RU2211938C1 - Method of operation of liquid-propellant rocket engine with closed steam-liquid contour in turbopump delivery system - Google Patents

Method of operation of liquid-propellant rocket engine with closed steam-liquid contour in turbopump delivery system Download PDF

Info

Publication number
RU2211938C1
RU2211938C1 RU2002104478/06A RU2002104478A RU2211938C1 RU 2211938 C1 RU2211938 C1 RU 2211938C1 RU 2002104478/06 A RU2002104478/06 A RU 2002104478/06A RU 2002104478 A RU2002104478 A RU 2002104478A RU 2211938 C1 RU2211938 C1 RU 2211938C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
liquid
steam
water
turbine
pump
Prior art date
Application number
RU2002104478/06A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В.Т. Буканов
И.А. Клепиков
В.В. Мирошкин
В.И. Прищепа
Original Assignee
Буканов Владислав Тимофеевич
Клепиков Игорь Алексеевич
Мирошкин Вячеслав Васильевич
Прищепа Владимир Иосифович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Буканов Владислав Тимофеевич, Клепиков Игорь Алексеевич, Мирошкин Вячеслав Васильевич, Прищепа Владимир Иосифович filed Critical Буканов Владислав Тимофеевич
Priority to RU2002104478/06A priority Critical patent/RU2211938C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2211938C1 publication Critical patent/RU2211938C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

FIELD: rocket engines. SUBSTANCE: according to proposed method working steam for operation of turbine is obtained from water using heat of rocket propellant combustion products. Steam is operated to pressure of 0.6-4.0 MPa. Used steam is cooled using cold of oxidizer and condensate is returned into water pump. EFFECT: prevention of freezing of water condensate at high pressure level in chamber. 2 dwg

Description

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям (ЖРД), конкретно к ЖРД с турбонасосной подачей топлива, состоящего из раздельно хранимых окислителя и горючего; по крайней мере, один из этих топливных компонентов (окислитель) является криогенным. The invention relates to liquid-propellant rocket engines (LRE), specifically to a turbo-pumped liquid propellant rocket engine, consisting of separately stored oxidizer and fuel; at least one of these fuel components (oxidizing agent) is cryogenic.

Известен способ работы ЖРД с замкнутым парожидкостным контуром в системе турбонасосной подачи, при котором рабочий пар для турбины получают из воды с использованием теплоты от продуктов сгорания ракетного топлива, а сработавший пар охлаждают, используя для этого хладоресурс окислителя, и полученный конденсат возвращают в водяной насос: см. патент RU 2155273 С1, 18.08.1999, фиг.1 - прототип изобретения. A known method of operation of a liquid-propellant rocket engine in a turbopump supply system, in which working steam for a turbine is obtained from water using heat from the products of rocket fuel combustion, and the generated steam is cooled using an oxidizer coolant, and the condensate is returned to the water pump: see patent RU 2155273 C1, 08/18/1999, figure 1 - prototype of the invention.

Способ работы ЖРД с замкнутым парожидкостным контуром в системе турбонасосной подачи включает рабочий цикл Ренкина, в начале которого получают перегретый пар для совершения необходимой работы на турбине, а в конце цикла отдают поступающему в ЖРД холодному топливу неиспользованную теплоту отработавшего пара с тем, чтобы охладить (сконденсировать) его до степени, гарантирующей бескавитационную работу соответствующего насоса. В конечном счете обеспечивают теплоэнергетический баланс между несколькими функциональными элементами (системами) ЖРД:
- источниками (системой генерирования) теплоты для получения рабочего пара турбины;
- турбонасосным агрегатом (ТНА) для подачи рабочих тел;
- источником холода (системой охлаждения) для конденсации отработавшего турбинного пара.
The method of operation of a closed-liquid-liquid propellant liquid propellant rocket engine in a turbopump supply system includes a Rankine duty cycle, at the beginning of which superheated steam is obtained to perform the necessary work on the turbine, and at the end of the cycle, the unused heat of the spent steam entering the liquid propellant rocket is cooled to condense (condense ) it to the extent guaranteeing cavitation-free operation of the corresponding pump. Ultimately, they provide a heat and energy balance between several functional elements (systems) of the liquid propellant rocket engine:
- sources (system of generation) of heat to obtain the working steam of the turbine;
- turbopump unit (TNA) for supplying working fluid;
- a cold source (cooling system) for condensation of spent turbine steam.

Функционирование каждого из указанных элементов требует, в свою очередь, соблюдения внутреннего баланса между поступающей и расходуемой энергией. В частности, в ТНА необходимо обеспечить равенство между располагаемой мощностью турбины и суммарной мощностью насосов окислителя, горючего и конденсированного продукта (в нашем случае - воды). The functioning of each of these elements requires, in turn, the observance of an internal balance between the incoming and outgoing energy. In particular, in TNA, it is necessary to ensure equality between the available capacity of the turbine and the total capacity of the oxidizer pumps, fuel, and condensed product (in our case, water).

