一种可自适应起动的补燃循环发动机系统及其起动方法

技术领域

本发明涉及火箭发动机装置，具体涉及一种可自适应起动的补燃循环发动机系统及其起动方法。

背景技术

补燃循环发动机系统是基于发动机温度、燃料供给、氧化剂供给、系统监测和控制以及外部环境条件等多个因素的综合考虑，如果补燃循环发动机系统的起动时序设计不合理或出现问题，可能会导致以下后果：

（1）起动失败：发动机可能无法成功起动，或者起动过程异常困难，这会导致延误、停机和工作中断。

（2）不稳定的起动：发动机起动后可能无法保持稳定的运行状态，使得发动机会经历波动、抖动或无规律的工作状态，影响整个系统的性能和可靠性。

（3）高温或低温问题：起动时序不合理可能导致发动机温度过高或过低，过高的温度会导致部件热损坏或燃烧不完全，而过低的温度会导致燃烧不稳定或功率不足。

（4）燃料供给问题：不合理的起动时序可能导致燃料供给不足或过多，影响燃烧效率和发动机性能，这会导致能源浪费、污染物排放增加或燃料系统损坏。

（5）氧化剂供给问题：起动时序不合理可能导致氧化剂供给不足或过多，这会导致燃烧不完全、动力输出下降或发动机损坏。

（6）系统故障：起动时序问题可能导致传感器或控制系统故障，从而影响对发动机状态的监测和控制，这会导致发动机失去保护或无法及时检测问题。

（7）安全风险：起动时序不合理可能增加事故风险，过高的温度、压力或振动可能会导致发动机部件失效、泄漏或爆炸。

中国专利CN109736953A公开了一种气体驱动预压涡轮的多次起动液氧煤油发动机及起动方法，为了顺利完成起动过程发动机系统配置了多个阀门，在起动过程中涉及到7次以上阀门的动作，并且各种阀门动作需按照一定的时序。

因此，现有补燃循环发动机系统的顺利起动在很大程度上依赖于起动过程中预先设定起动时序的正确性，一旦起动时序不合理或出现偏差，就会导致发动机系统的起动成功率降低。

发明内容

本发明的目的是解决现有补燃循环发动机系统对起动过程中的起动时序要求严格，一旦起动时序不合理，就会导致发动机系统的起动成功率降低的不足之处，而提供一种可自适应起动的补燃循环发动机系统及其起动方法。

为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：

一种可自适应起动的补燃循环发动机系统，其特殊之处在于：包括燃料启动阀、燃料泵、流量调节器、燃料主阀、推力室、燃气发生器、燃气涡轮、氧化剂泵、氧化剂启动阀及分流组件；所述燃气涡轮、氧化剂泵、燃料泵同轴连接；

所述燃料泵的输入端用于通过所述燃料启动阀连接燃料源，燃料泵的输出端通过所述流量调节器连接所述燃气发生器的第一输入端，燃料泵的输出端还通过所述燃料主阀连接所述推力室的第一输入端，推力室的第一输入端与推力室内的燃料喷嘴连通；

所述流量调节器用于稳定进入燃气发生器的燃料流量；

所述分流组件的输入端与燃料泵的输出端、流量调节器之间的管路连接，用于对燃料流量进行分流以控制发动机转速工况；

所述燃料主阀为常开状态，且在入口压力的作用下其流通面积逐渐增大；

所述氧化剂泵的输入端用于通过所述氧化剂启动阀连接氧化剂源，氧化剂泵的输出端连接所述燃气发生器的第二输入端；

所述燃气发生器的输出端连接所述燃气涡轮的输入端，燃气涡轮的输出端连接所述推力室的第二输入端。

进一步地，所述分流组件包括依次设置的膜片、节流圈、分流器；所述膜片的输入端连接燃料泵的输出端与流量调节器之间的管路，膜片用于在预设压力下破裂，以实现分流器的分流功能；所述节流圈用于稳定进入分流器的燃料流量。

进一步地，所述膜片破裂的预设压力为额定工作压力的30%~60%。

进一步地，所述燃料泵包括同轴连接的燃料一级泵、燃料二级泵，燃料一级泵的输入端用于通过所述燃料启动阀连接燃料源，燃料一级泵的输出端依次通过燃料二级泵、所述流量调节器连接所述燃气发生器的第一输入端，燃料一级泵的输出端还通过所述燃料主阀连接所述推力室的第一输入端；所述分流组件的输入端与燃料二级泵、流量调节器之间的管路连接。

