《YF-77氢氧发动机专栏》

八卦谈佚名 ▪ 2022-12-16 11:55:23

注意：此论文为16年发表，为YF77初期版本，与如今5B和5遥三以后的YF77有较大差别，尤其是氧泵，它裂开。。。

一、发动机概况

50吨级氢氧发动机采用燃气发生器循环,泵压式供应系统,地面一次启动,由2台独立工作的单机通过机架并联构成,发动机单机地面推力52t真空推力70t。
50吨级氢氧发动机从正式立项开始,先后顺利完成了燃气发生器挤压试验及涡轮泵联动试验,发动机进入全系统试验考核阶段,在完成两次点火试验后,成功进行了首次全系统50s短程试验,同时完成了可靠性鉴定及抽检验收试验。发动机研制过程如图1所示。

发动机研制过程中,在充分借鉴中国以往氢氧发动机研制经验的基础上,建立了发动机三维数字化样机,大量采用了CAD、CFD、FEA及多学科优化设计技术等数字化设计手段,优化了发动机总体及组件技术方案,减少了发动机试验数量与类型,有效地提高了发动机研制效率,缩短了研制时间5~9。发动机数字化设计技术如图2所示。

二、发动机技术方案

2.1 发动机总体方案

50吨级氢氧发动机由2台独立工作的单机并联构成,除控制系统为双机共用外,每台单机各有推进剂供应系统、燃气系统、点火启动系统、增压与伺服机构用气供应系统、遥测系统等5个分系统。发动机系统简图如图4所示。

发动机主要设计指标如表1所示。

发动机主要特点如下:

a)采用液氢/液氧作为推进剂;
b)由两台单机通过双机机架并联而成,具备
双向摇摆能力;
c)采用单台富氢燃气发生器,燃气并联驱动氢
氧涡轮;
d)推力室为同轴直流喷嘴,身部为再生冷却,
喷管延伸段为排放冷却;
e)燃烧装置采用火药点火器点火,火药启动
器起旋涡轮泵。

2.2 发动机主要组件方案

发动机主要组件包括推力室、燃气发生器、氢涡轮泵、氧涡轮泵、阀门等。发动机及各主要组件模装结构如图5所示。

2.2.1 推力室

推力室由头部,身部和喷管延伸段组成。推力室头部采用同轴直流式喷嘴,设置了隔板稳定装置防止高频燃烧不稳定。身部采用铜槽内壁与电铸镍外壁的再生冷却通道结构方式。喷管延伸段面积比为49,采用排放冷却方式,推力室设计参数如表2所示。

2.2.2 燃气发生器

燃气发生器由头部和身部组成,采用了同轴直流式喷嘴,身部不冷却燃气发生器混合比为0.9,燃气发生器出口燃气温度均匀性良好,下游安装火药启动器,燃气发生器设计参数如表3所示。

2.2.3 涡轮泵

氢涡轮由两级冲击式超声涡轮、请导轮和两级离心泵组成。氢涡轮转子为柔性转子,工作在二阶与三阶临界转速之间,采用两组高DN值的混合式陶瓷球轴承支撑,通过弹性阻尼支承保证转子工作稳定性。氢涡轮泵设计参数如表4所示。

氧涡轮泵转速由两级冲击式超声速涡轮、诱导轮和一级离心泵组成。氧涡轮泵转子同样为柔性转子,工作在一阶临界转速与二阶临界转速之间,采用两组双列钢轴承支撑,并通过弹性阻尼保证转子工作稳定性。氧涡轮泵设计参数如表5所示。

2.2.4 阀门

发动机液路、燃气路阀门均为气动阀门。推力室氢/氧阀为球阀结构,采用自动抬座的球阀方案。为控制启动过程发动机混合比,推力室氧阀应具有两级调节功能;发生器氢/氧阀、推进剂、泄出阀均为菌阀结构。

三、发动机研制进展

发动机在研制过程中,从发动机组件到整机,从分系统到全系统,有针对性地策划并开展了相对系统和完整的试验研究,试验中暴露的薄弱环节均得到有效解决,发动机的固有可靠性得到进一步提高。发动机试验次数与试验时间情况如图6所示。

3.1原理性样机试验
发动机组件及分系统试验后期,首台发动机全系统原理性样机完成总装,具备试验条件。发动机在进行冷调试验时,试验介质采用液氢/液氧,除未安装喷管延伸段外,发动机其他状态与全系统状态一致。发动机达到预冷启动条件后,火药启动器、推力室点火工作,但燃气发生器不工作。冷调试验获得了真实状态下推力室冷却夹套的预冷参数,帮助确定了推力室在箱压下的点火时序,同时考核了试验台低温氢气安全排放处理系统,试验获得圆满成功。
冷调试验后,结合发动机动态仿真分析结果与试验情况,制定了发动机全系统原理性样机首次点火启动程序。发动机进行全系统点火试验时,试验时间10s,工况达到90%,启动参数平稳,混合比控制合理,试验获得圆满成功。在进行50s短程试验时,发动机达到主级额定设计工况,发动机首台原理性样机试验获得圆满成功。通过发动机首台原理性样机试验研究,发动机系

统及各组件的工作协调性得到初步考核,确定了发动机的启动、关机工作程序,为后续研究奠定了基础。发动机原理性样机试验情况如图7所示。

3.2 发动机极限边界试验
根据火箭对发动机的使用要求及发动机自身特点,发动机策划并实施了一系列极限边界试验考核,包括长时间循环预冷试验、轴承高温启动试验、涡轮泵真实介质汽蚀试验、飞行过载适应性试验等。例如, 发动机首次开展了涡轮泵真实介质下的汽蚀特性试验,在发动机主级工作过程中,通过降低贮箱压力的方法迫使涡轮泵进入汽蚀状态,在汽蚀状态进一步向恶劣情况发展前中止试验,以保护发动机和试车台。发动机涡轮泵汽蚀试验共进行了4次,产品无异常情况,试验成功获得了涡轮泵在液氢、液氧真实介质下的汽蚀特性。

通过极限边界试验,一方面获得了发动机的设计裕度,另一方面暴露出了发动机的薄弱环节,通过对这些薄弱环节的改进设计一试验验证一再次改进的迭代过程,有效地拓宽了发动机的使用范围,提高了发动机的整体可靠性。发动机极限边界试验情况如图8所示。