Принципиальным достоинством способа работы ЖРД с замкнутым парожидкостным контуром в системе турбонасосной подачи является отсутствие потерь удельного импульса тяги (Iу) двигателя на привод ТНА, поскольку отработавший (то есть энергетически обесценившийся) пар турбины подают повторно - после конденсации - в рабочий контур, а не выбрасывают из двигателя через выхлопную систему. Благодаря этому величины Iу для двигателя и для камеры (синоним понятия "тяговая камера") совпадают. Это достоинство способа-прототипа сочетается с характерными для него умеренными напорами топливных насосов, что удешевляет разработку и изготовление ЖРД.The principal advantage of the operation of a liquid-propellant liquid-propellant liquid propellant rocket engine in a turbopump supply system is the absence of loss of specific thrust impulse (I у ) of the engine to the TNA drive, since exhausted (i.e., energy-depreciating) steam turbines are fed back to the working circuit after condensation, rather than thrown out of the engine through the exhaust system. Due to this, the values of I y for the engine and for the camera (synonymous with the concept of "traction chamber") coincide. This advantage of the prototype method is combined with moderate pressure of fuel pumps characteristic of it, which makes the development and manufacture of liquid propellant engines cheaper.

При выборе рабочим телом для турбины водяного пара исходят из того, что воду можно греть без опасения диссоциации вплоть до температуры, при которой сохраняется целостность конструкции турбины. Неохлаждаемые газовые турбины, применяемые в современных ЖРД, работают при входной температуре рабочего тела Тот = 600 - 1100 К. Водяной пар, нагретый до столь высокой температуры, дает большую величину адиабатической работы на турбине (Lад), а следовательно, обеспечивается высокая мощность турбины при малом расходе водяного пара

Figure 00000002
. Этот малый расход вместе с высокой плотностью водяного конденсата обусловливаeт малые затраты энергии на привод насоса для рабочего тела турбины (свыше 90% мощности которой может расходоваться в полезных целях - на привод топливных насосов). В итоге энергетический баланс ЖРД может достигаться при высоком уровне давления в камере (рк), которому соответствуют высокие значения параметра Iу. Малая величина
Figure 00000003
облегчает также задачу конденсации пара.When choosing a water vapor turbine for a working fluid, it is assumed that water can be heated without fear of dissociation up to a temperature at which the turbine design remains intact. Uncooled gas turbines used in modern rocket engines operate at an inlet temperature of the working fluid T from = 600 - 1100 K. Water vapor heated to such a high temperature gives a large amount of adiabatic operation on the turbine (L ad ), and therefore, high power is provided turbines with low water consumption
Figure 00000002
. This low flow rate, together with the high density of water condensate, results in low energy costs for pump drive for the turbine working fluid (over 90% of the power of which can be spent for useful purposes - for fuel pump drive). As a result, the energy balance of the rocket engine can be achieved at a high level of pressure in the chamber (p to ), which corresponds to high values of the parameter I y . Small value
Figure 00000003
also facilitates the task of condensation of steam.

Однако при всех перечисленных достоинствах способа-прототипа с использованием водяного парожидкостного контура при осуществлении этого способа на практике оказывается невозможным в полной мере использовать потенциальную химическую энергию ракетного топлива для получения высоких значений Iу. Этот недостаток предопределен тем, что при реализации известного способа возникает опасность локального замерзания водяного конденсата в процессе его образования на конечном этапе рабочего цикла Ренкина. Эта опасность возникает из-за весьма низкой температуры жидкого кислородного окислителя, которым конденсируют отработавший на турбине пар.However, with all of the advantages of the prototype method using an aqueous vapor-liquid circuit, when using this method in practice, it turns out to be impossible to fully use the potential chemical energy of rocket fuel to obtain high values of I y . This disadvantage is predetermined by the fact that when implementing the known method there is a danger of local freezing of water condensate in the process of its formation at the final stage of the Rankine working cycle. This danger arises from the very low temperature of the liquid oxygen oxidizing agent, which condenses the steam exhausted on the turbine.

