(7)的燃气出口与主涡轮(1)联通，用于燃料和氧化剂的燃烧并将燃烧产生的燃气输送至主涡轮(1)，用于起动后期驱动主涡轮(1)转动。2.根据权利要求1所述的自燃推进剂富氧补燃发动机起动系统，其特征在于：所述起动涡轮控制阀(3)、发生器氧化剂阀(8)和发生器燃料阀(9)均为气动阀。3.根据权利要求1或2所述的自燃推进剂富氧补燃发动机起动系统，其特征在于：还包括与起动涡轮控制阀(3)、发生器氧化剂阀(8)和发生器燃料阀(9)分别电连接的控制系统；所述控制系统用于控制起动涡轮控制阀(3)的开度，以及起动涡轮控制阀(3)、发生器氧化剂阀(8)和发生器燃料阀(9)的开关。4.根据权利要求3所述的自燃推进剂富氧补燃发动机起动系统，其特征在于：所述辅助起动气体为氦气。5.一种自燃推进剂富氧补燃发动机起动方法，基于权利要求1-4任一所述的一种自燃推进剂富氧补燃发动机起动系统，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将燃料从燃料入口(11)充填进燃料泵(4)的内部容腔，将氧化剂从氧化剂入口(12)充填进氧化剂泵(5)的内部容腔，将流量调节器(6)调节至大开度档位、将转级阀(10)调节至小开度档位；步骤2、打开起动涡轮控制阀(3)，并调节其开度，使辅助起动气体进入起动涡轮(2)，使起动涡轮(2)起旋；起动涡轮(2)带动燃料泵(4)和氧化剂泵(5)起旋，对燃料和氧化剂进行增压；步骤3、起动涡轮(2)带动主涡轮(1)旋转，当主涡轮(1)的转速不再增加时，打开发生器氧化剂阀(8)；步骤4、氧化剂进入燃气发生器(7)的氧化剂容腔，燃气发生器(7)的氧化剂容腔被充填满后，打开发生器燃料阀(9)，燃料和氧化剂在燃气发生器(7)中进行燃烧，燃烧产生的高温
高压燃气驱动主涡轮(1)；步骤5、当主涡轮(1)的转速达到额定转速的40％时，转级阀(10)由小开度档位转级至大开度档位；当主涡轮(1)的转速达到额定转速的90％～95％时，流量调节器(6)调节至起调状态；当主涡轮(1)的转速达到额定转速的40％以上时，关闭起动涡轮控制阀(3)；当主涡轮(1)的转速达到额定转速，完成发动机的起动。6.根据权利要求5所述的自燃推进剂富氧补燃发动机起动方法，其特征在于：所述步骤5中，当主涡轮(1)的转速达到额定转速时，关闭起动涡轮控制阀(3)。7.根据权利要求6所述的自燃推进剂富氧补燃发动机起动方法，其特征在于：所述步骤1中，将燃料从燃料入口(11)充填进燃料泵(4)的内部容腔，将氧化剂从氧化剂入口(12)充填进氧化剂泵(5)的内部容腔，使得燃料入口(11)和氧化剂入口(12)的压力分别达到0.3mpa～0.7mpa。

技术总结
本发明涉及液体火箭发动机的起动系统及起动方法，具体涉及一种自燃推进剂富氧补燃发动机起动系统及起动方法，解决了现有的起动方式对发动机入口处的压力要求高，或者不能实现多次起动，或者需要将发动机的转速提升至额定转速的50％及以上的技术问题。本发明提供的起动系统包括连接轴，依次设置在连接轴上的主涡轮、氧化剂泵、起动涡轮和燃料泵，安装在起动涡轮的气体入口管道上的起动涡轮控制阀，设置在主涡轮上的燃气发生器，安装在燃气发生器两个推进剂入口上的发生器氧化剂阀、发生器燃料阀；燃气发生器与燃料泵、氧化剂泵分别通过管路联通，并在燃气发生器与燃料泵之间的管路上设置流量调节器和转级阀，用于调节燃料的流量。量。量。


技术研发人员：李斌 李元启 刘上 王鹏武 王海燕 单磊 管杰 王猛
受保护的技术使用者：西安航天动力研究所
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/10/8