一种液体发动机用文氏管组合装置、系统及其操作方法与流程

1.本技术涉及航空航天发动机预冷领域，特别涉及一种液体发动机用文氏管组合装置、系统及其操作方法。


背景技术：

2.随着目前航天活动的增加和航天技术的发展，火箭发动机作为核心部件，高性能的火箭发动机需求越来越迫切。其中，由于低温发动机具有比冲高、无毒环保、可重复使用和使用成本低廉等众多的优点，是各种航天飞行器的理想动力选择，低温液体火箭发动机通常包括液氧/煤油发动机、液氧/液氢发动机、液氧/甲烷发动机等。
3.低温液体火箭发动机燃烧组件在地面点火试验前，必须对输送系统先进行充分预冷，其中，文氏管是低温液体火箭发动机试验中的流量控制装置，其工作原理为在入口压力和推进剂温度保持不变的情况下，气蚀状态下时流经文氏管的流量是恒定的。对于具有小流量工况(10g/s～1000g/s)的液体火箭发动机，其推进剂的流量小，对应的气蚀文氏管的喉径也小，在预冷阶段由于推进剂贮箱压力低，由推进剂贮箱流出并经过文氏管节流后的低温推进剂的流量很小，而又由于下游管路系统热容相对较大，因此不足以将文氏管、下游管路系统以及发动机完全预冷。
4.相关技术中，常用的预冷方法是，在靠近发动机主阀的位置安装文氏管，试验前推进剂贮箱增压后，打开主阀或旁路泄放阀，采用这种增压排放冷却的方式对文氏管、下游管路和发动机进行预冷。但是，由于推进剂贮箱一直处于增压状态，推进剂会发生升温，另外，试验前预增压时间紧迫，若推进剂的流量较小，预冷时间就会较长，则可能会出现文氏管入口温度达不到发动机启动条件的情况，导致试验中止。此外，文氏管本身也会出现升温的现象，会影响流入发动机的推进剂流量。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供一种液体发动机用文氏管组合装置、系统及其操作方法，以解决相关技术中预冷时间较长或预冷效果差导致液体火箭发动机试验中止的问题。
6.第一方面，提供了一种液体发动机用文氏管组合装置，其包括：
7.文氏管，其两端上分别设有第一入口接头和第一出口接头，所述文氏管上套设有一套管，所述套管位于所述第一入口接头和第一出口接头之间，并与所述文氏管之间形成一冷却腔，所述冷却腔用于引入推进剂，以辅助所述文氏管增加引流至液体火箭发动机的推进剂流量。
8.一些实施例中，所述冷却腔的侧壁上分别设有第二入口接头和第二出口接头，所述第二入口接头用于将所述推进剂引流至所述冷却腔内，所述第二出口接头用于将所述冷却腔内的推进剂引流至所述液体火箭发动机。
9.第二方面，提供了一种液体发动机用文氏管组合系统，其包括：
10.主路管道，其上设有一文氏管组合装置，所述文氏管组合装置包括一文氏管和套
设于所述文氏管上的套管，所述文氏管的两端分别与所述主路管道连通，并用于将推进剂引流至液体火箭发动机，所述套管与文氏管之间形成一冷却腔；
11.支路管道，其包括第一预冷管路和第二预冷管路，所述第一预冷管路和第二预冷管路均经过所述冷却腔，且其中一端均用于与推进剂贮箱相连，所述第一预冷管路的另一端用于与所述液体火箭发动机相连，所述第二预冷管路的另一端用于与推进剂回收设备相连。
12.一些实施例中，所述冷却腔的侧壁上分别设有第二入口接头和第二出口接头，所述第一预冷管路包括：
13.第一预冷支路，其一端与位于所述文氏管上游的主路管道相连，另一端与所述第二入口接头连通，所述第一预冷支路用于调节进入所述冷却腔的推进剂的流量；
14.第二预冷支路，其一端与位于所述文氏管下游的主路管道相连，另一端与所述第二出口接头连通，所述第二预冷支路用于与所述第一预冷支路共同调节经所述冷却腔引流至所述主路管道的推进剂的流量，以辅助所述文氏管增加引流至液体火箭发动机的推进剂流量。
15.一些实施例中，所述第二预冷管路包括所述第一预冷支路和第三预冷支路，所述第三预冷支路的一端与所述第二预冷支路连通，另一端用于与所述推进剂回收设备相连，以对所述文氏管进行预冷。
16.一些实施例中，所述第一预冷支路上设有流量调节阀，所述第二预冷支路上设有第一截止阀，所述第三预冷支路上设有第二截止阀，所述第三预冷支路与第二预冷支路的连接点位于所述第一截止阀的上游。
17.一些实施例中，所述第二入口接头与流量调节阀、所述第一截止阀和第二出口接头之间的管路均为金属软管，剩余管路均为金属管。
18.一些实施例中，所述冷却腔的横截面积不小于所述主路管道的横截面积。
19.第三方面，提供了一种液体发动机用文氏管组合系统的操作方法，其步骤包括：
20.液体火箭发动机预冷，开启主路管道和第一预冷管路，关闭第二预冷管路，使推进剂分别流经文氏管和冷却腔后共同进入液体火箭发动机，以增加引流至所述液体火箭发动机的推进剂的流量；
21.文氏管预冷，开启所述第二预冷管路和主路管道，关闭所述第一预冷管路，使推进剂流经所述冷却腔后进入推进剂回收设备。
22.一些实施例中，分别监测所述文氏管的第一入口接头处的温度和所述液体火箭发动机入口的温度，若所述文氏管的第一入口接头处的温度和所述液体火箭发动机入口的温度均不大于预设温度，则对所述液体火箭发动机的预冷结束。
23.本技术提供的技术方案带来的有益效果包括：