Именно ввиду указанной опасности авторы способа-прототипа предпочли воде аммиак, несмотря на присущее ему ограничение по нагреву (равновесная температура диссоциации аммиака составляет всего 520 К: см. упомянутый патент RU 2155273 С1, 18.08.1999, колонки 10, 11). Тогда же было предложено во избежание замерзания конденсата осуществлять предварительный подогрев криогенного кислородного охладителя продуктами сгорания ракетного топлива. При этом, однако, оставшегося хладоресурса хватает на конденсацию лишь небольшого расхода отработавшего пара, и вследствие такого ограничения по расходу рабочего тела турбины энергетический баланс ЖРД обеспечивается лишь при невысоком давлении в камере (менее 10 МПа). Это обусловливает невысокие значения параметра Iу для способа-прототипа, что лишает его практической целесообразности.It is in view of this danger that the prototype method preferred ammonia over water, despite its inherent restriction on heating (the equilibrium temperature of ammonia dissociation is only 520 K: see the mentioned patent RU 2155273 C1, 08/18/1999, columns 10, 11). At the same time, it was proposed to prevent freezing of condensate to preheat the cryogenic oxygen cooler with the combustion products of rocket fuel. At the same time, however, the remaining refrigeration resource is enough to condense only a small flow rate of the exhaust steam, and due to such a restriction on the flow rate of the turbine working fluid, the energy balance of the LRE is ensured only at a low pressure in the chamber (less than 10 MPa). This leads to low values of the parameter I y for the prototype method, which deprives it of practical expediency.

Изобретение решает техническую задачу исключения замерзания водяного конденсата при высоком уровне давления в камере. The invention solves the technical problem of preventing freezing of water condensate at a high pressure level in the chamber.

Поставленная техническая задача решается тем, что в способе работы ЖРД с замкнутым парожидкостным контуром в системе турбонасосной подачи, при котором рабочий пар для турбины получают из воды с использованием теплоты от продуктов сгорания ракетного топлива, а сработавший пар охлаждают, используя для этого хладоресурс окислителя, и полученный конденсат возвращают в водяной насос, согласно изобретению, пар срабатывают до давления 0,6-4,0 МПа. The stated technical problem is solved in that in the operation method of a liquid-propellant liquid-propellant rocket engine in a turbopump supply system, in which working steam for a turbine is obtained from water using heat from the products of rocket fuel combustion, and the generated steam is cooled using an oxidizer coolant, and the condensate obtained is returned to the water pump, according to the invention, the steam is triggered to a pressure of 0.6-4.0 MPa.

При осуществлении изобретения ожидается технический результат, совпадающий с сущностью решаемой задачи. When carrying out the invention, a technical result is expected that coincides with the essence of the problem being solved.

Изобретение поясняется фиг.1 и 2, где представлены:
- на фиг. 1 - функциональная схема ЖРД, выполненного в соответствии с предложенным способом;
- на фиг.2 - графики взаимосвязи для ряда характеристик водяного парожидкостного контура.
The invention is illustrated in figures 1 and 2, which presents:
- in FIG. 1 is a functional diagram of a rocket engine made in accordance with the proposed method;
- figure 2 - graphs of the relationship for a number of characteristics of the water vapor-liquid circuit.

Согласно фиг.1, ЖРД содержит создающую тяговое усилие камеру 1 с форсуночной головкой 1А, камерой сгорания 1Б и сверхзвуковым реактивным соплом 1В. Корпус камеры образован двумя соосными оболочками (внешней и внутренней), формирующими тракт 1Г для протока охладителя. Для подачи топлива в двигателе предусмотрен ТНА, который содержит двухступенчатый насос кислородного окислителя (сжиженного кислорода) 2, двухступенчатый насос углеводородного горючего (например, керосина) 3, водяной насос 4 и паровую турбину 5. В целях получения рабочего пара турбины предусмотрен газогенератор 6 со смонтированным на его выходе теплообменником-нагревателем 7; они сообщены газоводом 8 с форсуночной головкой 1А камеры. Таким образом, газогенератор, теплообменник-нагреватель и камера являются участками общего газодинамического канала. Форсуночная головка 6А газогенератора соединена со второй ступенью насоса 2 посредством трубопровода 9 и соединена также со второй ступенью насоса 3 посредством магистрали 10 с размещенным в ней дросселем 11. Форсуночная головка 1А камеры подключена к первой ступени насоса 3 через магистраль 12 с размещенным в ней дросселем 13 и подключена также к первой ступени насоса 2 через магистраль 14 с размещенным в ней теплообменником-конденсатором 15. Магистраль 14 может сообщаться (после теплообменника-конденсатора) посредством трубопровода 14а с предусмотренным в газоводе 8 балластировочным поясом 8а. According to figure 1, the liquid propellant rocket engine produces a traction force chamber 1 with a nozzle head 1A, a combustion chamber 1B, and a supersonic jet nozzle 1B. The camera body is formed by two coaxial shells (external and internal), forming a 1G path for the cooler duct. To supply fuel in the engine, a TNA is provided, which contains a two-stage pump of an oxygen oxidizer (liquefied oxygen) 2, a two-stage pump of hydrocarbon fuel (for example, kerosene) 3, a water pump 4 and a steam turbine 5. In order to obtain a working steam of the turbine, a gas generator 6 with a mounted at its exit, heat exchanger-heater 7; they are communicated by the gas duct 8 with the nozzle head 1A of the chamber. Thus, the gas generator, the heat exchanger-heater and the chamber are parts of a common gas-dynamic channel. The nozzle head 6A of the gas generator is connected to the second stage of the pump 2 by means of a pipe 9 and is also connected to the second stage of the pump 3 via the line 10 with the throttle 11. The nozzle head 1A of the chamber is connected to the first stage of the pump 3 through the line 12 with the throttle 13 and is also connected to the first stage of the pump 2 through the line 14 with the heat exchanger-condenser 15 located in it. The line 14 can communicate (after the heat exchanger-condenser) by means of a pipe 14a with otrennym in gazovode 8 ballasting belt 8a.

