一種基於液氧的rbcc燃氣發生器一體化供應與調節系統的製作方法
2023-12-05 14:05:01 1
一種基於液氧的rbcc燃氣發生器一體化供應與調節系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種基於液氧的RBCC燃氣發生器一體化供應與調節系統，包括增壓單元、供應單元、發動機本體以及連接管路單元；增壓單元用於對供應單元進行增壓；供應單元通過連接管路單元與發動機本體連接並對發動機本體進行推進劑供應。本發明克服了火箭推力室和衝壓燃燒室各自單獨供應燃油導致的系統複雜、龐大的缺點，綜合了液氧、過氧化氫和煤油推進劑的各自優勢，發動機比衝和密度比衝高，滿足組合發動機一體化燃油供應與一體化冷卻結構設計要求，系統使用維護技術成熟，系統構成相對簡單，容易實現。
【專利說明】—種基於液氧的RBCC燃氣發生器一體化供應與調節系統
【技術領域】
[0001]本發明屬於機械發動機領域，涉及一種發動機燃油系統，尤其涉及一種適用於長時間工作並基於液氧的RBCC燃氣發生器一體化供應與調節系統。
【背景技術】
[0002]火箭基組合循環(Rocket Based Combined Cycle, RBCC)發動機是基於可重複使用單級入軌飛行器而提出的一種先進推進系統，綜合了火箭發動機高推重比和衝壓發動機高比衝的工作特性，具備全空域、全速域工作能力，已經在總裝備部的支持下開展研究工作。
[0003]目前，RBCC發動機主要由進氣道、火箭推力室、衝壓燃燒室、尾噴管和燃油供應與調節系統等組成；但是由於RBCC發動機涉及火箭和衝壓兩大核心組件動力系統，如果對上述兩種組件採用單獨供應的方式，一方面系統複雜且龐大，對發動機的工程應用帶來很大限制；另一方面對組合發動機而言，在有限的推進劑流量下，單獨供應，無法實現整體結構冷卻，必須考慮整體設計的冷卻結構，在這種情況下，採用一體化的燃油供應系統是唯一的選擇。
[0004]因此急需一種能夠克服現有組合發動機火箭推力室和衝壓燃燒室單獨設置的燃油供應與調節系統，解決各自供應和調節、系統複雜且不能進行一體化冷卻的不足缺陷的RBCC燃氣系統。
【發明內容】
[0005]為了解決【背景技術】中所存在的技術缺陷，本發明提供一種結構簡單，能夠一體化冷卻、調節和供應的基於液氧的RBCC燃氣發生器一體化供應與調節系統。
[0006]本發明的技術解決方案是:
[0007]本發明提供一種基於液氧的RBCC燃氣發生器一體化供應與調節系統，其特殊之處在於:包括增壓單元、供應單元、發動機本體以及連接管路單元；所述增壓單元用於對供應單元進行增壓；所述供應單元通過連接管路單元與發動機本體連接並對發動機本體進行推進劑供應；
[0008]所述供應單元包括煤油供應組件、過氧化氫供應組件、液氧供應組件；
[0009]所述煤油供應組件包括煤油貯箱以及分別設置在煤油貯箱上的煤油止回閥、煤油放氣閥和煤油電爆閥；
[0010]所述過氧化氫供應組件包括過氧化氫貯箱以及分別設置在過氧化氫貯箱上的過氧化氫止回閥、過氧化氫放氣閥和過氧化氫電爆閥；
[0011]所述液氧供應組件包括液氧貯箱以及分別設置在液氧貯箱上的液氧止回閥、液氧放氣閥和液氧電爆閥；
[0012]所述發動機本體包括沿空氣流入方向依次連接設置的進氣道、衝壓燃燒室、火箭推力室以及尾噴管；[0013]所述連接管路單元包括煤油供應管路、過氧化氫供應管路以及液氧供應管路；