24.本技术实施例提供了一种液体发动机用文氏管组合系统，其主要包括主路管道和支路管道，支路管道包括第一预冷管路和第二预冷管路，第一预冷管路和第二预冷管路均经过冷却腔，其中，第一预冷管路主要用于通过将推进剂贮箱内的推进剂经过冷却腔引流至液体火箭发动机内，以增加进入液体火箭发动机内的推进剂流量，帮助液体火箭发动机在较短的时间内降温至合适的温度，第二预冷管路与推进剂回收设备相连，其主要用于在液体火箭发动机降温完成后，通过将推进剂贮箱内的推进剂引流经过冷却腔，最后再回到
推进剂回收设备，以对文氏管本身进行降温，保证文氏管维持低温状态。本文氏管组合系统可以使文氏管下游管路系统以及液体火箭发动机得到充分预冷，显著提高了试验效率。
附图说明
25.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本技术实施例提供的液体发动机用文氏管组合系统的示意图；
27.图2为本技术实施例提供的液体发动机用文氏管组合装置的结构剖视图。
28.图中：1
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文氏管，10
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第一入口接头，11
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第一出口接头，2
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套管，20
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冷却腔，21
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第二入口接头，22
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第二出口接头，3
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主路管道，40
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第一预冷管路，400
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第一预冷支路，401
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第二预冷支路，41
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第二预冷管路，410
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第三预冷支路，50
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流量调节阀，51
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第一截止阀，52
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第二截止阀。
具体实施方式
29.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
30.本技术实施例提供了一种液体发动机用文氏管组合装置，其能解决相关技术中预冷时间较长或预冷效果差导致液体火箭发动机试验中止的问题。
31.参见图2所示，本文氏管组合装置包括文氏管1，文氏管1的两端上分别设有第一入口接头10和第一出口接头11，推进剂从第一入口接头10进入至文氏管1内部，然后从第一出口接头11流出后进入至液体火箭发动机；在文氏管1上套设有一套管2，套管2位于第一入口接头10和第一出口接头11之间，并与文氏管1之间形成一冷却腔20，冷却腔20主要用于单独引入推进剂，以辅助文氏管1增加引流至液体火箭发动机的推进剂流量，提高预冷效率。
32.进一步的，在冷却腔20的侧壁上分别设有第二入口接头21和第二出口接头22，第二入口接头21用于将推进剂引流至冷却腔20内，第二出口接头22用于将冷却腔20内的推进剂引流至液体火箭发动机。本文氏管组合装置在发动机试验准备阶段通过增加推进剂流通面积的方式可以对文氏管1、位于下游的管路以及液体火箭发动机进行快速预冷，而冷却腔20内不断循环的推进剂可以在液体火箭发动机工作过程中通过排放冷却的方式维持文氏管1低温。
33.本技术还提供了一种液体发动机用文氏管组合系统，参见图1所示，本文氏管组合系统主要包括主路管道3和支路管道，其中，主路管道3上设有一文氏管组合装置，文氏管组合装置具体包括一文氏管1和套设于文氏管1上的套管2，文氏管1的两端第一入口接头10和第一出口接头11分别与主路管道3连通，主要用于将推进剂引流至液体火箭发动机，套管2位于第一入口接头10和第一出口接头11之间，并与文氏管1之间形成一冷却腔20；支路管道包括第一预冷管路40和第二预冷管路41，第一预冷管路40和第二预冷管路41均经过冷却腔