Для привода ТНА предусмотрен замкнутый парожидкостный контур водяного рабочего тела, включающий вышеупомянутые насос 4 и турбину 5. Выход водяного насоса сообщен с входом теплообменника-нагревателя 7 двумя параллельными магистралями. Одна из них включает последовательно расположенные трубопровод 16, охлаждающий тракт 1Г камеры и трубопровод 17. Другая магистраль включает трубопровод 18, охлаждающую рубашку 6Б газового тракта 6-7-8, трубопровод 19, теплообменник-экономайзер 20 и трубопровод 21. Его выход вместе с выходом трубопровода 17 подключен к смесителю 22, а тот посредством трубопровода 23 сообщен с входом теплообменника-нагревателя 7. Выход последнего подключен трубопроводом 24 к входу турбины 5. Ее выход сообщен трубопроводом 25 с входом теплообменника-экономайзера 20, выход которого соединен трубопроводом 26 с входом теплообменника-конденсатора 15. Его выход сообщен трубопроводом 27 с входом насоса 4. Таким образом, насос 4 вместе с турбиной 5, теплообменниками 7, 15, 20, охлаждающим трактом 1Г камеры и соответствующими соединительными магистралями образует замкнутый контур для циркуляции водяного рабочего тела, претерпевающего фазовые превращения. В целях регулирования мощности турбины в контуре предусмотрена байпасная паровая магистраль с дросселем 28. To drive the TNA, a closed vapor-liquid circuit of the water working fluid is provided, including the aforementioned pump 4 and a turbine 5. The output of the water pump is connected to the input of the heat exchanger-heater 7 by two parallel lines. One of them includes a consecutively located pipeline 16, a cooling channel 1G of the chamber and a pipe 17. Another highway includes a pipe 18, a cooling jacket 6B of the gas path 6-7-8, a pipe 19, an heat exchanger-economizer 20, and a pipe 21. Its output together with the output the pipe 17 is connected to the mixer 22, and that through the pipe 23 is communicated with the input of the heat exchanger-heater 7. The output of the latter is connected by the pipe 24 to the input of the turbine 5. Its output is communicated by the pipe 25 with the input of the heat exchanger-economizer 20, the output otorogo connected by a pipe 26 to the input of the heat exchanger-condenser 15. Its output is communicated by a pipe 27 to the input of the pump 4. Thus, the pump 4 together with the turbine 5, heat exchangers 7, 15, 20, the cooling path 1G of the chamber and the corresponding connecting lines forms a closed loop for circulation of a water working fluid undergoing phase transformations. In order to regulate the power of the turbine in the circuit provides a bypass steam line with a throttle 28.

Описанный ЖРД работает следующим образом. Окислитель ракетного топлива (сжиженный кислород) поступает в насос 2, из которого часть жидкости по трубопроводу 9 подают в форсуночную головку 6А газогенератора 6. Туда же по магистрали 10 из насоса 3 подают часть поступающего (керосинового) горючего, которое сгорает в окислителе с избытком последнего. Генерируемый окислительный газ (с начальной температурой порядка 2000 К) поступает в тракт теплообменника-нагревателя 7 и далее по газоводу 8 - в форсуночную головку 1А камеры. Туда же по магистралям 12 и 14 подают из насосов 3 и 2 остальную массу топлива, расходуемого ЖРД. Эту массу дожигают в камере сгорания 1Б окислительным газом, и образующиеся высокотемпературные продукты поступают в реактивное сопло 1В, истекая из которого, создают тягу. При необходимости часть окислителя из насоса 2 после прохождения теплообменника-конденсатора 15 может вводиться по трубопроводу 14а через балластировочный пояс 8а в газовод 8, чем достигается снижение температуры окислительного газа перед его подачей в форсуночную головку 1А. The described LRE works as follows. The rocket fuel oxidizer (liquefied oxygen) enters the pump 2, from which part of the liquid is fed through the pipe 9 to the nozzle head 6A of the gas generator 6. There along the line 10, part of the incoming (kerosene) fuel is fed from the pump 3, which burns in the oxidizer with an excess of the latter . The generated oxidizing gas (with an initial temperature of about 2000 K) enters the path of the heat exchanger-heater 7 and then through the gas duct 8 to the nozzle head 1A of the chamber. The rest of the mass of fuel consumed by the liquid propellant rocket engine is fed there along lines 12 and 14 from pumps 3 and 2. This mass is burned in the combustion chamber 1B with oxidizing gas, and the resulting high-temperature products enter the jet nozzle 1B, flowing out of which, they create a draft. If necessary, part of the oxidizer from the pump 2 after passing through the heat exchanger-condenser 15 can be introduced through the pipe 14a through the ballasting belt 8a into the gas duct 8, thereby reducing the temperature of the oxidizing gas before it is fed to the nozzle head 1A.