[0014]所述煤油供應管路的一端與煤油電爆閥連接，另一端分別與衝壓燃燒室、火箭推力室連接；
[0015]所述煤油供應管路沿氣體擠壓方向依次設置有燃料泵、第一煤油路斷流閥、第二煤油路斷流閥以及第三煤油路斷流閥；所述第一煤油路斷流閥設置在衝壓燃燒室與煤油供應管路連接處；所述第二煤油路斷流閥設置在火箭推力室與煤油供應管路連接處；所述第二煤油路斷流閥入口處還設置有煤油路流量調節器；所述第三煤油路斷流閥設置在衝壓燃燒室與煤油供應管路連接處；
[0016]所述液氧供應管路的一端與液氧電爆閥連接；另一端與火箭推力室連接；
[0017]所述液氧供應管路沿氣體擠壓方向依次設置有氧化劑泵以及液氧路斷流閥；所述液氧路斷流閥設置在火箭推力室與液氧供應管路連接處；
[0018]所述過氧化氫供應管路的一端與過氧化氫電爆閥連接；另一端分成過氧化氫燃料路和過氧化氫氧化劑路兩條支路；
[0019]所述過氧化氫供應管路的過氧化氫燃料路沿氣體擠壓方向依次連接設置有燃料路流量調節器、燃料路斷流閥、燃料路燃氣發生器以及燃料路渦輪；所述燃料路渦輪與燃料泵連接並帶動燃料泵工作；
[0020]所述過氧化氫供應管路的過氧化氫氧化劑路沿氣體擠壓方向依次連接設置有氧化劑路流量調節器、氧化劑路斷流閥、氧化劑路發生器以及氧化劑路渦輪；所述氧化劑路渦輪與氧化劑泵連接並帶動氧化劑泵工作。
[0021]上述增壓單元包括沿氣體擠壓方向依次連接設置的充氣閥、氣瓶、電爆閥、過濾器、一級減壓閥以及二級減壓閥；所述過氧化氫止回閥與一級減壓閥連接；所述煤油止回閥和液氧止回閥分別與二級減壓閥連接；
[0022]上述還包括點火單元；所述點火單元包括點火組件以及點火管路；
[0023]所述點火組件包括點火劑貯箱以及設置在點火劑貯箱上的點火止回閥；所述點火止回閥與二級減壓閥連接；
[0024]所述點火管路的一端與點火組件的點火劑貯箱連接，另一端與火箭推力室連接；所述點火管路上設置有點火斷流閥且至少設置一個；
[0025]上述煤油供應管路上至少設置兩個斷流閥；所述液氧供應管路上至少設置一個斷流閥；所述過氧化氫供應管路上至少設置兩個斷流閥；
[0026]上述還包括吹除管路；所述吹除管路的一端與增壓單元連接，另一端分別於煤油供應管路、液氧供應管路以及點火管路連接；所述吹除管路與煤油供應管路、液氧供應管路、點火管路的連接處均設置有斷流閥；
[0027]上述吹除管路的一端與二級減壓閥連接；
[0028]上述氣瓶中充入的氣體為高壓氮氣。
[0029]本發明的優點:
[0030]1、本發明提供的基於液氧、過氧化氫和煤油可貯存推進劑的RBCC發動機一體化燃油供應系統，克服了火箭推力室和衝壓燃燒室各自單獨供應燃油導致的系統複雜、龐大的缺點，綜合了液氧、過氧化氫和煤油推進劑的各自優勢，發動機比衝和密度比衝高，滿足組合發動機一體化燃油供應與一體化冷卻結構設計要求，系統使用維護技術成熟，系統構成相對簡單，容易實現。
[0031]2、組合發動機火箭推力室和衝壓燃燒室採用泵壓和擠壓一體化供應系統，利用過氧化氫催化分解燃氣驅動渦輪泵，實現液氧和煤油泵壓式供應，過氧化氫採用單獨貯箱的擠壓式供應，系統設計難度低，且滿足發動機長時間工作要求。
[0032]3、火箭推力室採用化學點火劑點火方式，點火系統簡單、緊湊、可靠。
[0033]4、組合發動機採用一體化再生冷卻結構，火箭推力室和衝壓燃燒室冷卻系統通盤考慮，整體優化，有利於實現發動機的可靠冷卻。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]圖1為本發明的整體結構示意圖；
