Многокамерная двигательная установка с турбонасосной системой подачи компонентов топлива

 

Использование: в ракетной технике, а именно в многокамерных двигательных установках с турбонасосной системой подачи топлива. Сущность изобретения: установка состоит из отдельных модулей, в каждом из которых соответствующие коллекторы подачи одноименных компонентов последовательно соединены друг с другом через запорные органы. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к аэрокосмической технике и может быть использовано в перспективных двигательных установках (ДУ) для многоразовых транспортных космических кораблей (МТКК) или в гиперзвуковых самолетах для обеспечения старта и вывода в космос.

В настоящее время большой интерес представляют перспективные ЖРД: c кольцевыми камерой и соплом, имеющим центральное тело, ЖПД линейной конструкции. Особенно перспективны двигатели большой тяги, состоящие из большого количества (24 и более) камер сгорания, размещенных по кольцу вокруг общего сопла с центральным телом. ЖРД с кольцевыми камерами и соплом в 4-5 раз меньше по длине двигателей с обычным соплом, а их сопло обладает свойством высотной компенсации, т. е. изменения степени расширения в соответствии с изменением давления окружающей среды.

За рубежом ведут исследования ЖРД линейной конструкции. Такие ЖРД имеют камеру и сопло прямоугольного сечения. Их компонуют в линию так, что их можно разместить, например, по всей задней кромке крыла. Такие ЖРД могут найти применение в одно- и двухступенчатых МТКК. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с обычным ЖРД: компактностью, увеличенным среднеинтегральным удельным импульсом, отсутствием донного сопротивления.

Указанные ЖРД можно создавать из унифицированных камерно-сопловых секцией, причем большая часть его отработки может быть выполнена на этих секциях. Применяя соответствующее число секций, можно создавать ЖРД большой тяги (см. Володин. В.А. Ткаченко Ю.Н. Конструкция и проектирование ракетных двтигателей. /Под редакцией В. П. Совейского. М. Машиностроение, 1984, с. 236-237; Обзор ЦАГИ Концепции перспективных многоразовых воздушно-космических аппаратов воздушного базирования, N 686, 1989, с. 51, 52 рис. 52, 53, с. 86, рис. 94).

Известна многокамерная ДУ с турбонасосной системой подачи компонентов топлива, содержащая несколько модулей, каждый из которых объединяет камеру сгорания, трубонаосный агрегат (ТНА) и газогенератор, трубопроводы обвязки и запорно-регулирующую арматуру (см. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей. /Под общей редакцией проф. Г.Н.Гахуна. М. Машиностроение, 1989, с. 91, 92, рис. 5.6, двигатель РД-253). ДУ для ракеты-носителя "Протон" первой ступени включает шесть двигателей РД-253. При этом каждый двигатель имеет свой ТНА.

Известно, что многокамерные двигатели проще изготавливать и отрабатывать, что является их достоинством. Кроме того, при известной их плотной компоновке в хвостовом отсеке симметрично относительно продольной оси в случае выхода из строя одной камеры сгорания или ТНА при возникновении эксцентриситета тяги такая компоновка позволяет сохранить работоспособность ДУ в целом за счет изменения режима работы оставшихся камер сгорания.

В случае использования таких двигателей для перспективных ДУ с кольцевыми камерой и соплом, имеющим центральное тело, вокруг которого размещено большое количество камер сгорания, и для ДУ линейной конструкции значительно снижается надежность ДУ в целом и возрастает ее масса. Это связано с тем, что каждая камера сгорания имеет свой ТНА.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является многокамерная ДУ с турбонасосной системой подачи компонентов топлива, содержащая несколько камер сгорания, не менее одного ТНА и газогенератора, трубопроводы обвязки с запорно-регулирующей арматурой и коллекторы подачи рабочих тел в камеры сгорания и их рубашки охлаждения (см. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей./Под редакцией Г.Г.Гахуна. М. Машиностроение, 1989, с. 81, рис. 5.1, с. 85, рис. 5.3).

Известная ДУ частично устраняет недостаток ДУ аналога за счет объединения нескольких камер сгорания, питающихся от одного ТНА, в модуль. Это приводит к уменьшению количества ТНА вследствие оптимизации их количества, приводящей к некоторому повышению надежности и снижению общей массы ДУ.

