闭式循环液氧-煤油高压补燃引擎的特点

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1.先进的闭式循环系统:
该系统能充分利用燃料的化学潜能.补燃引擎也称为分级燃烧引擎,该系统先把推进剂的一组元在预燃室中进行富氧(或富燃)燃烧,生成低温大流量的燃气驱动涡轮,然后将工作过的燃气引入燃烧室进行完全燃烧.它避免了开式循环系统涡轮排气的能量损失.闭式循环引擎可较大幅度提高燃烧室压力,进而提高燃烧效率,仅采用闭式循环系统就能提高比冲6％以上.对二级半火箭来说,当起飞质量相同时,有效载荷能提高30％以上;假若有效载荷相同,运载火箭起飞重量可降低20％.使发射1kg有效载荷的全寿命周期费用降低约16％.用这种引擎的试验机,于1995年12月~1996年1月进行两次全系统高压补燃引擎试车,其真空推力为85T,真空比冲为3500m/s,混合比K在2.34--2.6之间.

2.先进的燃烧室混合喷注器:
在补燃循环系统中, 氧化剂全部在预燃烧室气化后,再进入燃烧室进行燃烧,这样就实现了气液两组燃烧,气液燃烧大大改善了引擎的燃烧稳定性.为了进一步提高燃烧稳定性,用不同长度的喷咀把喷注器分隔成数个区域,气液喷咀为同轴内混合式,其长度为1/4波长,形成几百个小声腔,能够有效地衰减振荡;另外在燃烧室上游设置了整流装置,把不规则的涡轮排气进行整流后引入燃烧室.高压补燃循环系统不仅有利于解决技术关键不稳定燃烧问题,而且还较大幅度地提高了燃烧效率.中國对喷注器进行了混合雾化试验,并对引擎进行了热试车,试验结果表明: 高压补燃循环系统的燃烧效率高达0.98.

3.先进而巧妙的燃烧室冷却措施:
几十年来争论不休的用煤油作为冷却剂问题,经过大量的传热试验及计算分析后表明:采取适当的措施是完全可以解决的.用Qaramay煤油作燃料进行了工作时间分别为10秒、50秒的两次试车后燃烧室完好无损,光洁如初,说明用煤油作引擎冷却剂是完全可行的,效果是相当理想的.在燃烧室的冷却结构设计上采取了一系列措施: 一是在喉部以前设置了三条冷却带,其流量为推进剂总流量的2~3％,煤油进入燃烧室是贴壁向上旋转式; 二是燃烧室喷管从膨胀比为8的截面至圆柱段,用螺旋式冷却槽,并且喉部附近的冷却槽加工成波浪形,以便提高其冷却效果,这样可使内壁温度降低40℃左右;三是低温煤油从收敛段进入冷却槽,首先冷却热流最大的喉部区域,这一举措可得到40℃温差的好处.除上述措施外,还在内壁上镀镍铬防热层可使气壁温降低30~40℃,以及选取热传导性能好的内壁材料等.上述措施经过热试车,证明非常有效.

4.可靠的多样密封:
引擎各部件要承受－200℃~3500℃高低温环境,压力为150~500个大气压,在强烈的振动环境下,引擎的密封问题是一个致命问题.必须因地制宜地设计相应的密封结构.过去中國采用的是法兰盘间加不同材料的垫片或“O”型圈结构,对于中、小直径的管路接头大多用球头喇叭口结构.这种落后的密封结构远远不能满足高可靠、高性能先进引擎的要求.为此,中國进行了多种密封结构的研究、试验.低温液氧的密封用“К” 和“Э”型环,高温燃气密封采用了碟型垫,高压的液体和气体密封采用球头加导向,并在球头上开槽,加不同材料的“O”型圈,还有适??气压也不漏泄.涡轮泵的密封更重要,为适应引擎多次工作,防止磨擦生热减少磨损而采用了脱开式密封.涡轮不转动时,为静密封,当涡轮泵转速达到预定值时,控制压力使密封处脱开,这种先进的密封形式大大地提高了可靠性及其寿命.