[0035]其中:1-充氣閥；2-氣瓶；3_電爆閥；4_過濾器；5_—級減壓閥；6_ 二級減壓閥；7_煤油止回閥，8-煤油放氣閥，9-煤油貯箱，10-煤油電爆閥，11-燃料路流量調節器，12-燃料路斷流閥，13-燃料路燃氣發生器，14-燃料泵；15-燃料路渦輪，16-過氧化氫止回閥，17-過氧化氫放氣閥，18-過氧化氫電爆閥，19-氧化劑路流量調節器，20-氧化劑路斷流閥，21-氧化劑路燃氣發生器，22-氧化劑路渦輪，23-氧化劑泵，24-液氧止回閥，25-液氧放氣閥，26-液氧貯箱；27-液氧電爆閥，30-第一煤油路斷流閥，32-煤油路流量調節器，33-第二煤油路斷流閥，35-液氧路斷流閥，37-第三煤油路斷流閥，39-進氣道，40-衝壓燃燒室，41-火箭推力室，42-尾噴管，43-過氧化氫貯箱，44-點火止回閥，45-點火劑貯箱，46-點火斷流閥。
【具體實施方式】
[0036]本發明提供一種基於液氧的RBCC燃氣發生器一體化供應與調節系統，包括增壓單元、供應單元、發動機本體以及連接管路單元；增壓單元用於對供應單元進行增壓；供應單元通過連接管路單元與發動機本體連接並對發動機本體進行推進劑供應；
[0037]供應單元包括煤油供應組件、過氧化氫供應組件、液氧供應組件；
[0038]煤油供應組件包括煤油貯箱9以及分別設置在煤油貯箱9上的煤油止回閥7、煤油放氣閥8和煤油電爆閥10 ；
[0039]過氧化氫供應組件包括過氧化氫貯箱43以及分別設置在過氧化氫貯箱43上的過氧化氫止回閥16、過氧化氫放氣閥17和過氧化氫電爆閥18 ；
[0040]液氧供應組件包括液氧貯箱26以及分別設置在液氧貯箱26上的液氧止回閥24、液氧放氣閥25和液氧電爆閥27 ；
[0041]發動機本體包括沿空氣流入方向依次連接設置的進氣道39、衝壓燃燒室40、火箭推力室41以及尾嗔管42 ；
[0042]連接管路單元包括煤油供應管路、過氧化氫供應管路以及液氧供應管路；
[0043]煤油供應管路的一端與煤油電爆閥10連接，另一端分別與衝壓燃燒室40、火箭推力室41連接；
[0044]煤油供應管路沿高壓氣體擠壓放方向依次設置有燃料泵14、第一煤油路斷流閥30、第二煤油路斷流閥33以及第三煤油路斷流閥37 ;第一煤油路斷流閥30設置在衝壓燃燒室40與煤油供應管路連接處；第二煤油路斷流閥33設置在火箭推力室41與煤油供應管路連接處；第二煤油路斷流閥33入口處還設置有煤油路流量調節器32 ;第三煤油路斷流閥37設置在衝壓燃燒室40與煤油供應管路連接處；
[0045]液氧供應管路的一端與液氧電爆閥27連接,另一端與火箭推力室41連接；
[0046]液氧供應管路沿氣體擠壓方向依次設置有氧化劑泵23以及液氧路斷流閥35 ;液氧路斷流閥35設置在火箭推力室40與液氧供應管路連接處；
[0047]過氧化氫供應管路的一端與過氧化氫電爆閥18連接；另一端分成過氧化氫燃料路和過氧化氫氧化劑路兩條支路；
[0048]過氧化氫供應管路的過氧化氫燃料路沿氣體擠壓方向依次連接設置有燃料路流量調節器11、燃料路斷流閥12、燃料路燃氣發生器13以及燃料路渦輪15 ;燃料路渦輪15與燃料泵14連接並帶動燃料泵14工作；
[0049]過氧化氫供應管路的過氧化氫氧化劑路沿氣體擠壓方向依次連接設置有氧化劑路流量調節器19、氧化劑路斷流閥20、氧化劑路發生器21以及氧化劑路渦輪22 ;氧化劑路渦輪22與氧化劑泵23連接並帶動氧化劑泵23工作。
