RU2233990C2 - Oxygen-kerosene liquid-propellant rocket engine with heat module, heat module and method of production of sootless gas in heat module - Google Patents
Oxygen-kerosene liquid-propellant rocket engine with heat module, heat module and method of production of sootless gas in heat module Download PDFInfo
- Publication number
- RU2233990C2 RU2233990C2 RU2002118569/06A RU2002118569A RU2233990C2 RU 2233990 C2 RU2233990 C2 RU 2233990C2 RU 2002118569/06 A RU2002118569/06 A RU 2002118569/06A RU 2002118569 A RU2002118569 A RU 2002118569A RU 2233990 C2 RU2233990 C2 RU 2233990C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- turbine
- reaction chamber
- oxidizer
- liquid
- fuel
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Данное изобретение относится к области ракетной техники и, в частности, к жидкостным ракетным двигателям, в которых турбогаз для привода турбонасосного агрегата получают за счет тепла, снимаемого в тракте охлаждения камеры.This invention relates to the field of rocket technology and, in particular, to liquid-propellant rocket engines in which a turbogas for driving a turbopump unit is obtained due to the heat removed in the cooling chamber of the chamber.
Предшествующий уровень техникиState of the art
Предлагаемое изобретение является дальнейшим совершенствованием технического решения, защищенного патентом РФ №2155273, МКИ F 02 К 9/64 от 27.02.2000.The present invention is a further improvement of the technical solution protected by RF patent No. 2155273, MKI F 02 K 9/64 of 02/27/2000.
В изобретении по патенту №2155273 описан жидкостный ракетный двигатель с замкнутым контуром привода турбины турбонасосного агрегата, в котором, с целью повышения рабочего давления в камере двигателя, в магистрали, соединяющей выход тракта регенеративного охлаждения камеры и вход турбины, установлен теплообменник-нагреватель, теплоносителем которого является газ, получаемый в газогенераторе на штатных компонентах топлива, при этом выход из газогенератора подключен к выходной магистрали насоса окислителя. Кроме того, отличительной особенностью этого изобретения является применение аммиака в качестве охладителя камеры двигателя и рабочего тела турбины турбонасосного агрегата.In the invention according to patent No. 2155273, a liquid-propellant rocket engine with a closed loop drive of a turbine of a turbopump unit is described, in which, in order to increase the working pressure in the engine chamber, a heat exchanger-heater is installed in the line connecting the outlet of the regenerative cooling path of the chamber and the inlet of the turbine is the gas produced in the gas generator using standard fuel components, while the outlet from the gas generator is connected to the output line of the oxidizer pump. In addition, a distinctive feature of this invention is the use of ammonia as a cooler of the engine chamber and the working fluid of the turbine of a turbopump unit.
В изобретении по патенту 2155273 для подогрева рабочего тела турбины приведен газогенератор, вырабатывающий газ с избытком окислителя. Данное техническое решение принимаем за прототип предлагаемого изобретения кислородно-керосинового жидкостного ракетного двигателя.In the invention according to patent 2155273 for heating the working fluid of a turbine, a gas generator is provided that produces gas with an excess of oxidizing agent. This technical solution is taken as a prototype of the invention of an oxygen-kerosene liquid propellant rocket engine.
Однако создание газогенератора, обеспечивающего высокотемпературный нагрев рабочего тела турбины и допускающего последующий сброс газа в основную кислородную магистраль двигателя, является достаточно проблематичным, поскольку использование газогенератора с избытком окислителя сопряжено с опасностью возгорания элементов проточной части горячего окислительного газа, а использование газогенератора с избытком горючего (керосина) из-за образования сажи в продуктах газогенерации недопустимо по соображениям пожаровзрывобезопасности основной кислородной магистрали.However, the creation of a gas generator that provides high-temperature heating of the working fluid of the turbine and allows subsequent discharge of gas into the main oxygen line of the engine is quite problematic, since the use of a gas generator with an excess of oxidizer is fraught with the danger of ignition of the elements of the flowing part of the hot oxidizing gas, and the use of a gas generator with an excess of fuel (kerosene ) due to the formation of soot in gas generation products, it is unacceptable for reasons of fire and explosion safety main oxygen line.