20，且其中一端均用于与推进剂贮箱相连，第一预冷管路40的另一端用于与液体火箭发动机相连，用于将推进剂引流至液体火箭发动机，第二预冷管路41的另一端用于与推进剂回收设备相连，其主要用于在液体火箭发动机工作的过程中通过排放冷却的方式维持文氏管1自身的低温，且这个过程中的推进剂都回收至推进剂回收设备中了。
34.进一步的，冷却腔20的侧壁上分别设有第二入口接头21和第二出口接头22，第一预冷管路40具体包括第一预冷支路400和第二预冷支路401，第一预冷支路400的一端与位于文氏管1上游的主路管道3相连，另一端与冷却腔20的第二入口接头21连通，第一预冷支路400用于调节进入冷却腔20的推进剂的流量；第二预冷支路401的一端与位于文氏管1下游的主路管道3相连，另一端与第二出口接头22连通，第二预冷支路401用于与第一预冷支路400共同调节经冷却腔20引流至主路管道3的推进剂的流量，以辅助文氏管1增加引流至液体火箭发动机的推进剂的流量。
35.进一步的，第二预冷管路41包括第一预冷支路400和第三预冷支路410，因此其实第二预冷管路41与第一预冷管路40存在一段重叠的管路即第一预冷支路400部分，第二预冷管路41与第一预冷管路40的进液均是通过第一预冷支路400来实现，第三预冷支路410的一端与第二预冷支路401连通，另一端用于与推进剂回收设备相连，当液体火箭发动机完成预冷后，此时通过将推进剂引流至冷却腔20内再排出，达到对文氏管1进行持续预冷的效果。
36.进一步的，第一预冷支路400上设有流量调节阀50，第二预冷支路401上设有第一截止阀51，第三预冷支路410上设有第二截止阀52，第三预冷支路410与第二预冷支路401的连接点位于第一截止阀51的上游。具体的，文氏管1用于控制进入液体火箭发动机内的推进剂流量，安装在第一预冷支路400上的流量调节阀50，具备大范围改变流通面积的能力，用以调节进入至冷却腔20内的推进剂流量，第一截止阀51用于控制第一预冷管路40的通断，第二截止阀52用于控制第二预冷管路41的通断。
37.进一步的，第二入口接头21与流量调节阀50、第一截止阀51和第二出口接头22之间的管路均为金属软管，剩余管路均为金属硬管，便于根据液体火箭发动机工况更换文氏管1部件。
38.进一步的，冷却腔20的横截面积不小于主路管道3的横截面积，具体的，文氏管1的外径为d1，冷却腔20的内径为d2，第一入口接头10、第一出口接头11、第二入口接头21和第二出口接头22的内径为相同为d0，文氏管1的外壁面和冷却腔20的内壁面组成的冷却腔20的环形流通面积为π(d22‑
d12)，且π(d22‑
d12)≥πd02，这样的设计可以保证第一预冷管路40上的推进剂冷却流量是由流量调节阀50调节。
39.本技术还提供一种液体发动机用文氏管组合系统的操作方法，其步骤主要包括，首先在试验准备阶段，对液体火箭发动机和下游管路进行预冷，开启主路管道3和第一预冷管路40，关闭第二预冷管路41，使推进剂分别流经文氏管1和冷却腔20后共同进入液体火箭发动机，以增加引流至液体火箭发动机的推进剂的流量；其次在液体火箭发动机点火试验前及试验过程中，对文氏管1进行持续预冷，开启第二预冷管路41和主路管道3，关闭第一预冷管路40，使推进剂流经冷却腔20后进入推进剂回收设备。
40.具体的，液体火箭发动机预冷开始后，推进剂贮箱的压力为0.1mpa～0.2mpa，关闭第二截止阀52，将流量调节阀50调整至最大开度，打开第一截止阀51，低温推进剂的流动路
径为：推进剂贮箱内的推进剂出来后进入主路管道3，一部分推进剂通过主路管道3进入文氏管1的第一入口接头10，从第一出口接头11流出至液体火箭发动机内，还有一部分推进剂进入第一预冷支路400，从冷却腔20的第二入口接头21流入，再从第二出口接头22流出进入第二预冷支路401，经过第一截止阀51之后汇入主路管道3，用于液体火箭发动机的预冷。
41.在液体火箭发动机预冷的过程中，分别监测文氏管1第一入口接头10处的温度和液体火箭发动机入口的温度，若文氏管1第一入口接头10处的推进剂温度和液体火箭发动机入口的推进剂温度均不大于预设温度，则对液体火箭发动机的预冷结束。
42.具体的，文氏管1的预冷开始后，打开第二截止阀52，将流量调节阀50的开度开到最小，关闭第一截止阀51，推进剂贮箱增压至工作压力，低温推进剂的流动路径为：推进剂贮箱内的推进剂出来后进入主路管道3，一部分推进剂通过主路管道3进入文氏管1的第一入口接头10，从第一出口接头11流出至液体火箭发动机内，还有一部分推进剂进入第一预冷支路400，从冷却腔20的第二入口接头21流入，再从第二出口接头22流出进入第三预冷支路410，最后经过第二截止阀52后回到推进剂回收设备中，以此保持文氏管1的低温状态。
43.最后，再次检查文氏管1的第一入口接头10的温度、液体火箭发动机主阀入口的温度及推进剂贮箱的贮箱压力是否达到设计值，若是，则加载时序开始液体火箭发动机的点火试验。试验过程中，流入发动机的推进剂流量由文氏管1控制。
44.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
45.需要说明的是，在本技术中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
46.以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。