[0050]增壓單元包括沿氣體擠壓方向依次連接設置的充氣閥1、氣瓶2、電爆閥3、過濾器
4、一級減壓閥5以及二級減壓閥6 ;過氧化氫止回閥16與一級減壓閥5連接；煤油止回閥7和液氧止回閥24分別與二級減壓閥6連接；
[0051]還包括點火單元；所述點火單元包括點火組件以及點火管路；
[0052]點火組件包括點火劑忙箱45以及設置在點火劑忙箱上的點火止回閥44 ;點火止回閥44與二級減壓閥6連接；
[0053]點火管路的一端與點火組件的點火劑貯箱45連接，另一端與火箭推力室41連接；點火管路上設置有點火斷流閥46且至少設置一個；
[0054]煤油供應管路上至少設置兩個斷流閥；所述液氧供應管路上至少設置一個斷流閥；所述過氧化氫供應管路上至少設置兩個斷流閥；
[0055]還包括吹除管路；所述吹除管路的一端與增壓單元連接，另一端分別於煤油供應管路、液氧供應管路以及點火管路連接；吹除管路與煤油供應管路、液氧供應管路、點火管路的連接處均設置有斷流閥；
[0056]吹除管路的一端與二級減壓閥6連接；
[0057]氣瓶2中充入的氣體為高壓氮氣。
[0058]1、結構原理
[0059]參見圖1，本發明作為一種基於液氧的RBCC燃氣發生器一體化供應與調節系統，特別是包括發動機本體，發動機本體最前端進氣道39，空氣通過進氣道39進入衝壓燃燒室40，並與火箭推力室41的燃氣在衝壓燃燒室進行補燃，燃燒產生的高溫燃氣通過尾噴管42加速排出，產生推力。
[0060]該系統還包括有液氧(氧化劑)、過氧化氫、煤油(燃料)三種推進劑，推進劑分別是處於各自的貯箱中，有煤油貯箱9、液氧貯箱26和過氧化氫貯箱43，而每個貯箱均配有各自的止回閥和放氣閥；其中煤油貯箱9配有煤油止回閥7和煤油放氣閥8 ;過氧化氫貯箱43配有過氧化氫止回閥16和過氧化氫放氣閥17 ;液氧貯箱26配有液氧止回閥24和液氧放氣閥25。
[0061]特別是，分別與上述三種推進劑所形成的供應單元連接的連接管路單元，每個供應管路均設有不止一個的斷流閥；其中煤油供應管路中設置有兩個斷流閥，分別為第一煤油路斷流閥30、第二煤油路斷流閥33 ;液氧供應管路中設置有一個斷流閥，即為液氧路斷流閥35 ;過氧化氫供應管路設置有兩個斷流閥(即過氧化氫供應管路分成過氧化氫燃料路和過氧化氫氧化劑路兩條支路，而每條支路上至少設置一個斷流閥)，而這兩個斷流閥分別為燃料路斷流閥12、氧化劑路斷流閥20。
[0062]其中，過氧化氫氧化劑路中配備有氧化劑路流量調節器19，而氧化劑路流量調節器19與氧化劑路斷流閥20串聯安裝；過氧化氫燃料路配備有燃料路流量調節器11，而燃料路流量調節器11與燃料路斷流閥12串聯安裝；煤油供應管路中配備煤油路流量調節器32，而煤油路流量調節器32與第二煤油路斷流閥33串聯安裝。
[0063]特別是，系統採用過氧化氫經過氧化劑路燃氣發生器21和燃料路燃氣發生器13產生並分解燃氣驅動氧化劑路渦輪22和燃料路渦輪15，並分別帶動氧化劑泵22和燃料泵14工作，實現火箭推力室41和衝壓燃燒室40的一體化泵壓式燃油供應；過氧化氫通過擠壓式供應氧化劑路燃氣發生器和燃料路燃氣發生器，催化分解產生燃氣驅動渦輪。
[0064]特別是，液氧和煤油通過二級減壓閥6後的低壓氣體擠壓後，通過泵壓式供應到發動機；其中液氧供應火箭推力室41，煤油供應到火箭推力室41和衝壓燃燒室40 ;貯箱增壓和吹除均採用氮氣，氮氣由氣瓶2提供；火箭推力室通過液氧進行冷卻，衝壓燃燒室利用煤油進行冷卻。
