一種液氧甲烷發動機及其多次點火方法與流程
2024-04-12 19:49:05 4
1.本發明涉及一種液體發動機及其點火方法，具體涉及一種液氧甲烷發動機及其多次點火方法。
背景技術：
2.液體火箭發動機作為未來可重複使用主動力，有著良好的使用前景，液氧液甲烷為液體發動機主要使用的氧化劑和燃料。為實現液氧甲烷液體火箭發動機(以下簡稱液氧甲烷發動機)重複使用、狀態檢測和使用維護簡便等技術要求，首先液氧甲烷發動機要具備重複使用能力，可重複點火是其實現快捷重複使用能力的關鍵。
3.目前國內外液氧甲烷發動機點火多採用多發火藥點火、電火炬式點火等方式實現多次點火。火藥多次點火時需要更換藥柱或安裝多套火藥點火器，不利於重複使用；電火炬式點火可實現多次重複點火，但需要供應氧化劑和燃料氣源，供氣系統結構複雜。
技術實現要素：
4.本發明的目的是解決現有技術中火藥多次點火時需要更換藥柱或安裝多套火藥點火器，不利於重複使用，而電火炬式點火需要供應氧化劑和燃料氣源，供氣系統結構複雜的不足之處，而提供一種液氧甲烷發動機及其多次點火方法。
5.為實現上述目的，本發明提供的技術解決方案如下：
6.一種液氧甲烷發動機，其特殊之處在於：包括燃料泵、氧泵、渦輪、燃氣發生器以及推力室，燃氣發生器和推力室均連接燃料泵和氧泵，用於泵入燃料和液氧，其對應管路上分別設置有燃料閥和氧閥，所述渦輪和燃料泵、氧泵同軸連接；所述推力室上設置有推力室等離子體點火器、燃氣發生器上設置有發生器等離子體點火器，推力室等離子體點火器和發生器等離子體點火器均連接有電源；
7.所述推力室等離子體點火器和發生器等離子體點火器均設置有氣體入口，用於連接高壓氣源，所述高壓氣源用於提供氣體工質，氣體入口處設置有限流孔板；所述電源為推力室等離子體點火器和發生器等離子體點火器的啟動和維持提供電能，並且用於檢測電弧的工作狀態。
8.進一步地，所述高壓氣源為液體發動機的控制吹除氣源。
9.同時，還提供上述一種上述液氧甲烷發動機的多次點火方法，其特殊之處在於，包括以下步驟：
10.s1.打開推力室等離子體點火器，形成穩定火焰；
11.s2.控制燃料和液氧進入推力室燃燒室，通過推力室等離子體點火器的火焰將其點燃，產生高溫燃氣，經推力室噴管噴出；
12.所述推力室等離子體點火器的氣體入口壓力≥推力室燃燒室的穩態壓力；
13.s3.打開發生器等離子體點火器，形成穩定火焰；
14.s4.控制燃料和液氧進入燃氣發生器燃燒室，發生器等離子體點火器的火焰將其
點燃，產生高溫燃氣驅動渦輪運動，渦輪帶動同軸連接的氧泵和燃料泵高速旋轉，對進入推力室燃燒室和燃氣發生器燃燒室的燃料和液氧進行增壓，推力室燃燒室壓力增加，產生高溫高壓燃氣經推力室噴管噴出，完成一次點火；
15.所述發生器等離子體點火器的氣體入口壓力≥燃氣發生器燃燒室的穩態壓力。
16.s5.重複s1-s4，進行多次點火，直至完成點火。
17.進一步地，s1具體為：
18.s1.1.控制氣體工質進入推力室等離子體點火器，在推力室等離子體點火器的兩個電極間形成穩定的冷氣流場；
19.s1.2.在推力室等離子體點火器的兩個電極通電，提升電壓使其大於10000伏，電弧等離子體利用電極間強電流放電，將氣體工質冷流電離，產生等離子體火焰，持續放電使推力室等離子體點火器出口形成穩定的火焰。
20.進一步地，s3具體為：
21.s3.1.控制氣體工質進入發生器等離子體點火器，在發生器等離子體點火器的兩個電極間形成穩定的冷氣流場；
22.s3.2.在發生器等離子體點火器的兩個電極通電，提升電壓使其大於10000伏，電弧等離子體利用電極間強電流放電，將氣體工質冷流電離，產生等離子體火焰，持續放電使發生器等離子體點火器出口形成穩定的火焰。
23.進一步地，s1.1中所述氣體工質進入推力室等離子體點火器和s3.1中所述氣體工質進入發生器等離子體點火器中氣體工質的流量通過下式計算獲得：
[0024][0025]
式中，qm為氣體入口的氣體工質流量，單位kg/s；a為氣體入口的流通面積，單位mm2；μ為流量係數；pi為氣體入口的壓力，單位mpa；ri為氣體工質的氣體常數，單位j/(kg
