專利名稱：雙工況擠壓式輸送系統(tǒng)及其設計方法
雙工況擠壓式輸送系統(tǒng)及其設計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種雙工況階躍式大范圍流量調節(jié)的擠壓式輸送系統(tǒng)的設計方案，屬 于固液火箭發(fā)動機的液體推進劑流量控制領域。
背景技術：
在固液火箭發(fā)動機工作過程中，進行推力調節(jié)的關鍵技術之一在于對推進劑流量 進行調節(jié)。在固液火箭發(fā)動機輸送系統(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；也有利用推進劑自身高飽和蒸 汽壓特點，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，氧化亞氮推進劑采用自增壓擠壓方式，沒有增壓氣瓶。目前，大部 分固液火箭發(fā)動機或液體火箭發(fā)動機輸送系統(tǒng)由于增壓氣路和液體管路簡單，不能對推進 劑的流量進行大范圍的調節(jié)，原因有兩方面1.只單獨采用改變儲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，流量改變范圍狹小；2.推進劑大范圍流量 改變后引起管路損失過大和推進劑在管路中積存的問題，導致無法實際運用。但是，地面發(fā) 射的火箭、導彈等航天飛行器很多需要有兩種工作狀態(tài)以維持設計的飛行軌道，如常見的 起飛階段工況和巡航階段工況。因此，對推進劑流量的雙工況、階躍式、大范圍的調節(jié)有著 切實的需求。

發(fā)明內容本發(fā)明的目的是提供一種應用于固液火箭發(fā)動機的雙工況、階躍式大范圍流量調 節(jié)擠壓式輸送系統(tǒng)的設計方法。本發(fā)明要解決的問題是通過簡單的控制手段和可靠的管路 系統(tǒng)完成推進劑流量供給的兩種工況、大范圍改變，從而降低成本，簡化結構。固液火箭發(fā)動機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)、 儲箱、液路雙工況主閥、流量控制元件。通過對增壓氣路增壓氣體流量的調節(jié)，改變輸送系 統(tǒng)工作過程中儲箱的壓力，再由液路雙工況主閥感受儲箱壓力改變液體推進劑流量的供 應，避免了單獨調節(jié)增壓氣路或液路帶來的流量調節(jié)范圍狹小的缺點，實現液體流量供應 在工作過程中的大范圍改變。輸送系統(tǒng)的設計過程如下1.確定燃燒室兩種工況下的工作 壓力；2.計算儲箱至燃燒室間的管路損失，決定兩種工況下儲箱壓力；3.計算維持兩種工 況儲箱壓力和相應工作時間條件下所需的增壓氣體容積和壓力；4.設計液路雙工況主閥， 使其在儲箱處于第一種工況時同時開啟兩條出口管路，在對應儲箱的另一工況時只開啟一 條出口管路；5.設計輸送系統(tǒng)工況轉換控制時序。本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果在于(1)通過簡單的控制方式和輸送系統(tǒng)實現了發(fā)動 機工作過程中兩種工況、大范圍流量調節(jié)的液體推進劑供應方案(2)液路雙工況主閥的設 計，極大的簡化了流量大范圍變化時，輸送系統(tǒng)液體管路的設計難度(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和消除了推進劑積存帶來了安全隱患，因為本設計方 案依賴于固液火箭發(fā)動機靠近噴注器的前燃室燃溫低的特點和利用了工況主路推進劑流 動從而降溫技術。

圖1是雙工況輸送系統(tǒng)原理2是雙工況主閥原理圖
具體實施方式下面結合附圖用實施例來進一步說明本發(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)的設計過程如下1.確定燃燒室兩種工況下的工作壓力Pca和Pc2 ；2.通過計算儲箱至燃燒室間的管路損失，決定兩種工況下儲箱壓力Ptl和Pt2 ；3.計算維持兩種工況儲箱壓力和相應工作時間條件下所需的增壓氣體容積Ppg和 壓力Vpg ；4.設計液路雙工況主閥，使其在儲箱處于第一種工況時同時開啟兩條出口管路， 在對應儲箱的另一工況時只開啟一條出口管路；5.設計輸送系統(tǒng)工況轉換控制時序第一階段工況維持時間t1;工況轉換時間t2。下面結合一個具體的運用實例，詳細說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，初始壓力30MPa，溫度283. 15K，增壓氣體為氮氣(N2)；B、減壓器穩(wěn)定工作時，出口設計壓力為7MPa ；C、兩條增壓氣路有自鎖電磁閥(4左、4右)控制開關，初始處于關閉狀態(tài)，其中增 壓氣體流量分別由節(jié)流孔(5左、5右)控制；D、儲箱容積 85L，充灌 113. 5kg90% H2O2 (密度 1390kg/m3)，儲箱初始壓力 6. 