同时，本发明还提供一种上述可自适应起动的补燃循环发动机系统的起动方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：

步骤1、在起动前，保持燃料启动阀和氧化剂启动阀均处于关闭状态，燃料、氧化剂分别充填至燃料启动阀、氧化剂启动阀前；同时，保持燃料主阀处于小开度工位状态，流量调节器处于未调节状态，其滑阀被弹簧力限制在0位移处，分流组件处于关闭状态，所述小开度工位状态的流阻为全开度工位状态的流阻的5~100倍；

步骤2、依次打开燃料启动阀、氧化剂启动阀；

步骤3、当燃料、氧化剂均自由充填至燃气发生器后开始自燃，产生燃气驱动燃气涡轮，发动机转速工况加速爬升；发动机转速工况中的转速为燃气涡轮的转速；

步骤4、随着发动机转速工况爬升，燃料主阀随燃料主阀的输入端压力的增大由所述小开度工位状态转为全开度工位状态，并且分流组件在到达预设压力后对燃料流量进行分流，发动机转速工况匀速爬升；

步骤5、当燃料充填至推力室内的燃料喷嘴后，推力室开始点火建立压力环境，发动机转速工况爬升速率减缓；

步骤6、当流量调节器中滑阀两端介质压差力克服弹簧力，流量调节器开始调节并发挥稳定流量功能，随后分流组件的分流量到达分流额定值，在两者共同作用下，进入燃气发生器的燃料稳定在额定设计值，从而使发动机转速工况过渡为额定工况，完成补燃循环发动机系统的起动。

进一步地，步骤1中，所述分流组件包括依次设置的膜片、节流圈、分流器；所述膜片的输入端连接燃料泵的输出端与流量调节器之间的管路；步骤4中，所述分流组件在到达预设压力后对燃料流量进行分流具体为：膜片到达预设压力后破裂，燃料二级泵所输出的部分燃料被分流至分流器内，所述预设压力为额定工作压力的30%~60%。

进一步地，步骤1中，所述分流组件包括依次设置的膜片、节流圈、分流器；所述膜片的输入端连接燃料泵的输出端与流量调节器之间的管路；步骤6中，所述分流组件的分流量到达分流额定值具体为：分流器内被燃料填满，分流器的容积和节流圈的流阻由燃气发生器额定燃料流量和发动机转速工况爬升速率决定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明一种可自适应起动的补燃循环发动机系统，包括燃料启动阀、燃料泵、流量调节器、燃料主阀、推力室、燃气发生器、燃气涡轮、氧化剂泵、氧化剂启动阀及分流组件；本发明可以使发动机系统的起动过程对起动时序具有较强的自适应性，除了发动机入口启动阀时序外，无需其它起动时序即可顺利完成起动过程。

（2）本发明一种可自适应起动的补燃循环发动机系统的起动方法，通过燃料主阀的流通特性来协调推力室点火时刻和发动机转速工况间的匹配性；现有补燃循环发动机系统大都利用常闭的燃料主阀来控制推力室的点火时刻，而在本发明中燃料主阀为常开状态，在入口压力的作用下，其流通面积逐渐增大，推力室充填过程加快，从而将推力室点火时刻与发动机转速工况耦合起来，增强了两者间的匹配性。

（3）本发明一种可自适应起动的补燃循环发动机系统的起动方法，通过分流组件和流量调节器来控制进入燃气发生器的燃料流量。在补燃循环发动机系统的起动过程中，关键环节之一为控制进入燃气发生器的燃料流量，从而使燃气温度峰值低于临界值。在本发明中，通过分流组件的分流作用来抑制燃气发生器燃料流量的过快增长，在分流器即将充满时刻流量调节器开始工作，将燃气发生器燃料流量稳定在额定值，以避免因燃料流量过大导致燃气发生器中燃气温度过高。

附图说明

图1为本发明一种可自适应起动的补燃循环发动机系统的结构示意图；

图2为本发明一种可自适应起动的补燃循环发动机系统的起动方法实施例中仿真得到的起动时序示意图；

图3为本发明实施例中仿真得到的无量纲转速曲线图；

图4为本发明实施例中仿真得到的无量纲燃料流量曲线图。

附图标记说明如下：1-燃料启动阀；2-燃料一级泵；3-燃料二级泵；4-节流圈；5-分流器；6-膜片；7-流量调节器；8-燃料主阀；9-推力室；10-燃气发生器；11-燃气涡轮；12-氧化剂泵；13-氧化剂启动阀。