Известен газогенератор, состоящий из корпуса, внутри которого размещена реакционная камера, смесительной головки с топливоподводящими патрубками и выходным патрубком. Процесс горения в таком газогенераторе происходит с избытком горючего и сопровождается большим выбросом сажи. Этот газогенератор применялся, например, в жидкостном ракетном двигателе для привода турбины турбонасосного агрегата с выбросом отработанного турбогаза в окружающую среду (см. В.П.Глушко, Альбом "Конструкции ЖРД" 2.3, Воениздат МО СССР, М., 1969, с.146, 157). Данное решение принимаем за аналог предлагаемого изобретения - тепловой модуль.Known gas generator, consisting of a housing, inside of which there is a reaction chamber, a mixing head with fuel supply pipes and an outlet pipe. The combustion process in such a gas generator occurs with an excess of fuel and is accompanied by a large emission of soot. This gas generator was used, for example, in a liquid-propellant rocket engine to drive a turbine of a turbopump unit with the discharge of spent turbogas into the environment (see V.P. Glushko, Album "Designs of rocket engine" 2.3, Military Publishing of the USSR Ministry of Defense, M., 1969, p.146 , 157). This decision is taken as an analogue of the invention - a thermal module.
Известен также бессажевый газогенератор с избытком горючего (см., например, патент РФ №2108477, МКИ F 02 К 9/52, 10.04.98). Газогенератор работает на трехкомпонентном топливе при поочередном сжигании керосина и водорода в кислороде, при этом кислород с частью керосина сжигают при температуре выше температуры образования углерода, а оставшуюся часть керосина подают за высокотемпературной зоной горения, после чего продукты сгорания балластируют водородом до получения температуры рабочего тела. Использование водорода позволяет связывать свободный углерод водородом с последующим образованием газообразного метана. Данное техническое решение принимаем за прототип предлагаемого изобретения - тепловой модуль.Also known is a sootless gas generator with an excess of fuel (see, for example, RF patent No. 2108477, MKI F 02 K 9/52, 04/10/98). The gas generator runs on three-component fuel by alternately burning kerosene and hydrogen in oxygen, while oxygen with a part of kerosene is burned at a temperature above the temperature of carbon formation, and the remaining part of kerosene is fed behind the high-temperature combustion zone, after which the combustion products are ballasted with hydrogen until the temperature of the working fluid is obtained. Using hydrogen allows you to bind free carbon with hydrogen, followed by the formation of gaseous methane. This technical solution is taken as a prototype of the invention - a thermal module.
Применение указанного бессажевого газогенератора в кислородно-керосиновом жидкостном ракетном двигателе естественно приводит к усложнению конструкции двигателя, обусловленному введением третьего компонента - водорода.The use of the specified sootless gas generator in an oxygen-kerosene liquid rocket engine naturally leads to a complication of the engine design due to the introduction of a third component, hydrogen.
Использование аммиака в качестве рабочего тела замкнутого контура не позволяет поднять его температуру до максимально возможной величины (≈750-900°С), т.к. приводит к недопустимому разложению аммиака, ухудшению процесса конденсации, что равносильно увеличению теплообменной поверхности конденсатора.Using ammonia as a closed loop working fluid does not allow raising its temperature to the maximum possible value (≈750-900 ° С), because leads to unacceptable decomposition of ammonia, the deterioration of the condensation process, which is equivalent to an increase in the heat exchange surface of the condenser.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задача предлагаемого изобретения состояла в разработке принципиально нового бессажевого газогенератора и внедрении его в принципиальную схему кислородно-керосинового жидкостного ракетного двигателя с замкнутым контуром приводом турбины турбонасосного агрегата, в создании рабочего тела турбины с улучшенными термодинамическими параметрами, а также в совершенствовании системы подачи компонентов топлива и запуска двигателя.The objective of the invention was to develop a fundamentally new carbon-free gas generator and introduce it into the circuit diagram of a closed-loop oxygen-kerosene liquid propellant rocket engine turbine pump turbine unit, to create a turbine working fluid with improved thermodynamic parameters, as well as to improve the fuel component supply and start-up system engine.