Циркулирующее в замкнутом контуре водяное рабочее тело распределяют после насоса 4 по двум параллельным магистралям. Часть общего расхода воды подают по трубопроводу 16 в охлаждающий тракт 1Г камеры, где при нагревании жидкость обращают в пар, который поступает по трубопроводу 17 в смеситель 22. Туда же поступает остальная часть водяного рабочего тела, перекачиваемого насосом 4. Эту часть подают насосом по трубопроводу 18 в охлаждающую рубашку 6Б газового тракта 6-7-8 и далее по трубопроводу 19 в теплообменник-экономайзер 20. Здесь поступающую воду дополнительно нагревают отработавшим паром турбины 5 (см. ниже), после чего по трубопроводу 21 направляют в смеситель 22. Из него общая масса водяного рабочего тела поступает по трубопроводу 23 в тракт теплообменника-нагревателя 7. Полученный в нем перегретый пар подают по трубопроводу 24 на турбину 5, приводящую насосы 2, 3, 4. Пар срабатывают на турбине до давления 0,6-4,0 МПа, после чего подают по трубопроводу 25 в теплообменник-экономайзер 20. Здесь отработавший пар отдает часть своей теплоты свежему рабочему телу, и затем пар по трубопроводу 26 подают в теплообменник-конденсатор 15. Здесь за счет теплообмена с жидким кислородным окислителем пар обращают в жидкость, и полученный водяной конденсат по трубопроводу 27 сбрасывают на вход насоса 4. Далее описанный цикл водяного рабочего тела повторяется. The water working fluid circulating in a closed circuit is distributed after pump 4 along two parallel lines. A part of the total water flow rate is supplied through pipeline 16 to the cooling path 1G of the chamber, where when heated, the liquid is turned into steam, which enters through the pipe 17 to the mixer 22. The rest of the water working medium pumped by the pump 4 also goes there. This part is pumped by the pipeline 18 to the cooling jacket 6B of the gas path 6-7-8 and then through the pipe 19 to the heat exchanger-economizer 20. Here, the incoming water is additionally heated by the exhaust steam of the turbine 5 (see below), after which it is sent to the mixer 22 via the pipe 21 From it, the total mass of the water working fluid enters through the pipe 23 to the path of the heat exchanger-heater 7. The superheated steam obtained in it is fed through the pipe 24 to the turbine 5, leading the pumps 2, 3, 4. The steam is activated on the turbine to a pressure of 0.6- 4.0 MPa, after which it is fed through a pipe 25 to a heat exchanger-economizer 20. Here, the spent steam gives part of its heat to a fresh working fluid, and then the steam is fed through a pipe 26 to a heat exchanger-condenser 15. Here, due to heat exchange with a liquid oxygen oxidizer, steam turned into a liquid, and The resulting water condensate is discharged through the pipeline 27 to the inlet of the pump 4. Next, the described cycle of the water working fluid is repeated.

Регулирование ЖРД осуществляют воздействием на дроссели 11, 13 и 28. Первый из них обеспечивает температурную настройку газогенератора 6. Воздействием на второй дроссель достигается синхронное опорожнение топливных баков в летательном аппарате с ЖРД. Третий дроссель используют для настройки и регулирования тяги. The regulation of the LRE is carried out by acting on the throttles 11, 13 and 28. The first of them provides the temperature setting of the gas generator 6. By acting on the second throttle, synchronous emptying of the fuel tanks in the aircraft with the LRE is achieved. The third throttle is used to adjust and regulate traction.

Сущность изобретения не исчерпывается приведенной на фиг.1 схемой; в конкретных случаях могут использоваться другие частные технические решения:
- отработавший пар турбины можно охлаждать не только окислителем, но и горючим ракетного топлива;
- количество рабочих колес в насосах и турбине может быть различным;
- теплообменник-экономайзер (20) может не понадобиться;
- не обязательным является дополнительный к камере источник теплоты для нагрева рабочего тела турбины; на фиг.1 этот дополнительный источник выполнен в виде окислительного газогенератора (6); в случае генерирования восстановительного газа он может разбавляться в газоводе (8) жидким горючим и т.д.
The invention is not limited to the scheme shown in figure 1; in specific cases, other private technical solutions may be used:
- the exhaust steam of the turbine can be cooled not only by an oxidizing agent, but also by combustible rocket fuel;
- the number of impellers in the pumps and turbine may be different;
- a heat exchanger-economizer (20) may not be needed;
- optional is a heat source additional to the chamber for heating the turbine working fluid; figure 1, this additional source is made in the form of an oxidizing gas generator (6); in the case of generating a reducing gas, it can be diluted in the gas duct (8) with liquid fuel, etc.