具体实施方式

下面结合附图和示例性实施例对本发明作进一步地说明。

参照图1，一种可自适应起动的补燃循环发动机系统，包括燃料启动阀1、燃料泵、流量调节器7、燃料主阀8、推力室9、燃气发生器10、燃气涡轮11、氧化剂泵12、氧化剂启动阀13及分流组件。

燃料泵包括燃料一级泵2、燃料二级泵3，燃料一级泵2的输入端用于通过燃料启动阀1连接燃料源，燃料一级泵2的输出端依次通过燃料二级泵3、流量调节器7连接燃气发生器10的第一输入端，燃料一级泵2的输出端还通过燃料主阀8连接推力室9的第一输入端，推力室9的第一输入端与推力室9内的燃料喷嘴连通。燃气涡轮11、氧化剂泵12、燃料一级泵2、燃料二级泵3同轴连接。

流量调节器7用于稳定进入燃气发生器10的燃料流量。

分流组件用于对燃料流量进行分流以控制发动机转速工况，其包括依次设置的膜片6、节流圈4、分流器5；膜片6的输入端与燃料二级泵3、流量调节器7之间的管路连接，膜片6用于在预设压力下破裂，以实现分流器5的分流功能；节流圈4用于稳定进入分流器5的燃料流量。分流器5的容积和节流圈4的流阻由燃气发生器10额定燃料流量和发动机转速工况爬升速率决定。

氧化剂泵12的输入端用于通过氧化剂启动阀13连接氧化剂源，氧化剂泵12的输出端连接燃气发生器10的第二输入端。

燃气发生器10的输出端连接燃气涡轮11的输入端，燃气涡轮11的输出端连接推力室9的第二输入端。

推力室9的第一输入端用于输入富氧燃气，推力室9的第二输入端用于输入燃料。

一种上述可自适应起动的补燃循环发动机系统的起动方法，包括如下步骤：

步骤1、在起动前，保持燃料启动阀1和氧化剂启动阀13均处于关闭状态，燃料、氧化剂分别充填至燃料启动阀1、氧化剂启动阀13前；同时，保持燃料主阀8处于小开度工位状态，流量调节器7处于未调节状态，其滑阀被弹簧力限制在0位移处，分流组件处于关闭状态，小开度工位状态的流阻为全开度工位状态的流阻的5~100倍，具体由燃料主阀8阀后推力室9容积决定；

步骤2、依次打开燃料启动阀1、氧化剂启动阀13；

步骤3、当燃料、氧化剂均自由充填至燃气发生器10后开始自燃，产生燃气驱动燃气涡轮11，发动机转速工况加速爬升；发动机转速工况中的转速为燃气涡轮11的转速；

步骤4、随着发动机转速工况爬升，燃料主阀8随燃料主阀8的输入端压力的增大由小开度工位状态转为全开度工位状态，并且膜片6到达预设压力后破裂，燃料二级泵3所输出的部分燃料被分流至分流器5内，预设压力为额定工作压力的30%~60%，发动机转速工况匀速爬升；

步骤5、当燃料充填至推力室9内的燃料喷嘴后，推力室9开始点火建立压力环境，发动机转速工况爬升速率减缓；

步骤6、当流量调节器7滑阀两端介质压差力克服弹簧力，流量调节器7开始调节并发挥稳定流量功能，随后分流器5内被燃料填满，即分流组件的分流量到达额定值，在两者共同作用下，进入燃气发生器10的燃料稳定在额定设计值，从而使发动机转速工况过渡为额定工况，完成补燃循环发动机系统的起动。

为了验证补燃循环发动机系统能否顺利起动，本发明通过对补燃循环发动机系统建立起动过程仿真模型，获得补燃循环发动机系统的起动时序如图2所示，燃料启动阀1、氧化剂启动阀13分别在0时刻、t1时刻打开；计算得到在起动过程中燃气涡轮11无量纲转速曲线如图3所示，证明发动机转速工况爬升过程快速平稳；计算得到在起动过程中流入燃气发生器10、分流器5的无量纲燃料流量曲线如图4所示；仿真计算结果表明：本发明提出的补燃循环发动机系统能够顺利起动，并且起动过程对起动时序不敏感。