Недостаток известной ДУ при использовании ее для перcпективных ДУ заключается в сохрании высокой вероятности выхода из строя одного ТНА любого модуля и связанном с этим отключении камер сгорания этого модуля, приводящем к резкому эксцентриситету тяги и возникновению моментов вращения космического корабля, устранить или компенсировать которые становится проблематично. Так, например, для ДУ с кольцевыми камерами и соплом, имеющим центральное тело, вокруг которого на большом радиусе размещено большое количество камер сгорания, необходимо отключить симметричный ему модуль. Отключение двух модулей может значительно уменьшить тягу ДУ в целом, что значительно затрудняет выполнение программы полета МТКК. Такие же проблемы возникают и при использовании модульных ДУ для ДУ линейной конструкции.

Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении надежности многокамерной ДУ с турбонасосной системой подачи компонентов топлива в случае выхода из строя ТНА.

Это достигается тем, что в многокамерной ДУ с турбонасосной системой подачи компонентов ДУ с турбонасосной системой подачи компонентов топлива, содержащей несколько модулей, каждый из которых объединяет несколько камер сгорания, не менее одного ТНА и газогенератора, трубопроводы обвязки с запорно-регулирующей арматурой и коллекторы подачи рабочего тела в камеру сгорания и их рубашки охлаждения, согласно изобретению соответствующие одноименные коллекторы каждого модуля последовательно соединены друг с другом. Кроме того, коллекторы соединены через запорные органы.

Изобретение может быть использовано как для ДУ с ЖРД без дожигания газогенераторного газа, так и для ДУ с ЖРД с дожиганием газогенераторного газа.

На чертеже изображена принципиальная пневмогидравлическая схема многокамерной ДУ с турбонасосной системой подачи компонентов топлива с дожиганием газогенераторного газа, которая может быть использована в перспективных ДУ с ЖРД, имеющим центральное тело, вокруг которого по кольцу размещены 24 камеры, объединенные в модуль, например, по четыре камеры с одним ТНА и газогенератором, и в ЖРД линейной конструкции.

Многокамерная ДУ (на компонентах жидкий водород и кислород), содержит шесть одинаковых модулей (они идентичны). В первый модуль входит ТНА 1¹, вход Г насоса которого соединен с баком жидкого водорода (не показан), а выход из насоса трубопроводом 2¹ соединен с коллектором 3¹ подвода жидкого водорода в рубашку охлаждения. Выход из рубашки охлаждения соединен с коллектором 4¹ отвода жидкого водорода, который трубопроводом 5¹ соединен с газогенератором 6¹. Вход первой ступени насоса окислителя соединен с баком жидкого кислорода (не показан), а выход из насоса окислителя трубопроводом 7¹ соединен с коллектором 8¹ подачи жидкого кислорода и трубопроводом 9¹ с входом второй ступени насоса окислителя, выход из которого соединен трубопроводом 10¹ с газогенератором 6¹. Выход из газогенератора 6¹ соединен с входом в турбину ТНА1¹, выход из которой трубопроводом 11¹ соединен с коллектором 12¹ подачи газогенераторного газа в камеры 13¹₁-13₄¹ сгорания. Газогенератор 6¹ работает с избытком горючего.

Одновременные коллекторы всех модулей: 3¹-3⁶, 4¹-4⁶, 8¹-8⁶ и 12¹-12⁶ последовательно соединены друг с другом через запорные органы 14¹-14⁵, 15¹-15⁵, 16¹-16⁵ и 17¹-17⁵ соотвественно. На трубопроводах 2¹, 7¹ и 11¹ перед коллекторами 3¹, 8¹ и 12¹ установлены обратные клапаны 18¹, 19¹ и 20¹ соответственно. Для упрощения схемы на чертеже изображена только часть запорно-регулирующей аппаратуры.