[0065]2、工作原理
[0066]首先通過充氣閥I給氣瓶2衝入高壓氮氣，當達到預定的工作高度前，控制系統依時序給氣瓶2解鎖並給電爆閥3通電，當電爆閥3打開時，高壓氣體經過過濾器4過濾，其中一路通過一級減壓閥5減壓後，對過氧化氫增壓；另一路通過一級減壓閥5和二級減壓閥6兩次減壓後，分別對液氧貯箱26和煤油貯箱9增壓，當貯箱壓力達到額定壓力並穩定時，即為推進系統處於待工作狀態。
[0067]當需要系統火箭推力室工作時，液氧貯箱26啟動液氧電爆閥27、過氧化氫貯箱25啟動過氧化氫電爆閥18、煤油貯箱9啟動煤油電爆閥10依次通電打開，對連接管路單元的管路進行充填，當液氧充填到氧化劑泵23、煤油充填到燃料泵14後；過氧化氫通過高壓氣體擠壓至氧化劑路燃氣發生器21和燃料路燃氣發生器13，催化分解後產生熱燃氣分別驅動氧化劑路渦輪22和氧化劑泵23、燃料路渦輪15和燃料泵14工作，並向火箭推力室41和衝壓燃燒室40供應推進劑。
[0068]火箭推力室41通過液氧對其身部冷卻，後經過通道進入火箭推力室41頭部組織燃燒；衝壓燃燒室40通過全部的煤油冷卻，後經過通道一部分進入火箭推力室41與液氧燃燒，另一部分作為衝壓燃燒室40的燃料與空氣燃燒，產生推力。
[0069]在液氧和煤油達到火箭推力室41頭部前，點火斷流閥46打開，向火箭推力室41頭部供應點火劑，實現液氧/煤油可靠點火。
[0070]當需要發動機進行推力調節時，控制系統分別對氧化劑路流量調節器19和燃料路流量調節器11發出控制指令，改變調節器開度，氧化劑路燃氣發生器21和燃料路燃氣發生器13入口壓力從而發生變化，燃氣發生器的推進劑流量適應調節指令達到預定的平衡點，完成系統調節。
[0071]發動機工作完畢後，啟動吹除系統對發動機斷流閥之後的連接管路單元管路進行吹除；吹除氣體為高壓氮氣，由氣瓶2提供；吹除管路均設置有斷流閥且與煤油供應管路連接處設置有4個斷流閥(分別為29、31、34和38)、與液氧供應管路連接處設置有I個斷流閥(36)、與點火管路連接處設置有I個斷流閥(47);當吹除指令發出後，所有斷流閥打開，向吹除管路內供應高壓氮氣，實現吹除。
[0072]本發明基於液氧、過氧化氫和煤油三種可貯存推進劑，採用火箭推力室41和衝壓燃燒室40推進劑一體化供應與調節系統；利用過氧化氫催化分解分別驅動兩個渦輪泵，實現火箭推力室41和衝壓燃燒室40的推進劑供應；為降低系統設計難度，過氧化氫採用單獨貯箱的擠壓式供應；熱防護採用一體化冷卻系統設計，火箭推力室41身部通過液氧進行冷卻，衝壓燃燒室40利用煤油進行冷卻。
【權利要求】
1.一種基於液氧的RBCC燃氣發生器一體化供應與調節系統，其特徵在於:包括增壓單元、供應單元、發動機本體以及連接管路單元；所述增壓單元用於對供應單元進行增壓；所述供應單元通過連接管路單元與發動機本體連接並對發動機本體進行推進劑供應； 所述供應單元包括煤油供應組件、過氧化氫供應組件、液氧供應組件； 所述煤油供應組件包括煤油貯箱以及分別設置在煤油貯箱上的煤油止回閥、煤油放氣閥和煤油電爆閥； 所述過氧化氫供應組件包括過氧化氫貯箱以及分別設置在過氧化氫貯箱上的過氧化氫止回閥、過氧化氫放氣閥和過氧化氫電爆閥； 所述液氧供應組件包括液氧貯箱以及分別設置在液氧貯箱上的液氧止回閥、液氧放氣閥和液氧電爆閥； 