Проблема замерзания водяного конденсата решена в изобретении путем оптимизации используемого цикла Ренкина по величине давления на выходе турбины (р). На фиг. 2 показано как влияет этот параметр на следующие важные характеристики:
- относительный расход водяного рабочего тела в парожидкостном контуре (mотн);
- относительная рабочая поверхность теплообменника-конденсатора (sотн) противоточной схемы;
- минимальная температура стенки теплообменника-конденсатора со стороны водяного рабочего тела (tст).
The problem of freezing water condensate is solved in the invention by optimizing the used Rankine cycle in terms of the pressure at the turbine outlet (p 2T ). In FIG. Figure 2 shows how this parameter affects the following important characteristics:
- the relative flow rate of the aqueous working fluid in the vapor-liquid circuit (m rel );
- the relative working surface of the heat exchanger-condenser (s rel ) countercurrent circuit;
- the minimum wall temperature of the heat exchanger-condenser from the side of the water working fluid (t article ).

Прежде чем комментировать представленные графики напомним, что обеспечение энергобаланса системы подачи является лишь одним из условий функционирования ЖРД с замкнутым парожидкостным контуром. Другим необходимым условием является достаточность и практическая возможность использования хладоресурса топлива для конденсации отработавшего пара турбины с возвратом полученного водяного конденсата в рабочий цикл. В общем случае основной хладоресурс топлива сосредоточен в криогенном кислородном окислителе, имеющем на выходе из насоса температуру ≈100 К. Первейшим критическим фактором в технической реализации рассматриваемого способа оказывается теплообменник-конденсатор, размеры и масса которого могут достигать неприемлемых величин. Этот агрегат в общем случае содержит три рабочих участка: охлаждения перегретого водяного пара до температуры насыщения или начала конденсации (участок 1), собственно конденсации (участок 2) и охлаждения конденсата для обеспечения бескавитационной работы водяного насоса (участок 3). Before commenting on the presented graphs, we recall that ensuring the energy balance of the supply system is only one of the conditions for the operation of a liquid-propellant rocket engine with a closed vapor-liquid circuit. Another necessary condition is the sufficiency and practical feasibility of using the fuel coolant to condense the exhaust steam of the turbine with the return of the resulting water condensate to the operating cycle. In the general case, the main coolant of the fuel is concentrated in a cryogenic oxygen oxidizer having a temperature of ≈100 K at the pump outlet. The first critical factor in the technical implementation of the method under consideration is a heat exchanger-condenser, the dimensions and mass of which can reach unacceptable values. This unit generally contains three working sections: cooling the superheated water vapor to the saturation temperature or the onset of condensation (section 1), condensation itself (section 2) and cooling the condensate to ensure cavitation-free operation of the water pump (section 3).

Сложный характер графиков на фиг.2 обусловлен действием ряда противоречивых факторов. В частности:
- со снижением р2T при сохранении начального давления (то есть с увеличением срабатываемого перепада давлений на турбине πт) возрастает работа Lад с сопутствующим снижением

Figure 00000004
, и температура отработавшего пара (Т2T) снижается, что выгодно для габаритно-массовых характеристик теплообменника-конденсатора; но соответственно снижается и температура водяного конденсата (
Figure 00000005
), выше которой нельзя нагреть охлаждающий кислород (сокращается располагаемый хладоресурс криогенного окислителя);
- повышение параметра Tот благоприятно сказывается на тепловом балансе системы охлаждения вследствие снижения
Figure 00000006
, однако получаемый выигрыш снижается из-за того, что температура отработавшего пара (T2T) отдаляется от кривой начала конденсации;
- для снижения затрат энергии на привод водяного насоса и особенно для улучшения теплового баланса системы охлаждения необходимо снижать
Figure 00000007
, однако со снижением этого параметра падают кпд водяного насоса и кпд турбины;
- с увеличением величины πт при неизменном параметре р2T величина Lад возрастает лишь до некоторого предела, после чего уменьшается; кроме того, возрастают затраты мощности на водяной насос и снижается кпд турбины (вследствие повышения начальной плотности пара и возможного появления в турбинном тракте конденсированной фазы).The complex nature of the graphs in figure 2 is due to the action of a number of conflicting factors. In particular:
- with a decrease in p 2T while maintaining the initial pressure (that is, with an increase in the triggered pressure drop across the turbine π t ), the work L hell increases with a concomitant decrease
Figure 00000004
, and the temperature of the exhaust steam (T 2T ) is reduced, which is beneficial for the overall mass characteristics of the heat exchanger-condenser; but the temperature of the water condensate also decreases (
Figure 00000005
) above which cooling oxygen cannot be heated (the available cold resource of the cryogenic oxidizer is reduced);
- an increase in the parameter T from favorably affects the thermal balance of the cooling system due to a decrease
Figure 00000006
however, the gain is reduced due to the fact that the temperature of the exhaust steam (T 2T ) is moving away from the curve of the beginning of condensation;
- to reduce energy costs for driving a water pump and especially to improve the heat balance of the cooling system, it is necessary to reduce
Figure 00000007
however, with a decrease in this parameter, the efficiency of the water pump and the efficiency of the turbine fall;
- with an increase in π t with a constant parameter p 2T, the value of L hell increases only to a certain limit, and then decreases; in addition, the power consumption for the water pump increases and the efficiency of the turbine decreases (due to an increase in the initial vapor density and the possible appearance of a condensed phase in the turbine path).