·
k)；ti為氣體入口的氣體工質溫度，單位k；k為氣體工質絕熱指數。
[0026]
進一步地，s1.2中所述推力室等離子體點火器出口的火焰和s3.2中所述發生器等離子體點火器出口的火焰平均溫度均大於燃料燃點溫度的2倍。
[0027]
進一步地，s1和s3中所述氣體工質為氮氣。
[0028]
進一步地，所述燃料為液甲烷。
[0029]
進一步地，s1之前還包括s0：打開氧泵和燃料泵，將液氧和液甲烷分別加注到燃氣發生器和推力室的氧閥和燃料閥前，同時，對供應液氧和液甲烷的管路、燃料泵、氧泵、氧閥和燃料閥均進行預冷；
[0030]
s5中，每次重複s1-s4之前，均需執行s0。
[0031]
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
[0032]
1.本發明在液體發動機中增加了推力室等離子體點火器和發生器等離子體點火器，作為新的點火系統，氣體工質的供氣系統簡單，可以實現多次點火。
[0033]
2.本發明的高壓氣源可以使用發動機控制吹除氣源，簡化供應系統。
[0034]
3.本發明中使用等離子體點火，具有放電強度大、電離度高、化學活性強的優點，因而點火能力更強；使用等離子體點火器在燃燒室內持續產生等離子體，可以改善燃燒環
境、提高燃燒速度，起到輔助燃燒和火焰維持的功能。
[0035]
4.本發明先通入氮氣分別使推力室等離子體點火器和發生器等離子體點火器點火後，再分別向推力室燃燒室和發生器燃燒室通入燃料和液氧進行點火，提高了點火的安全性。
[0036]
5.本發明中所述推力室等離子體點火器的氣體入口壓力≥推力室燃燒室的穩態壓力，所述發生器等離子體點火器的氣體入口壓力≥燃氣發生器燃燒室的穩態壓力，避免氣體倒流進入推力室等離子體點火器和發生器等離子體點火器。
[0037]
6.本發明中氣體工質流量通過氣體入口壓力、氣體工質溫度等參數計算獲得，使得氣體工質流量與氣體入口壓力、氣體工質溫度相匹配，同時根據氣體流量匹配等離子體點火器功率。
附圖說明
[0038]
圖1是本發明一種液氧甲烷發動機實施例的結構原理示意圖；
[0039]
圖2是本發明實施例中推力室等離子體點火器、發生器等離子體點火器的工作原理示意圖；
[0040]
附圖標記說明：
[0041]
1-燃料泵，2-燃氣發生器，3-推力室，4-推力室等離子體點火器，5-氧泵，6-渦輪，7-發生器等離子體點火器；
[0042]
8-電源，9-高壓氣源，10-陽極，11-陰極。
具體實施方式
[0043]
以下結合附圖和具體實施例對本發明的內容作進一步的詳細描述：
[0044]
本發明一種液氧甲烷發動機，如圖1所示，液體發動機包括燃料泵1、氧泵5、渦輪6、燃氣發生器2以及推力室3，所述推力室3上設置有推力室等離子體點火器4，所述燃氣發生器2上設置有發生器等離子體點火器7，推力室等離子體點火器4和發生器等離子體點火器7結構相同，均設置有氣體入口，用於連接高壓氣源9，所述高壓氣源用於提供氣體工質，高壓氣源9可以單獨設置，也可以直接使用液體發動機的控制吹除氣源，氣體入口處設置有限流孔板；燃氣發生器2和推力室3均連接燃料泵1和氧泵5，用於泵入燃料和液氧，且對應管路上設置有燃料閥和氧閥；所述渦輪6和燃料泵1、氧泵5同軸連接。
[0045]
所述推力室等離子體點火器4和發生器等離子體點火器7上連接有電源8，為推力室等離子體點火器4和發生器等離子體點火器7的啟動和維持提供電能，並且檢測電弧的工作狀態，由電源8主迴路、觸發電路和測控電路組成。
[0046]
一種液氧甲烷發動機的多次點火方法包括以下步驟：
[0047]
s1.打開氧泵5和燃料泵1，將液氧和液甲烷分別加注到燃氣發生器2和推力室3的氧閥和燃料閥前，同時，對供應液氧和液甲烷的管路、燃料泵1、氧泵5、氧閥和燃料閥均進行預冷；
[0048]
s2.打開推力室等離子體點火器4，形成穩定火焰
[0049]
s2.1.控制氮氣(n2)進入推力室等離子體點火器4，在推力室等離子體點火器4的兩個電極間形成穩定的氮氣冷氣流場；