所述發動機本體包括沿空氣流入方向依次連接設置的進氣道、衝壓燃燒室、火箭推力室以及尾嗔管； 所述連接管路單元包括煤油供應管路、過氧化氫供應管路以及液氧供應管路； 所述煤油供應管路的一端與煤油電爆閥連接，另一端分別與衝壓燃燒室、火箭推力室連接； 所述煤油供應管路沿高壓氣體擠壓放方向依次設置有燃料泵、第一煤油路斷流閥、第二煤油路斷流閥以及第三煤油路斷流閥；所述第一煤油路斷流閥設置在衝壓燃燒室與煤油供應管路連接處；所述第二煤油路斷流閥設置在火箭推力室與煤油供應管路連接處；所述第二煤油路斷流閥入口處還設置有煤油路流量調節器；所述第三煤油路斷流閥設置在衝壓燃燒室與煤油供應管路 連接處； 所述液氧供應管路的一端與液氧電爆閥連接；另一端與火箭推力室連接； 所述液氧供應管路沿高壓氣體擠壓方向依次設置有氧化劑泵以及液氧路斷流閥；所述液氧路斷流閥設置在火箭推力室與液氧供應管路連接處； 所述過氧化氫供應管路的一端與過氧化氫電爆閥連接；另一端分成過氧化氫燃料路和過氧化氫氧化劑路兩條支路； 所述過氧化氫供應管路的過氧化氫燃料路沿高壓氣體擠壓方向依次連接設置有燃料路流量調節器、燃料路斷流閥、燃料路燃氣發生器以及燃料路渦輪；所述燃料路渦輪與燃料泵連接並帶動燃料泵工作； 所述過氧化氫供應管路的過氧化氫氧化劑路沿高壓氣體擠壓方向依次連接設置有氧化劑路流量調節器、氧化劑路斷流閥、氧化劑路發生器以及氧化劑路渦輪；所述氧化劑路渦輪與氧化劑泵連接並帶動氧化劑泵工作。
2.根據權利要求1所述的基於液氧的RBCC燃氣發生器一體化供應與調節系統，其特徵在於:所述增壓單元包括沿高壓氣體擠壓方向依次連接設置的充氣閥、氣瓶、電爆閥、過濾器、一級減壓閥以及二級減壓閥；所述過氧化氫止回閥與一級減壓閥連接；所述煤油止回閥和液氧止回閥分別與二級減壓閥連接。
3.根據權利要求1或2所述的基於液氧的RBCC燃氣發生器一體化供應與調節系統，其特徵在於:還包括點火單元；所述點火單元包括點火組件以及點火管路； 所述點火組件包括點火劑貯箱以及設置在點火劑貯箱上的點火止回閥；所述點火止回閥與二級減壓閥連接；所述點火管路的一端與點火組件的點火劑貯箱連接，另一端與火箭推力室連接；所述點火管路上設置有點火斷流閥且至少設置一個。
4.根據權利要求3所述的基於液氧的RBCC燃氣發生器一體化供應與調節系統，其特徵在於:所述煤油供應管路上至少設置兩個斷流閥；所述液氧供應管路上至少設置一個斷流閥；所述過氧化氫供應管路上至少設置兩個斷流閥。
5.根據權利要求3所述的基於液氧的RBCC燃氣發生器一體化供應與調節系統，其特徵在於:還包括吹除管路；所述吹除管路的一端與增壓單元連接，另一端分別於煤油供應管路、液氧供應管路以及點火管路連接；所述吹除管路與煤油供應管路、液氧供應管路、點火管路的連接處均設置有斷流閥。
6.根據權利要求5所述的基於液氧的RBCC燃氣發生器一體化供應與調節系統，其特徵在於:所述吹除管路的一端與二級減壓閥連接。
7.根據權利要求1所述的基於液氧的RBCC燃氣發生器一體化供應與調節系統，其特徵在於:所述氣瓶中充入的氣·體為高壓氮氣。
【文檔編號】F02K9/48GK103711610SQ201310698292
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月18日 優先權日:2013年12月18日
【發明者】張蒙正, 張玫, 呂奇偉, 嚴俊峰, 馬鍵, 趙虹 申請人:中國航天科技集團公司第六研究院第十一研究所