5.先进的预压涡轮泵:
要使主涡轮泵正常工作,避免发生气蚀,必须保证泵的入口有一定的压力.如果泵入口压力要求高,则火箭贮箱压力必须提高,这样就会增加运载火箭的贮箱结构重量.为了降低火箭结构重量、提高运载能力,必须尽量降低泵入口压力.为此在主泵前设置了一套预压涡轮泵.从主涡轮后抽取一股富氧燃气作为氧化剂的预压涡轮泵工质驱动涡轮,然后排入氧化剂主流中,从主煤油泵后引出的一股高压煤油作为煤油预压涡轮泵的工质吹动涡轮,然后排入预压泵后的主流中.这种预压涡轮泵系统设计思路新颖、结构巧妙,尤其是富氧的燃气工作后又进入液氧的主流中,这种设计构思非常大胆,也十分巧妙.目前,预压涡轮泵已经进行了大量液流冷试,并且成功地进行了引擎的热试车,采用预压泵结构可提高主泵前压力6个大气压,而箱压仅为2个大气压.

6.先进的弹性支承:
引擎是整个运载火箭的主要振源.工作时引擎各零部件都承受着强烈的振动,有高频,也有低频,有些部位加速度高达几十个g甚至几百个g.因此,各零部件的连接和固定形式是一个十分关键的问题.如一个质量较大的阀门与直径几毫米或十几毫米的导管连接,要承受激烈的振动,在设计上必须要有科学的方法.用完全紧固定支承的办法防振效果不好,而采用适当的弹性支承,不仅降低了振动量级,而且还有利于解决零部件和引擎的共振问题.另外,为抗振防松,在拧紧各紧固件时,要涂胶.尤其在天地往返运输系统及载人运载器上,由于运载器可靠性要求极高,抗振防松问题事关重大,必须确保万无一失.为此,中國已进行了大量研究试验.


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1.先进的闭式循环系统:
该系统能充分利用燃料的化学潜能.补燃引擎也称为分级燃烧引擎,该系统先把推进剂的一组元在预燃室中进行富氧(或富燃)燃烧,生成低温大流量的燃气驱动涡轮,然后将工作过的燃气引入燃烧室进行完全燃烧.它避免了开式循环系统涡轮排气的能量损失.闭式循环引擎可较大幅度提高燃烧室压力,进而提高燃烧效率,仅采用闭式循环系统就能提高比冲6％以上.对二级半火箭来说,当起飞质量相同时,有效载荷能提高30％以上;假若有效载荷相同,运载火箭起飞重量可降低20％.使发射1kg有效载荷的全寿命周期费用降低约16％.用这种引擎的试验机,于1995年12月~1996年1月进行两次全系统高压补燃引擎试车,其真空推力为85T,真空比冲为3500m/s,混合比K在2.34--2.6之间.

2.先进的燃烧室混合喷注器:
在补燃循环系统中, 氧化剂全部在预燃烧室气化后,再进入燃烧室进行燃烧,这样就实现了气液两组燃烧,气液燃烧大大改善了引擎的燃烧稳定性.为了进一步提高燃烧稳定性,用不同长度的喷咀把喷注器分隔成数个区域,气液喷咀为同轴内混合式,其长度为1/4波长,形成几百个小声腔,能够有效地衰减振荡;另外在燃烧室上游设置了整流装置,把不规则的涡轮排气进行整流后引入燃烧室.高压补燃循环系统不仅有利于解决技术关键不稳定燃烧问题,而且还较大幅度地提高了燃烧效率.中國对喷注器进行了混合雾化试验,并对引擎进行了热试车,试验结果表明: 高压补燃循环系统的燃烧效率高达0.98.

