專利名稱:雙工況擠壓式輸送系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法
雙工況擠壓式輸送系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種雙工況階躍式大范圍流量調(diào)節(jié)的擠壓式輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,屬 于固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的液體推進(jìn)劑流量控制領(lǐng)域。
背景技術(shù):
在固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中,進(jìn)行推力調(diào)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)之一在于對(duì)推進(jìn)劑流量 進(jìn)行調(diào)節(jié)。在固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)輸送系統(tǒng)中,一般采用擠壓式輸送系統(tǒng)。其中有使用高壓氣瓶 給推進(jìn)劑貯箱增壓,穩(wěn)定貯箱壓力,以保證穩(wěn)定流量的方案;也有利用推進(jìn)劑自身高飽和蒸 汽壓特點(diǎn),采用自增壓輸送系統(tǒng)的方案,如D. Van Pelt, J. Hopkins, etc.在《Overview of a 4-inch od paraffin-based hybrid sounding rocket program))) (AIAA2004-3822)中 介紹的固液探空火箭中,氧化亞氮推進(jìn)劑采用自增壓擠壓方式,沒(méi)有增壓氣瓶。目前,大部 分固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)或液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)輸送系統(tǒng)由于增壓氣路和液體管路簡(jiǎn)單,不能對(duì)推進(jìn) 劑的流量進(jìn)行大范圍的調(diào)節(jié),原因有兩方面1.只單獨(dú)采用改變儲(chǔ)箱壓力的方法或采用改 變液體流量控制元件(如氣蝕文氏管)的方法,流量改變范圍狹??;2.推進(jìn)劑大范圍流量 改變后引起管路損失過(guò)大和推進(jìn)劑在管路中積存的問(wèn)題,導(dǎo)致無(wú)法實(shí)際運(yùn)用。但是,地面發(fā) 射的火箭、導(dǎo)彈等航天飛行器很多需要有兩種工作狀態(tài)以維持設(shè)計(jì)的飛行軌道,如常見(jiàn)的 起飛階段工況和巡航階段工況。因此,對(duì)推進(jìn)劑流量的雙工況、階躍式、大范圍的調(diào)節(jié)有著 切實(shí)的需求。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用于固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的雙工況、階躍式大范圍流量調(diào) 節(jié)擠壓式輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明要解決的問(wèn)題是通過(guò)簡(jiǎn)單的控制手段和可靠的管路 系統(tǒng)完成推進(jìn)劑流量供給的兩種工況、大范圍改變,從而降低成本,簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)雙工況擠壓式輸送系統(tǒng),包括高壓氣瓶、增壓氣路及其控制系統(tǒng)、 儲(chǔ)箱、液路雙工況主閥、流量控制元件。通過(guò)對(duì)增壓氣路增壓氣體流量的調(diào)節(jié),改變輸送系 統(tǒng)工作過(guò)程中儲(chǔ)箱的壓力,再由液路雙工況主閥感受儲(chǔ)箱壓力改變液體推進(jìn)劑流量的供 應(yīng),避免了單獨(dú)調(diào)節(jié)增壓氣路或液路帶來(lái)的流量調(diào)節(jié)范圍狹小的缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)液體流量供應(yīng) 在工作過(guò)程中的大范圍改變。輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程如下1.確定燃燒室兩種工況下的工作 壓力;2.計(jì)算儲(chǔ)箱至燃燒室間的管路損失,決定兩種工況下儲(chǔ)箱壓力;3.計(jì)算維持兩種工 況儲(chǔ)箱壓力和相應(yīng)工作時(shí)間條件下所需的增壓氣體容積和壓力;4.設(shè)計(jì)液路雙工況主閥, 使其在儲(chǔ)箱處于第一種工況時(shí)同時(shí)開(kāi)啟兩條出口管路,在對(duì)應(yīng)儲(chǔ)箱的另一工況時(shí)只開(kāi)啟一 條出口管路;5.設(shè)計(jì)輸送系統(tǒng)工況轉(zhuǎn)換控制時(shí)序。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果在于(1)通過(guò)簡(jiǎn)單的控制方式和輸送系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng) 機(jī)工作過(guò)程中兩種工況、大范圍流量調(diào)節(jié)的液體推進(jìn)劑供應(yīng)方案(2)液路雙工況主閥的設(shè) 計(jì),極大的簡(jiǎn)化了流量大范圍變化時(shí),輸送系統(tǒng)液體管路的設(shè)計(jì)難度(3)解決了輸送系統(tǒng)流量大范圍改變后管路損失大的缺點(diǎn)和消除了推進(jìn)劑積存帶來(lái)了安全隱患,因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)方 案依賴于固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)靠近噴注器的前燃室燃溫低的特點(diǎn)和利用了工況主路推進(jìn)劑流 動(dòng)從而降溫技術(shù)。