Технический результат за счет использования в схеме жидкостного ракетного двигателя новых решений состоит в повышении основных характеристик жидкостного ракетного двигателя, в повышении его надежности и габаритно-массовых показателей.The technical result due to the use of new solutions in the liquid-propellant rocket engine scheme is to increase the main characteristics of the liquid-propellant rocket engine, to increase its reliability and overall mass parameters.
Поставленная задача решена за счет того, что в кислородно-керосиновом жидкостном реактивном двигателе с тепловым модулем, содержащем камеру двигателя с корпусом, трактом регенеративного охлаждения и смесительной головкой, турбонасосный агрегат с турбиной, на валу которой установлены насосы горючего и окислителя, выходы которых соединены со смесительной головкой камеры, при этом турбина турбонасосного агрегата соединена с трактом регенеративного охлаждения, которые вместе с подогревателем рабочего тела турбины, конденсатором, установленным в выходной магистрали насоса окислителя, и циркуляционным насосом включены в замкнутый контур рабочего тела турбины, причем указанный подогреватель соединен с выходом газогенератора, смесительная головка которого соединена с выходными магистралями насосов окислителя и горючего, а выход газа из подогревателя соединен с выходной магистралью насоса окислителя, газогенератор и подогреватель рабочего тела турбины выполнены в виде единого теплового модуля, представляющего собой корпус, на выходе которого установлена смесительная головка с коллекторами подвода окислителя и избыточного горючего, с размещенной внутри корпуса реакционной камерой и выходной патрубок, который соединен с напорной магистралью насоса окислителя, при этом внутри реакционной камеры по всей ее длине установлены теплообменные элементы, соединенные с магистралью подвода рабочего тела на турбину турбонасосного агрегата, причем по длине корпуса теплового модуля выполнены пояса дожигания избыточного горючего, которые соединены с реакционной камерой и с напорной магистралью насоса окислителя.The problem is solved due to the fact that in an oxygen-kerosene liquid jet engine with a thermal module containing an engine chamber with a housing, a regenerative cooling duct and a mixing head, a turbopump unit with a turbine, on the shaft of which there are fuel and oxidizer pumps, the outputs of which are connected to the mixing head of the chamber, while the turbine of the turbopump unit is connected to the regenerative cooling path, which, together with the turbine working fluid heater, condenser, is installed inserted into the output line of the oxidizer pump, and a circulation pump are included in the closed loop of the turbine working fluid, the specified heater being connected to the outlet of the gas generator, the mixing head of which is connected to the output lines of the oxidizer and fuel pumps, and the gas outlet from the heater is connected to the output line of the oxidizer pump, a gas generator and a heater of the turbine working fluid are made in the form of a single thermal module, which is a casing at the outlet of which a mixing a head with collectors for supplying oxidizer and excess fuel, with a reaction chamber located inside the housing and an outlet pipe that is connected to the pressure line of the oxidizer pump, while heat exchange elements are installed inside the reaction chamber along its entire length, connected to the line for supplying the working fluid to the turbine pump turbine moreover, along the length of the housing of the thermal module there are made belts of afterburning of excess fuel, which are connected to the reaction chamber and to the pressure line of the pump la.