3MPa ；E、液路雙工況主閥(9)處于關閉狀態(tài)，自鎖電磁閥(7)通過引入儲箱控制氣控制 主閥(9)的開啟及工況轉換，初始自鎖電磁閥(7)處于關閉狀態(tài)；F、液路兩個出口流量分別由液路文氏管(8左、8右)控制；2、工作過程A、第一工況階段，流量4. 5kg/s首先同時開啟自鎖電磁閥(4左)和自鎖電磁閥(7)，此時減壓器出口為7MPa，儲 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的流量進行儲 箱增壓；此時，由于自鎖電磁閥(7)開啟，液路雙工況主閥(9)感受到儲箱6.3MPa，同時開 啟兩條出口管路，兩條管路在儲箱壓力和液路文氏管(8左、8右)控制控制下，以4. 5kg/s 的總流量供應推進劑；此時，儲箱內流入高壓氮氣和流出推進劑的質量經計算應維持儲箱壓力平衡于6. 3MPa附近，從而保持推進劑以4. 5kg/s的流量穩(wěn)定供應；B、tl = 3s開始轉換工況首先自鎖電磁閥(4左)，停止進行儲箱增壓；由于此時推進劑流出，儲箱壓力迅速 下降；經過一定的時間，當儲箱壓力下降至小于3MPa時，雙工況主閥由儲箱氣體壓力控制 關閉裝有液路文氏管(8右)的管路；在儲箱壓力下降至接近2. 5MPa時(t2 = 7s)，開啟自鎖電磁閥(4右)，此時減壓 器出口為7MPa，儲箱壓力約為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的流量進行儲箱增壓；同時，裝有液路文氏管(8左)的管路在儲箱壓力和文氏管控制下，以2kg/s的流 量供應推進劑；C、第二工況階段，流量2kg/s此后，儲箱內流入高壓氮氣和流出推進劑的質量經計算應維持儲箱壓力平衡于 2. 5MPa附近，從而保持推進劑以2kg/s的流量穩(wěn)定供應，直至推進劑全部輸送完成。3、結束過程當儲箱壓力小于2MPa時，雙工況主閥關閉。從輸送系統(tǒng)原理中可以看出，液路雙工況主閥有開啟輸送系統(tǒng)和工況轉換的雙重 功用，是該雙工況輸送系統(tǒng)中非常關鍵的一個零件，其結構原理圖如圖2所示。液路雙工況主閥由閥體(1)、襯套(2)、閥芯(3)、閥蓋(4)、調整墊片(5)、彈簧(6) 等組成，其中有一個液體入口和兩個出口，上方右側處為入口，下方中間處為主路出口，垂 直紙面向里左側為旁路出口(為方便表示，圖中用虛線畫出)。初始階段，閥腔內為大氣壓 力，在彈簧力的作用下，閥芯運動至最左端，兩個出口均處于關閉狀態(tài)。在第1工況階段，閥 腔感受儲箱6. 3MPa壓強，與彈簧力的合力方向向右，閥芯向右運動到極限位置停止，閥門 兩個出口同時打開。在第2工況階段，閥腔感受儲箱2. 5MPa壓強，氣體對閥芯的作用力減 小，與彈簧力共同作用下，閥芯向左移動到設計位置停止，此時主路出口開啟，旁路出口關 閉完成工況轉換。
權利要求
雙工況擠壓式輸送系統(tǒng)為階躍式大范圍流量調節(jié)的輸送系統(tǒng)，包括高壓氣瓶、增壓氣路及其控制系統(tǒng)、儲箱、液路雙工況主閥、流量控制元件。其特征在于通過對增壓氣路增壓氣體流量的調節(jié)，改變輸送系統(tǒng)工作過程中儲箱的壓力，再由液路雙工況主閥感受儲箱壓力改變液體推進劑流量的供應，避免了單獨調節(jié)增壓氣路或液路帶來的流量調節(jié)范圍狹小的缺點，實現液體流量供應在工作過程中大范圍的改變。
2.如權力要求1所述的流量調節(jié)控制方法，其特征在于只需單獨調節(jié)增壓氣路增壓 氣體流量，即可同時改變液路供給系統(tǒng)狀態(tài)，從而大范圍改變流量。
3.如權力要求1所述的液路雙工況主閥設計方法，其特征在于感受上游儲箱壓力調節(jié) 閥門出口開關狀態(tài)，配合下游文氏管調節(jié)流量大小。
4.如權力要求1所述的輸送系統(tǒng)的擴展應用，其特征在于通過同時調節(jié)增壓氣體流量 和液體管路供應狀態(tài)，實現多種工況、高流量調節(jié)比例的輸送系統(tǒng)應用。
全文摘要
固液火箭發(fā)動機雙工況、階躍式大范圍流量調節(jié)、擠壓式輸送系統(tǒng)方案屬于固液火箭發(fā)動機的液體推進劑流量控制領域，包括高壓氣瓶、增壓氣路及其控制系統(tǒng)、儲箱、液路雙工況主閥、流量控制元件。通過對增壓氣路增壓氣體流量的調節(jié)，改變輸送系統(tǒng)工作過程中儲箱的壓力，再由液路雙工況主閥感受儲箱壓力改變工作狀態(tài)，從而調節(jié)液體推進劑流量的供應，避免了單獨調節(jié)增壓氣路或液路帶來的流量調節(jié)范圍狹小的缺點，實現液體流量供應在工作過程中的大范圍、階躍式改變。其中液路雙工況主閥的設計實現了主閥和工況轉換的功能，極大的簡化了流量大范圍變化的輸送系統(tǒng)液體管路部分的結構和設計難度。
文檔編號F02K9/72GK101915184SQ201010223738
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月1日 優(yōu)先權日2010年7月1日
發(fā)明者俞南嘉, 曾鵬, 李君海, 蔡國飆, 陳濤 申請人:北京航空航天大學