Графики на фиг. 2 определяют диапазон р2T=0,6-4,0 МПа как наиболее целесообразный для работы ЖРД с циклом Ренкина на водяном паре:
- указанному диапазону р2T соответствуют положительные значения параметра tст, что позволяет не опасаться замерзания водяного конденсата при охлаждении отработавшего пара турбины;
- в указанном диапазоне р2T располагаются минимальные значения параметра sотн, то есть достигаются наилучшие габаритные (а следовательно, и массовые) показатели теплообменника-конденсатора.
The graphs in FIG. 2 determine the range of p 2T = 0.6-4.0 MPa as the most suitable for the operation of the liquid-propellant rocket engine with the Rankine cycle on water vapor:
- the specified range of p 2T corresponds to positive values of the parameter t article , which allows not to fear freezing of water condensate when cooling the exhaust turbine steam;
- in the specified range p 2T are the minimum values of the parameter s rel , that is, the best overall (and therefore mass) performance of the heat exchanger-condenser are achieved.

Оптимальный диапазон р2T=0,6 - 4,0 МПа соответствует работе водяного насоса в области небольшого или даже отрицательного дополнительного (сверх давления насыщенного пара) кавитационного подпора на входе в насос. При этом входные значения абсолютного давления рабочего тела и температуры могут значительно превышать обычные для насосов величины.The optimal range p 2T = 0.6 - 4.0 MPa corresponds to the operation of the water pump in the region of a small or even negative additional (over saturated vapor pressure) cavitation support at the pump inlet. In this case, the input values of the absolute pressure of the working fluid and temperature can significantly exceed the usual values for pumps.

Уменьшение р2T относительно указанного диапазона (р2T<0,6 МПа) нежелательно по двум причинам: во-первых, падает температура

Figure 00000008
, что грозит замерзанием конденсата, и во-вторых, снижается располагаемый хладоресурс жидкого окислителя, что приводит к быстрому возрастанию габаритов и массы теплообменника-конденсатора, а вскоре и к невозможности его реализации. Увеличение p2T относительно указанного диапазона (р2T>4,0 МПа) также нежелательно ввиду возрастания
Figure 00000009
, что приводит к чрезмерному увеличению габаритов и массы теплообменника-конденсатора и других функциональных элементов парожидкостного контура.A decrease in p 2T relative to the indicated range (p 2T <0.6 MPa) is undesirable for two reasons: first, the temperature drops
Figure 00000008
, which threatens to freeze the condensate, and secondly, the available refrigerant liquid oxidizer decreases, which leads to a rapid increase in the dimensions and mass of the heat exchanger-condenser, and soon to the impossibility of its implementation. An increase in p 2T relative to the indicated range (p 2T > 4.0 MPa) is also undesirable due to the increase
Figure 00000009
, which leads to an excessive increase in the dimensions and mass of the heat exchanger-condenser and other functional elements of the vapor-liquid circuit.

При выборе конкретного значения p2T в рамках указанного диапазона должно учитываться, в частности, и то обстоятельство, что при меньших значениях πт высокий кпд турбины достигается при меньшем числе ступеней, что упрощает и облегчает конструкцию турбины и всего ТНА.When choosing a specific value of p 2T within the specified range, one should take into account, in particular, the fact that at lower values of π t the high efficiency of the turbine is achieved with a smaller number of steps, which simplifies and facilitates the design of the turbine and the entire TNA.

Как иллюстрируется примером ниже, соблюдение оговоренного диапазона p2T обеспечивает также достижение высокого уровня рк.As illustrated by the example below, adhering to the specified range of p 2T also ensures a high level of p k .