В исходном состоянии запорные органы 14¹-14⁵, 15¹-15⁵, 16¹-16⁵ и 17¹-17⁵ на коллекторах 3¹-3⁶, 4¹-4⁶, 8¹-8⁶ и 12¹-12⁶ закрыты. (Для ДУ с ЖРД с центральным телом коллекторы 3¹, 4¹, 8¹ и 12¹ соединены соответственно с коллекторами 3⁶, 4⁶, 8⁶ и 12⁶ через запорные клапаны 14⁶, 15⁶, 16⁶ и 17⁶). Запуск ДУ осуществляется следующим образом. Жидкий водород и кислород под давлением гидростатического столба (или давления наддува) из соответствующих баков при октрытых отсечных клапанах (не показаны) поступают в насосы ТНА1¹-ТНА1⁶ всех модулей. Жидкий кислород заполняет обе ступени насоса окислителя ТНА1¹: с выхода насоса первой ступени часть кислорода поступает по трубопроводу 9¹ на вход второй ступени и затем по трубопроводу 10¹ в газогенератор 6¹. С выхода первой ступени насоса основная часть кислорода поступает по трубопроводу 7¹ в коллектор 8¹, из которого он поступает в головки камер 13₁¹-13₄¹ сгорания. Жидкий водород с выхода насоса горючего ТНА1¹ поступает по трубопроводу 2¹ в коллектор 3¹, затем в рубашку охлаждения камер 13₁¹-13₄¹ сгорания, из которых в коллектор 4¹ отвода жидкого водорода, а из него по трубопроводу 5¹ в газогенератор 6¹, где поступающие оба компонента воспламеняют. В результате сгорания компонентов топлива в газогенераторе 6¹ образующиеся газы (с избытком горючего) поступают на турбину ТНА1¹, раскручивая его насосы. Отработанный газогенераторный газ по трубопроводу 11¹ поступает в коллектор 12¹ и затем в головки камер 13₁¹-13₄¹ сгорания. В них производят воспламенение компонентов, организуя рабочий процесс. Давление за насосами окислителя и горючего повышается. С увеличением расходов компонентов в камерах сгорания и на их охлаждение повышаются давление и температура в них. Они выходят на режим. Аналогично и одновременно происходят запуск и выход на режим камер сгорания остальных модулей.

Поскольку при запуске и выходе на режим запорные органы 14¹-14⁵, 15¹-15⁵, 16¹-16⁵ и 17¹-17⁵ на соответствующих коллекторах 3¹-3⁶, 4¹-4⁶, 8¹-8⁶ и 12¹-12⁶ закрыты, это упрощает как отработку запуска модулей и ДУ в целом за счет исключения влияния нестационарных и переходных процессов, происходящих в разных модулях, друг на друга, так и сам запуск. В этом случае запуск модуля аналогичен запуску модуля прототипа. После выхода на режим и при нормальной работе агрегатов и систем всех модулей запорные органы 14¹-14⁵, 15¹-15⁵, 16¹-16⁵ и 17¹-17⁵ открывают и все камеры сгорания всех модулей работают от общих объединенных коллекторов.

Рассмотрим работу ДУ при нештатных ситуациях.

Выход из строя одной камеры сгорания любого модуля. В этом случае, как и в прототипе, срабатывает автоматика, которая закрывает отсечные запорные органы на магистралях, питающих рабочими телами камеру сгорания, и осуществляют продувку ее полостей инертными газами. Кроме того, система управления автоматически отслеживает изменение суммарной тяги модуля и ДУ в целом, а также величину эксцентриситета тяги с последующим либо отключением камеры сгорания в другом модуле, симметричной относительно продольной оси их установки, либо форсированием работы оставшихся камер сгорания в модуле, т.е. в данном случае ДУ сохраняет то же достоинство, что и прототип.

Выход из строя ТНА одного из модулей. При выходе из строя по тем или иным причинам любого агрегата ТНА (например, ТНА1¹) его отключают от баков закрытием отсечных клапанов на трубопроводах питания до и после насосов до коллекторов с последующей продувкой полостей и трубопроводов инертными газами. После падения давления в трубопроводах 2¹, 7¹ и 11¹ обратные клапаны 18¹, 19¹ и 20¹ автоматически закрываются давлением в коллекторах 3¹, 8¹ и 12¹, а клапан 21¹ по команде от системы управления, и камеры 13¹₁-13¹₄ сгорания продолжают работать от объединенных коллекторов. Это новое по сравнению с прототипом преимущество значительно повышает работоспособность и живучесть ДУ в целом, что особенно важно для перспективных ДУ МТКК.

Выход из строя любого коллектора одного из модулей, например 2. По команде системы управления такой модуль отключается от объединенных коллекторов закрытием клапанов 14¹, 14², 15¹, 15², 16¹, 16², 17¹ и 17² и установка переходит на режим работы, соответствующий этому нештатному состоянию.

Формула изобретения

1. МНОГОКАМЕРНАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА С ТУРБОНАСОСНОЙ СИСТЕМОЙ ПОДАЧИ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВА, содержащая отдельные модули, в каждом из которых сблокированы несколько камер сгорания, не менее одного турбонасосного агрегата и газогенератора, трубопроводы обвязки с запорно-регулирующей арматурой и коллекторы подачи компонентов топлива в камеры сгорания и их рубашки охлаждения, отличающаяся тем, что соответствующие коллекторы подачи одноименных компонентов каждого модуля последовательно соединены друг с другом.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что коллекторы соединены через запорные органы.

РИСУНКИ

Рисунок 1