Другими отличиями предлагаемого изобретения являются:Other differences of the invention are:
- в замкнутом контуре между входом в циркуляционный насос и выходом из конденсатора установлен ресивер;- in a closed circuit between the inlet to the circulation pump and the outlet of the condenser, a receiver is installed;
- на магистрали кислорода в обвод конденсатора установлен байпасный трубопровод с управляемым клапаном;- a bypass pipeline with a controlled valve is installed on the oxygen line into the bypass of the condenser;
- приводом циркуляционного насоса является автономная турбина, включенная в указанный контур на выходе турбины турбонасосного агрегата;- the circulation pump is driven by an autonomous turbine included in the specified circuit at the turbine outlet of the turbopump assembly;
- между входом и выходом турбины циркуляционного насоса установлена байпасная магистраль, снабженная регулирующим органом;- between the inlet and outlet of the circulation pump turbine a bypass line is installed, equipped with a regulatory body;
- циркуляционный насос снабжен дополнительным автономным приводом;- the circulation pump is equipped with an additional autonomous drive;
- в качестве рабочего тела замкнутого контура используется водоаммиачная смесь (до 35% вес. аммиака).- a water-ammonia mixture (up to 35% wt. ammonia) is used as a closed loop working fluid.
Кроме того, в тепловом модуле, содержащем корпус, смесительную головку с патрубками подвода жидкого углеводородного горючего и жидкого окислителя, реакционную камеру и патрубок отвода горячих газов из реакционной камеры, дополнительно внутри реакционной камеры установлены теплообменные элементы, подключенные к замкнутому контуру рабочего тела турбины, а в корпусе теплового модуля выполнены кольцевые пояса поэтапного ввода жидкого окислителя в реакционную камеру, при этом расстояние между указанными поясами подбирают исходя из того, чтобы в конце каждого каскада сжигания температура продуктов сгорания не была ниже температуры начала образования сажи.In addition, in a thermal module comprising a housing, a mixing head with nozzles for supplying liquid hydrocarbon fuel and a liquid oxidizer, a reaction chamber and a nozzle for removing hot gases from the reaction chamber, additionally, heat exchange elements connected to the closed loop of the turbine working medium are installed inside the reaction chamber, and annular belts of the phased introduction of a liquid oxidizer into the reaction chamber are made in the housing of the thermal module, while the distance between these belts is selected based on so that at the end of each cascade of combustion the temperature of the combustion products is not lower than the temperature at which soot begins to form.
Дополнительным отличием теплового модуля является то, что его корпус выполнен за одно целое с теплообменными элементами.An additional difference of the thermal module is that its body is made in one piece with the heat exchange elements.
В указанной конструкции теплового модуля реализуется способ получения бессажевого высокотемпературного газа, основанный на сжигании в реакционной камере углеводородного горючего с жидким кислородом, причем этот процесс осуществляют последовательными каскадами ввода окислителя, при этом в начале каждого каскада за счет ввода окислителя обеспечивают температуру продуктов сгорания, максимально допустимую для стенок реакционной камеры, а затем охлаждают их до значений температуры, исключающих образование сажи, причем в последнем каскаде указанного процесса сжигания создают стехиометрическое соотношение образовавшихся продуктов сгорания. Кроме того, в этом процессе в качестве углеводородного горючего используют жидкий керосин, а в качестве окислителя - жидкий кислород.The indicated design of the thermal module implements a method for producing soot-free high-temperature gas, based on the combustion of hydrocarbon fuel with liquid oxygen in the reaction chamber, this process being carried out by successive stages of oxidizer introduction, and at the beginning of each stage, the temperature of the combustion products is ensured by introducing the oxidizer to the maximum allowable temperature for the walls of the reaction chamber, and then cool them to temperatures that exclude the formation of soot, and in the last helmet In addition to this combustion process, a stoichiometric ratio of the resulting combustion products is created. In addition, in this process, liquid kerosene is used as the hydrocarbon fuel, and liquid oxygen is used as the oxidizing agent.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Суть изобретения поясняется фиг.1, 2, 3 и 4.The essence of the invention is illustrated in figures 1, 2, 3 and 4.
На фиг.1 представлена принципиальная схема жидкостного ракетного двигателя.Figure 1 presents a schematic diagram of a liquid propellant rocket engine.
На фиг.2 представлен один из вариантов конструктивной схемы теплового модуля, а на фиг.3 - его поперечное сечение.Figure 2 presents one of the variants of the structural scheme of the thermal module, and figure 3 - its cross section.