Пример осуществления изобретения: ЖРД на топливе кислород - керосин с тягой 1,5 МН:
расход окислителя через двигатель - 350 кг/с;
расход горючего через двигатель - 135 кг/с;
расход воды в замкнутом контуре - 55 кг/с;
температура пара на входе/выходе турбины - 1000 К/650 К;
давление пара на входе/выходе турбины - 31/2,45 МПа;
вода поступает в насос с давлением 2,0 МПа при температуре 210oС;
рабочая поверхность теплообменника-конденсатора 55 м2 при массе конструкции 250 кг;
минимальная температура стенки теплообменника-конденсатора со стороны водяного рабочего тела 50oС;
pк = 30 МПа.
An example embodiment of the invention: LRE fuel oxygen-kerosene with a thrust of 1.5 MN:
oxidizer consumption through the engine - 350 kg / s;
fuel consumption through the engine - 135 kg / s;
closed-circuit water flow rate - 55 kg / s;
steam temperature at turbine inlet / outlet - 1000 K / 650 K;
steam pressure at the turbine inlet / outlet - 31 / 2.45 MPa;
water enters the pump with a pressure of 2.0 MPa at a temperature of 210 o C;
the working surface of the heat exchanger-condenser is 55 m 2 with a design weight of 250 kg;
minimum wall temperature of the heat exchanger-condenser from the side of the water working fluid 50 o C;
p to = 30 MPa.

Полученное в конкретном примере значение t = 50oС исключает замерзание водяного конденсата, а реализуемое значение рк = 30 МПа втрое превышает этот параметр для способа-прототипа. Итак, ожидаемый технический результат подтвержден.Obtained in a specific example, the value of t ct = 50 o With eliminates the freezing of water condensate, and the realized value of p to = 30 MPa three times exceeds this parameter for the prototype method. So, the expected technical result is confirmed.

Claims (1)

Способ работы жидкостного ракетного двигателя с замкнутым парожидкостным контуром в системе турбонасосной подачи, при котором рабочий пар для турбины получают из воды с использованием теплоты от продуктов сгорания ракетного топлива, а сработавший пар охлаждают, используя для этого хладоресурс окислителя, и полученный конденсат возвращают в водяной насос, отличающийся тем, что пар срабатывают до давления 0,6-4,0 МПа. The method of operation of a liquid rocket engine with a closed vapor-liquid circuit in a turbopump supply system in which the working steam for a turbine is obtained from water using heat from the products of rocket fuel combustion, and the generated steam is cooled using an oxidizer coolant, and the condensate is returned to the water pump , characterized in that the steam is triggered to a pressure of 0.6-4.0 MPa.
RU2002104478/06A 2002-02-21 2002-02-21 Method of operation of liquid-propellant rocket engine with closed steam-liquid contour in turbopump delivery system RU2211938C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002104478/06A RU2211938C1 (en) 2002-02-21 2002-02-21 Method of operation of liquid-propellant rocket engine with closed steam-liquid contour in turbopump delivery system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002104478/06A RU2211938C1 (en) 2002-02-21 2002-02-21 Method of operation of liquid-propellant rocket engine with closed steam-liquid contour in turbopump delivery system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2211938C1 true RU2211938C1 (en) 2003-09-10

Family

ID=29777449

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2002104478/06A RU2211938C1 (en) 2002-02-21 2002-02-21 Method of operation of liquid-propellant rocket engine with closed steam-liquid contour in turbopump delivery system

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2211938C1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1905964B1 (en) Gas turbine engine
US6769242B1 (en) Rocket engine
US7784268B1 (en) Partial superheat cycle for operating a pump in a rocket system
JP2001317371A (en) Method and device for supplying cooling air to turbine engine
RU2641791C2 (en) Method and device for rocket engine power supply
JPH0532579B2 (en)
JPH07259510A (en) Cooling method of thermally loaded component of gas turbine group
JP2006084171A (en) Cooling system for gas turbine engine having improved core system
JPH09329035A (en) Method for operating power station plant
RU2155273C1 (en) Liquid cryogenic propellant rocket engine with closed loop of turbine drive of turbopump unit (versions)
US5267437A (en) Dual mode rocket engine
US5117635A (en) High power density propulsion/power system for underwater applications
JP4036914B2 (en) Power plant operation
JP2013148092A (en) Liquid fuel heating system
JPH0452859B2 (en)
JPH09125910A (en) Operating method of power plant
RU2197628C2 (en) Method of operation of liquid-propellant rocket engine with turbopump delivery of cryogenic propellant on basis of oxygen oxidizer and hydrocarbon fuel and liquid- propellant rocket engine implementing said method
RU2095607C1 (en) Cryogenic propellant rocket engine
JP2680288B2 (en) Steam injection gas turbine system and operating method thereof
RU2514570C1 (en) Device for regenerative cooling of liquid-propellant engine supersonic section
RU2211938C1 (en) Method of operation of liquid-propellant rocket engine with closed steam-liquid contour in turbopump delivery system
JPS5941645A (en) Sub-current structure type liquid rocket drive for driving in vacuum space
JP2868524B2 (en) Gas turbine engine and method of increasing its power output
JPH0688538A (en) Gas turbine plant
US20160237951A1 (en) Device and a method for feeding a rocket engine propulsion chamber

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20050222