Жидкостный ракетный двигатель на криогенных компонентах

 

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям (ЖРД)с раздельными турбонасосными агрегатами (ТИА) подачи компонентов топлива, рабочим телом турбин которых служит предварительно подогретый компонент топлива. Цель изобретения - повышение надежности ЖРД путем улучшения динамических характеристик системы регулирования. Для этого ЖРД, содержащий турбину и насос горючего, турбину и насос окислителя, камеру с трактом регенеративного охлаждения, выход из которого соединен с турбиной, и агрегаты системы регулирования параметров двигателя, снабжен агрегатом ввода охлаждающего компонента, установленным на газоводе, и магистралью с установленным в ней регулятором расхода. 1 ил.

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям (ЖРД) с раздельными турбонасосными агрегатами (ТНА).

В настоящее время имеется ряд разработок ЖРД так называемой "расширительной схемы". Как правило, топливом для данного класса ЖРД служат криогенные компоненты, обычно кислород-водород.

Известен ЖРД SS МЕ, работающий на криогенных компонентах "кислород-водород". Двигатель содержит раздельные ТИА окислителя и горючего, работающие на восстановительном газе, и камеру с трактом регенеративного охлаждения, охлаждаемую водородом [2].

В работе [1] приведено описание двух ЖРД "расширительной схемы", у которых регулирование параметров силовой установки осуществляется при помощи клапаном с изменяемым дроссельным сопротивлением. При этом клапаны расположены либо в магистралях подачи компонентов топлива непосредственно за насосами, либо в газоводе непосредственно за турбиной, причем через них проходит основная часть расхода того или иного компонента.

Применение дроссельных клапанов с регулируемым гидравлическим сопротивлением в потоке подогретого газа, протекающего по газоводу, имеет ряд недостатков.

Установка механических подвижных элементов в потоке подогретого газа является нежелательной, так как возможное термическое расширение конструкционных материалов подвижных узлов и деталей регулятора отрицательно влияет на точность регулирования и в отдельных случаях может привести к заклиниванию исполнительных элементов регулятора.

При применении дроссельных элементов с регулируемым сопротивлением в газовых трактах их габаритные размеры и масса будут существенно больше по сравнению с массой аналогичных устройств, установленных в трактах подачи жидкости или в магистралях компонентов, не получившего предварительный подогрев для ЖРД "расширительной схемы".

Установка регуляторов непосредственно в расходных магистралях подачи компонентов за соответствующими насосами ведет к повышенным потерям давления в этих магистралях и, как следствие, к пониженному давлению в камере ЖРД. Это приводит к снижению КПД силовой установки.

Целью изобретения является повышение надежности путем улучшения динамических характеристик системы регулирования.

Для этого двигатель снабжен агрегатом ввода охлаждающего компонента, установленным на газоводе, соединяющем турбины, и магистралью с установленным в ней регулятором расхода, сообщающей выход из насоса охлаждающего компонента с агрегатом его ввода.

На чертеже приведена схема ЖРД с раздельными ТНА горючего и окислителя, у которого рабочим телом для обеих турбин ТНА является подогретое в рубашке охлаждения горючее.

На схеме изображены турбина 1 ТНА горючего, насос 2 горючего, камера 3 ЖРД, турбина 4 ТНА окислителя, насос 5 окислителя, регулятор 6, агрегат 7 ввода горючего, отбираемого непосредственно за насосом 2, регулятор 8 соотношения расхода, дроссель 9 постоянного сопротивления, газовод 10.

Компонентами топлива являются жидкий кислород и водород. Горение топлива в камере 3 осуществляется при избытке горючего.

Горючее - водород из баков поступает на вход насоса 2, после чего подается на регулятор 6 и в рубашку охлаждения камеры 3, в которой его температура существенно повышается. После рубашки охлаждения водород подается на вход турбины 1 и проходит через агрегат 7. Часть водорода, прошедшего через агрегат 7, следует непосредственно в камеру 3. Другая часть поступает на турбину 4, после которой проходит через рубашку охлаждения, где получает дополнительный подогрев и выбрасывается в окружающую среду. Водород, поступивший на регулятор 6, подается с дозированным расходом на агрегат ввода 7 и вводится в поток водорода, протекающего по газоводу 10. Окислитель из баков поступает на вход насоса 5, после чего через регулятор соотношения расхода 8 подается в камеру 3. Дроссель 9 служит для обеспечения оптимального расхода водорода через турбину 4 на номинальном режиме работы ЖРД и для компенсации технологических разбросов гидравлических сопротивлений газовода 10 и рубашки охлаждения.

Регулирование параметров ЖРД осуществляется следующим образом.

В а р и а н т 1. На регулятор 6 поступает сигнал о повышенном в сравнении с расчетным давлении в камере 3. При этом гидpавлическое сопротивление исполнительного элемента регулятора 6 уменьшается. В результате увеличивается расход водорода в поток предварительно подогретого в рубашке камеры и отработанного на турбине водорода. Уменьшается расход водорода через рубашку охлаждения камеры 3, что приводит к снижению температуры и расхода через турбину 1.

В а р и а н т 2. На регулятор 6 поступает сигнал о пониженном в сравнении с расчетным давлении в камере 3. В результате работы регулятора 6 уменьшается расход водорода, подаваемого непосредственно в газовод 10. Изменение соотношения расходов компонентов топлива компенсируется при помощи регулятора 8. В приведенной силовой установке достигается улучшение динамических характеристик контура регулирования давления в камере. Кроме того, имеется возможность кратковременного резкого увеличения расхода горючего при возникновении высокочастотных колебаний давления в камере ЖРД.

Элементы контуров регулирования давления и соотношения расходов компонентов в камере данного ЖРД могут быть выполнены на основе освоенных промышленностью образцов. Уплотнительные элементы регулятора 6 должны удовлетворять повышенным требованиям по герметичности.

Формула изобретения

ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ НА КРИОГЕННЫХ КОМПОНЕНТАХ, содержащий турбонасосные агрегаты подачи окислителя и горючего, турбины которых соединены между собой газоводом, камеру с трактом регенеративного охлаждения, выход которого соединен газоводом с турбиной привода насоса охлаждающего компонента, и агрегаты системы регулирования параметров двигателя, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем улучшения динамических характеристик системы регулирования, он снабжен агрегатом ввода охлаждающего компонента, установленным на газоводе, соединяющем турбины, и магистралью с установленным в ней регулятором расхода, сообщающей выход из насоса охлаждающего компонента с агрегатом его ввода.

РИСУНКИ

Рисунок 1