На фиг.4 представлен график каскадного сжигания керосина в кислороде в тепловом модуле.Figure 4 presents a graph of cascade combustion of kerosene in oxygen in a thermal module.
Пример реализации изобретенияAn example implementation of the invention
В принципиальную схему жидкостного ракетного двигателя (фиг.1) входят камера 1, турбонасосный агрегат 2, тепловой модуль 3, замкнутый контур привода турбины турбонасосного агрегата 4, топливные высоконапорные магистрали окислителя 5 и горючего 6.The circuit diagram of a liquid propellant rocket engine (Fig. 1) includes a chamber 1, a turbopump unit 2, a thermal module 3, a closed loop of a turbine drive of a turbopump unit 4, fuel high-pressure lines of the oxidizer 5 and fuel 6.
В качестве горючего используется керосин, а в качестве окислителя - жидкий кислород.Kerosene is used as fuel, and liquid oxygen is used as an oxidizing agent.
Камера 1 содержит корпус 7, смесительную головку 8, цилиндрическую камеру сгорания 9, сверхзвуковое сопло 10. Корпус 7 выполнен с каналами регенеративного охлаждения 11. В цилиндрической части камеры сгорания выполнена щелевая завеса 12, которая соединена с коллектором 13, через который осуществляется подвод горючего для пристеночного охлаждения внутренней поверхности камеры сгорания.The chamber 1 comprises a housing 7, a mixing head 8, a cylindrical combustion chamber 9, a supersonic nozzle 10. The housing 7 is made with regenerative cooling channels 11. A slit curtain 12 is made in the cylindrical part of the combustion chamber, which is connected to the manifold 13, through which fuel is supplied for wall cooling of the internal surface of the combustion chamber.
Турбонасосный агрегат 2 состоит из турбины 14, центробежного насоса окислителя 15, имеющего первую 16 и вторую 17 ступени, и центробежного насоса горючего 18. Турбина 14, насос окислителя 15 и насос горючего 18 установлены на одном валу 19.The turbopump unit 2 consists of a turbine 14, a centrifugal oxidizer pump 15 having a first 16 and a second 17 stages, and a centrifugal fuel pump 18. A turbine 14, an oxidizer pump 15, and a fuel pump 18 are mounted on one shaft 19.
Тепловой модуль 3 содержит корпус 20, смесительную головку 21, реакционную камеру 22, теплообменные элементы 23, размещенные внутри реакционной камеры по всей ее длине, и пояса дожигания 24. Смесительная головка 21 через патрубок 25 и магистраль, в которой последовательно установлены дроссель 26 и пускоотсечной клапан 27, соединена с напорной магистралью 6 насоса горючего 18. Вторая ступень 17 насоса окислителя 15 через пускоотсечной клапан 28 и корректор-стабилизатор 29 соединена с патрубком 30 подвода окислителя и коллектором 31, из которого окислитель через трубопроводы 32 и жиклеры 33 подводится в пояса дожигания 24.The thermal module 3 includes a housing 20, a mixing head 21, a reaction chamber 22, heat exchange elements 23 located inside the reaction chamber along its entire length, and an afterburning belt 24. The mixing head 21 is through a pipe 25 and a line in which a throttle 26 and a start-off are installed in series valve 27, connected to the pressure line 6 of the fuel pump 18. The second stage 17 of the oxidizer pump 15 through the start-off valve 28 and the corrector-stabilizer 29 is connected to the pipe 30 for supplying the oxidizer and the collector 31, from which the oxidizer Erez pipes 32 and nozzles 33 is fed into a secondary combustion zone 24.