[0050]
s2.2.在推力室等離子體點火器4的陽極10和陰極11通電，提升電壓使其大於10000伏，電弧等離子體利用電極間強電流放電，將氮氣冷流電離，產生高溫、高焓、高電離度、高化學活性的等離子體火焰，持續放電使推力室等離子體點火器4出口形成穩定的火焰；
[0051]
s3.控制推力室3產生高溫燃氣
[0052]
打開推力室3的氧閥和燃料閥，液氧和液甲烷進入推力室3的燃燒室並氣化，初始氣化的氧和甲烷由推力室等離子體點火器4的火焰點燃，經由氧閥和燃料閥持續噴入氣化的液氧和液甲烷，使推力室3燃燒室形成穩定的燃燒區，並產生高溫燃氣經推力室3噴管噴出產生推力；
[0053]
s4.打開發生器等離子體點火器7，形成穩定火焰
[0054]
s4.1.控制氮氣進入發生器等離子體點火器7，在發生器等離子體點火器7的兩個電極間形成穩定的氮氣冷氣流場；
[0055]
s4.2在發生器等離子體點火器7的陽極10和陰極通電，提升電壓使其大於10000伏，電弧等離子體利用電極間強電流放電，將氮氣冷流電離，產生高溫、高焓、高電離度、高化學活性的等離子體火焰，持續放電使發生器等離子體點火器7出口形成穩定的火焰；
[0056]
s5.控制燃氣發生器2產生高溫燃氣驅動渦輪6運動，對推力室3燃燒室和燃氣發生器2燃燒室進行增壓
[0057]
打開燃氣發生器2氧閥和燃料閥，液氧和液甲烷進入燃氣發生器2燃燒室並氣化，初始氣化的氧和甲烷在發生器等離子體點火器7的火焰下點燃並迅速燃燒，引燃進入燃氣發生器2燃燒室氣化的大流量液氧和液甲烷，形成穩定的燃燒區，燃燒產生高溫燃氣驅動渦輪6運動，渦輪6帶動同軸連接的氧泵5和燃料泵1高速旋轉，對進入推力室3燃燒室和燃氣發生器2燃燒室的燃料和液氧進行增壓，推力室3產生高溫高壓燃氣經推力室3噴管噴出，完成一次點火；
[0058]
s6.重複s1-s5，進行多次點火，直至完成點火。
[0059]
s2所述推力室等離子體點火器4和s4所述發生器等離子體點火器7的工作原理相同，如圖2所示。
[0060]
其中，產生的等離子體火焰的平均溫度必須高於甲烷的燃點，本發明中優選s2中所述推力室等離子體點火器4出口的火焰和s5中所述發生器等離子體點火器7出口的火焰平均溫度均大於甲烷燃點溫度的2倍。
[0061]
發生器等離子體點火器7和推力室等離子體點火器4功率需與氣體工質流量相匹配，而氣體工質流量與氣體入口壓力、氣體入口的當量流通面積和氣體工質溫度等參數相關，較大的氣體工質流量有利於等離子體火焰的擴散，但會降低等離子體火焰溫度，因此，s1.1中所述氣體工質進入推力室等離子體點火器4和s3.1中所述氣體工質進入發生器等離子體點火器7中氣體工質的流量通過下式計算獲得：
[0062][0063]
式中，qm為氣體入口的氣體工質流量，單位kg/s；a為氣體入口的流通面積，單位mm2；μ為流量係數，取值範圍為0.7-0.95，與氣體入口的管路通徑和限流孔板孔徑的比值有
關，當該比值較大時，流量係數的取值也較大，比值較小，則相應調小流量係數；μa為氣體入口的當量流通面積；pi為氣體入口的壓力，單位mpa；ri為氣體工質的氣體常數，單位j/(kg
·
k)；ti為氣體入口的氣體工質溫度，單位k；k為氣體工質絕熱指數。
[0064]
本實施例中，採用氮氣作為氣體工質，提供氮氣的高壓氣源9可以為發動機原本配備的控制吹除氣源，無需額外設置其他氣源；在本發明的其它實施例中，也可以選擇氧氣作為氣體工質。
[0065]
本實施例中，採用燃料為液甲烷，在本發明的其它實施例中，也可以採用其他液體燃料，僅需調整等離子體火焰溫度大於其他液體燃料燃點的2倍。
[0066]
其中，為了防止在推力室3燃燒室或發生器燃燒室中的壓力增加過程中，氣體反流進入推力室等離子體點火器4或發生器等離子體點火器7中，導致推力室等離子體點火器4或發生器等離子體點火器7點火中斷，因此，推力室等離子體點火器4的氣體入口壓力≥推力室3燃燒室的穩態壓力，發生器等離子體點火器7的氣體入口壓力≥燃氣發生器2燃燒室的穩態壓力。