圖1是雙工況輸送系統(tǒng)原理2是雙工況主閥原理圖
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖用實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。如圖1所示,本輸送系統(tǒng)方案由增壓氣瓶組(1)、手閥(2、10)、減壓器(3)、電磁閥 (4、7)、節(jié)流孔(5)、儲(chǔ)箱(6)、液路雙工況主閥(9)、液路文氏管(8)組成。輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程如下1.確定燃燒室兩種工況下的工作壓力Pca和Pc2 ;2.通過(guò)計(jì)算儲(chǔ)箱至燃燒室間的管路損失,決定兩種工況下儲(chǔ)箱壓力Ptl和Pt2 ;3.計(jì)算維持兩種工況儲(chǔ)箱壓力和相應(yīng)工作時(shí)間條件下所需的增壓氣體容積Ppg和 壓力Vpg ;4.設(shè)計(jì)液路雙工況主閥,使其在儲(chǔ)箱處于第一種工況時(shí)同時(shí)開(kāi)啟兩條出口管路, 在對(duì)應(yīng)儲(chǔ)箱的另一工況時(shí)只開(kāi)啟一條出口管路;5.設(shè)計(jì)輸送系統(tǒng)工況轉(zhuǎn)換控制時(shí)序第一階段工況維持時(shí)間t1;工況轉(zhuǎn)換時(shí)間t2。下面結(jié)合一個(gè)具體的運(yùn)用實(shí)例,詳細(xì)說(shuō)明該擠壓式輸送系統(tǒng)的工作原理1、初始狀態(tài)A、高壓氣瓶組容積12L,初始?jí)毫?0MPa,溫度283. 15K,增壓氣體為氮?dú)?N2);B、減壓器穩(wěn)定工作時(shí),出口設(shè)計(jì)壓力為7MPa ;C、兩條增壓氣路有自鎖電磁閥(4左、4右)控制開(kāi)關(guān),初始處于關(guān)閉狀態(tài),其中增 壓氣體流量分別由節(jié)流孔(5左、5右)控制;D、儲(chǔ)箱容積 85L,充灌 113. 5kg90% H2O2 (密度 1390kg/m3),儲(chǔ)箱初始?jí)毫?6. 3MPa ;E、液路雙工況主閥(9)處于關(guān)閉狀態(tài),自鎖電磁閥(7)通過(guò)引入儲(chǔ)箱控制氣控制 主閥(9)的開(kāi)啟及工況轉(zhuǎn)換,初始自鎖電磁閥(7)處于關(guān)閉狀態(tài);F、液路兩個(gè)出口流量分別由液路文氏管(8左、8右)控制;2、工作過(guò)程A、第一工況階段,流量4. 5kg/s首先同時(shí)開(kāi)啟自鎖電磁閥(4左)和自鎖電磁閥(7),此時(shí)減壓器出口為7MPa,儲(chǔ) 箱壓力6. 3MPa,節(jié)流孔(5左)工作于亞臨界狀態(tài)下,控制增壓氣體以297g/s的流量進(jìn)行儲(chǔ) 箱增壓;此時(shí),由于自鎖電磁閥(7)開(kāi)啟,液路雙工況主閥(9)感受到儲(chǔ)箱6.3MPa,同時(shí)開(kāi) 啟兩條出口管路,兩條管路在儲(chǔ)箱壓力和液路文氏管(8左、8右)控制控制下,以4. 5kg/s 的總流量供應(yīng)推進(jìn)劑;此時(shí),儲(chǔ)箱內(nèi)流入高壓氮?dú)夂土鞒鐾七M(jìn)劑的質(zhì)量經(jīng)計(jì)算應(yīng)維持儲(chǔ)箱壓力平衡于6. 3MPa附近,從而保持推進(jìn)劑以4. 5kg/s的流量穩(wěn)定供應(yīng);B、tl = 3s開(kāi)始轉(zhuǎn)換工況首先自鎖電磁閥(4左),停止進(jìn)行儲(chǔ)箱增壓;由于此時(shí)推進(jìn)劑流出,儲(chǔ)箱壓力迅速 下降;經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間,當(dāng)儲(chǔ)箱壓力下降至小于3MPa時(shí),雙工況主閥由儲(chǔ)箱氣體壓力控制 關(guān)閉裝有液路文氏管(8右)的管路;在儲(chǔ)箱壓力下降至接近2. 5MPa時(shí)(t2 = 7s),開(kāi)啟自鎖電磁閥(4右),此時(shí)減壓 器出口為7MPa,儲(chǔ)箱壓力約為2. 5MPa,節(jié)流孔(5右)工作于超臨界狀態(tài)下,控制增壓氣體 以40g/s的流量進(jìn)行儲(chǔ)箱增壓;同時(shí),裝有液路文氏管(8左)的管路在儲(chǔ)箱壓力和文氏管控制下,以2kg/s的流 量供應(yīng)推進(jìn)劑;C、第二工況階段,流量2kg/s此后,儲(chǔ)箱內(nèi)流入高壓氮?dú)夂土鞒鐾七M(jìn)劑的質(zhì)量經(jīng)計(jì)算應(yīng)維持儲(chǔ)箱壓力平衡于 2. 