Замкнутый контур привода турбины турбонасосного агрегата 4 включает в себя последовательно соединенные между собой циркуляционный насос 34, тракт регенеративного охлаждения (подогрева) 11 камеры 1, теплообменные элементы 23, турбину 14 турбонасосного агрегата 2, турбину 35 циркуляционного насоса 34, конденсатор 36, установленный в напорной магистрали 5 первой ступени 16 насоса окислителя 15, и ресивер 37 заполнения сконденсированного рабочего тела турбины 14 THA и турбины 46 циркуляционного насоса 34.The closed loop of the turbine drive of the turbopump unit 4 includes a circulation pump 34 connected in series with each other, a regenerative cooling (heating) path 11 of the chamber 1, heat exchange elements 23, a turbine pump unit 2 turbine 14, a circulation pump turbine 35, and a condenser 36 installed in the pressure head line 5 of the first stage 16 of the oxidizer pump 15, and the receiver 37 filling the condensed working fluid of the THA turbine 14 and the circulation pump turbine 46.
Выходной патрубок 38 теплового модуля соединен с магистралью 5 подвода окислителя в смесительную головку 8 камеры 1. В этой магистрали установлен пускоотсечной клапан 39.The output pipe 38 of the thermal module is connected to the oxidizer supply line 5 to the mixing head 8 of the chamber 1. A start-off valve 39 is installed in this line.
Горючее с выхода насоса горючего 18 по магистрали 40 с пускоотсечным клапаном 41 подводится к коллектору 13, а из него в щелевую завесу 12 камеры сгорания 9. Кроме того, горючее подается в смесительную головку 8 камеры с выхода насоса горючего 18 через магистраль, 42, дроссель 43 регулирования массового соотношения компонентов топлива на основном режиме и пускоотсечной клапан 44.Fuel from the output of the fuel pump 18 through line 40 with a start-off valve 41 is supplied to the manifold 13, and from it into the slit curtain 12 of the combustion chamber 9. In addition, fuel is supplied to the mixing head 8 of the chamber from the output of the fuel pump 18 through the line 42, the throttle 43 regulation of the mass ratio of the components of the fuel in the main mode and the start-off valve 44.
Регулирование тяги двигателя обеспечивается за счет изменения режима работы циркуляционного насоса 34 с помощью перепускного дросселя 45 и за счет изменения мощности теплового модуля с помощью регулирующего органа 26 и сблокированного с ним корректора-стабилизатора 29.The thrust of the engine is controlled by changing the operating mode of the circulation pump 34 using the bypass choke 45 and by changing the power of the thermal module using the regulatory body 26 and the corrector-stabilizer 29 interlocked with it.
Для запуска двигателя в схеме предусмотрена пусковая газовая турбина 46, размещенная на одном валу 47 циркуляционного насоса 34.To start the engine, a starting gas turbine 46 is provided in the circuit, located on one shaft 47 of the circulation pump 34.
Кроме того, для исключения замерзания рабочего тела замкнутого контура в конденсаторе на начальной стадии запуска двигателя предусмотрен перепуск рабочего тела в обвод конденсатора по магистрали 48 с помощью клапана 49.In addition, to prevent freezing of the working fluid of the closed loop in the capacitor at the initial stage of engine starting, a bypass of the working fluid is provided in the bypass of the condenser along line 48 using valve 49.
Применение теплового модуля в этой схеме жидкостного ракетного двигателя позволяет, с одной стороны, догреть рабочее тело турбины турбонасосного агрегата до величины, требуемой энергетической увязкой параметров двигателя, а с другой стороны, каскадно дожигая горючее, добиться за счет отбора тепла от продуктов газогенерации получения бессажевого газа (на выходе теплового модуля) для ввода его в основной поток окислителя.The use of a thermal module in this liquid-propellant rocket engine circuit allows, on the one hand, to warm the working fluid of the turbine of a turbopump assembly to the value required by the energy matching of the engine parameters, and on the other hand, cascading the fuel in a cascade way, it is possible to obtain carbon-free gas by taking heat from gas generation products (at the output of the thermal module) for entering it into the main stream of the oxidizing agent.
Конструктивно тепловой модуль представлен на фиг.2, а его сечение - на фиг.3.Structurally, the thermal module is presented in figure 2, and its cross section is shown in figure 3.