3.先进而巧妙的燃烧室冷却措施:
几十年来争论不休的用煤油作为冷却剂问题,经过大量的传热试验及计算分析后表明:采取适当的措施是完全可以解决的.用Qaramay煤油作燃料进行了工作时间分别为10秒、50秒的两次试车后燃烧室完好无损,光洁如初,说明用煤油作引擎冷却剂是完全可行的,效果是相当理想的.在燃烧室的冷却结构设计上采取了一系列措施: 一是在喉部以前设置了三条冷却带,其流量为推进剂总流量的2~3％,煤油进入燃烧室是贴壁向上旋转式; 二是燃烧室喷管从膨胀比为8的截面至圆柱段,用螺旋式冷却槽,并且喉部附近的冷却槽加工成波浪形,以便提高其冷却效果,这样可使内壁温度降低40℃左右;三是低温煤油从收敛段进入冷却槽,首先冷却热流最大的喉部区域,这一举措可得到40℃温差的好处.除上述措施外,还在内壁上镀镍铬防热层可使气壁温降低30~40℃,以及选取热传导性能好的内壁材料等.上述措施经过热试车,证明非常有效.

4.可靠的多样密封:
引擎各部件要承受－200℃~3500℃高低温环境,压力为150~500个大气压,在强烈的振动环境下,引擎的密封问题是一个致命问题.必须因地制宜地设计相应的密封结构.过去中國采用的是法兰盘间加不同材料的垫片或“O”型圈结构,对于中、小直径的管路接头大多用球头喇叭口结构.这种落后的密封结构远远不能满足高可靠、高性能先进引擎的要求.为此,中國进行了多种密封结构的研究、试验.低温液氧的密封用“К” 和“Э”型环,高温燃气密封采用了碟型垫,高压的液体和气体密封采用球头加导向,并在球头上开槽,加不同材料的“O”型圈,还有适??气压也不漏泄.涡轮泵的密封更重要,为适应引擎多次工作,防止磨擦生热减少磨损而采用了脱开式密封.涡轮不转动时,为静密封,当涡轮泵转速达到预定值时,控制压力使密封处脱开,这种先进的密封形式大大地提高了可靠性及其寿命.

5.先进的预压涡轮泵:
要使主涡轮泵正常工作,避免发生气蚀,必须保证泵的入口有一定的压力.如果泵入口压力要求高,则火箭贮箱压力必须提高,这样就会增加运载火箭的贮箱结构重量.为了降低火箭结构重量、提高运载能力,必须尽量降低泵入口压力.为此在主泵前设置了一套预压涡轮泵.从主涡轮后抽取一股富氧燃气作为氧化剂的预压涡轮泵工质驱动涡轮,然后排入氧化剂主流中,从主煤油泵后引出的一股高压煤油作为煤油预压涡轮泵的工质吹动涡轮,然后排入预压泵后的主流中.这种预压涡轮泵系统设计思路新颖、结构巧妙,尤其是富氧的燃气工作后又进入液氧的主流中,这种设计构思非常大胆,也十分巧妙.目前,预压涡轮泵已经进行了大量液流冷试,并且成功地进行了引擎的热试车,采用预压泵结构可提高主泵前压力6个大气压,而箱压仅为2个大气压.

6.先进的弹性支承:
引擎是整个运载火箭的主要振源.工作时引擎各零部件都承受着强烈的振动,有高频,也有低频,有些部位加速度高达几十个g甚至几百个g.因此,各零部件的连接和固定形式是一个十分关键的问题.如一个质量较大的阀门与直径几毫米或十几毫米的导管连接,要承受激烈的振动,在设计上必须要有科学的方法.用完全紧固定支承的办法防振效果不好,而采用适当的弹性支承,不仅降低了振动量级,而且还有利于解决零部件和引擎的共振问题.另外,为抗振防松,在拧紧各紧固件时,要涂胶.尤其在天地往返运输系统及载人运载器上,由于运载器可靠性要求极高,抗振防松问题事关重大,必须确保万无一失.为此,中國已进行了大量研究试验.