5MPa附近,從而保持推進(jìn)劑以2kg/s的流量穩(wěn)定供應(yīng),直至推進(jìn)劑全部輸送完成。3、結(jié)束過(guò)程當(dāng)儲(chǔ)箱壓力小于2MPa時(shí),雙工況主閥關(guān)閉。從輸送系統(tǒng)原理中可以看出,液路雙工況主閥有開(kāi)啟輸送系統(tǒng)和工況轉(zhuǎn)換的雙重 功用,是該雙工況輸送系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的一個(gè)零件,其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。液路雙工況主閥由閥體(1)、襯套(2)、閥芯(3)、閥蓋(4)、調(diào)整墊片(5)、彈簧(6) 等組成,其中有一個(gè)液體入口和兩個(gè)出口,上方右側(cè)處為入口,下方中間處為主路出口,垂 直紙面向里左側(cè)為旁路出口(為方便表示,圖中用虛線畫(huà)出)。初始階段,閥腔內(nèi)為大氣壓 力,在彈簧力的作用下,閥芯運(yùn)動(dòng)至最左端,兩個(gè)出口均處于關(guān)閉狀態(tài)。在第1工況階段,閥 腔感受儲(chǔ)箱6. 3MPa壓強(qiáng),與彈簧力的合力方向向右,閥芯向右運(yùn)動(dòng)到極限位置停止,閥門(mén) 兩個(gè)出口同時(shí)打開(kāi)。在第2工況階段,閥腔感受儲(chǔ)箱2. 5MPa壓強(qiáng),氣體對(duì)閥芯的作用力減 小,與彈簧力共同作用下,閥芯向左移動(dòng)到設(shè)計(jì)位置停止,此時(shí)主路出口開(kāi)啟,旁路出口關(guān) 閉完成工況轉(zhuǎn)換。
權(quán)利要求
雙工況擠壓式輸送系統(tǒng)為階躍式大范圍流量調(diào)節(jié)的輸送系統(tǒng),包括高壓氣瓶、增壓氣路及其控制系統(tǒng)、儲(chǔ)箱、液路雙工況主閥、流量控制元件。其特征在于通過(guò)對(duì)增壓氣路增壓氣體流量的調(diào)節(jié),改變輸送系統(tǒng)工作過(guò)程中儲(chǔ)箱的壓力,再由液路雙工況主閥感受儲(chǔ)箱壓力改變液體推進(jìn)劑流量的供應(yīng),避免了單獨(dú)調(diào)節(jié)增壓氣路或液路帶來(lái)的流量調(diào)節(jié)范圍狹小的缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)液體流量供應(yīng)在工作過(guò)程中大范圍的改變。
2.如權(quán)力要求1所述的流量調(diào)節(jié)控制方法,其特征在于只需單獨(dú)調(diào)節(jié)增壓氣路增壓 氣體流量,即可同時(shí)改變液路供給系統(tǒng)狀態(tài),從而大范圍改變流量。
3.如權(quán)力要求1所述的液路雙工況主閥設(shè)計(jì)方法,其特征在于感受上游儲(chǔ)箱壓力調(diào)節(jié) 閥門(mén)出口開(kāi)關(guān)狀態(tài),配合下游文氏管調(diào)節(jié)流量大小。
4.如權(quán)力要求1所述的輸送系統(tǒng)的擴(kuò)展應(yīng)用,其特征在于通過(guò)同時(shí)調(diào)節(jié)增壓氣體流量 和液體管路供應(yīng)狀態(tài),實(shí)現(xiàn)多種工況、高流量調(diào)節(jié)比例的輸送系統(tǒng)應(yīng)用。
全文摘要
固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)雙工況、階躍式大范圍流量調(diào)節(jié)、擠壓式輸送系統(tǒng)方案屬于固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的液體推進(jìn)劑流量控制領(lǐng)域,包括高壓氣瓶、增壓氣路及其控制系統(tǒng)、儲(chǔ)箱、液路雙工況主閥、流量控制元件。通過(guò)對(duì)增壓氣路增壓氣體流量的調(diào)節(jié),改變輸送系統(tǒng)工作過(guò)程中儲(chǔ)箱的壓力,再由液路雙工況主閥感受儲(chǔ)箱壓力改變工作狀態(tài),從而調(diào)節(jié)液體推進(jìn)劑流量的供應(yīng),避免了單獨(dú)調(diào)節(jié)增壓氣路或液路帶來(lái)的流量調(diào)節(jié)范圍狹小的缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)液體流量供應(yīng)在工作過(guò)程中的大范圍、階躍式改變。其中液路雙工況主閥的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了主閥和工況轉(zhuǎn)換的功能,極大的簡(jiǎn)化了流量大范圍變化的輸送系統(tǒng)液體管路部分的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)難度。
文檔編號(hào)F02K9/72GK101915184SQ201010223738
公開(kāi)日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2010年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月1日
發(fā)明者俞南嘉, 曾鵬, 李君海, 蔡國(guó)飆, 陳濤 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)