Тепловой модуль состоит из силового корпуса 20, в котором выполнены каналы 50 для протока рабочего тела турбины 19 (рабочего тела замкнутого контура), подводимой через патрубок 51. Выход этих каналов сообщен с полостью коллектора 52 через отверстия 53. Полость коллектора 52 сообщена с выходным патрубком 54. Тепловой модуль имеет смесительную головку 21 первого каскада горения горючего и патрубки подвода горючего 25 и окислителя 30 соответственно. Со стороны ввода рабочего тела турбины 19 в тепловой модуль размещен теплообменный элемент 55. Он представляет собой (фиг.3) кольцевой корпус с внутренней 56 и наружной 57 оребренными обечайками. Внутренний концевой участок указанного теплообменного элемента размещен в полости реакционной камеры 58, в которой установлена форсунка 24 ввода окислителя второго каскада дожигания горючего. Выход газообразных продуктов сгорания осуществляется через патрубок 59.The thermal module consists of a power casing 20, in which
Теплообменный элемент 55 так же, как и корпус 20, имеет патрубки подвода 60 и отвода 61 охлаждающей жидкости. Все патрубки подвода и отвода могут быть соединены общими подводящими и отводящими коллекторами (не показаны).The
Для обеспечения полноты сжигания без образования твердого углерода в первом каскаде сжигают весь керосин с частью кислорода при температуре 2600°С (фиг.4), допустимой для охлаждающих стенок реакционной камеры и теплообменных элементов. Необходимый нагрев рабочего тела (кривая Д) замкнутого контура сопровождается соответствующим охлаждением высокотемпературных продуктов сгорания (кривая В). При этом их охлаждение осуществляют до температуры не ниже температуры образования сажи - ~1000°С. После завершения процесса в первом каскаде вновь в реакционную камеру вводят дополнительную порцию жидкого окислителя, при этом вновь повышается температура продуктов сгорания и цикл нагрев-охлаждение повторяется. Этот процесс ведут постадийно до тех пор, пока на выходе теплового модуля не будет достигнуто стехиометрическое соотношение углеводородного горючего в окислителе.To ensure complete combustion without the formation of solid carbon in the first cascade, all kerosene with a part of oxygen is burned at a temperature of 2600 ° C (Fig. 4), acceptable for the cooling walls of the reaction chamber and heat exchange elements. The necessary heating of the working fluid (curve D) of the closed circuit is accompanied by the corresponding cooling of high-temperature combustion products (curve B). Moreover, their cooling is carried out to a temperature not lower than the temperature of soot formation - ~ 1000 ° C. After the process is completed, an additional portion of the liquid oxidizer is again introduced into the reaction chamber in the first stage, while the temperature of the combustion products again rises and the heating-cooling cycle is repeated. This process is carried out in stages until a stoichiometric ratio of hydrocarbon fuel in the oxidizer is reached at the output of the thermal module.
В результате обеспечивается требуемый нагрев рабочего тела привода турбины турбонасосного агрегата (500...800°С), а с другой стороны - бессажевое преобразование продуктов сгорания, содержащих избыток горючего в первой стадии процесса, в газ стехиометрического состава на выходе из теплового модуля с температурой ~1000°С, что позволяет организацию его ввода с целью утилизации в основной поток окислителя.As a result, the required heating of the working fluid of the turbine pump turbine drive unit (500 ... 800 ° C) is ensured, and, on the other hand, the particleless conversion of combustion products containing excess fuel in the first stage of the process into gas of stoichiometric composition at the outlet of the thermal module with temperature ~ 1000 ° C, which allows the organization of its input in order to utilize the oxidizer in the main stream.
Работа устройстваDevice operation
Перед запуском двигателя производят заливку полостей насосов горючего 18 и окислителя 15 (16 и 17) до пускоотсечных клапанов 41 и 44, установленных в топливных магистралях подвода горючего в камеру сгорания 9, до пускоотсечных клапанов 27 и 28, установленных в магистралях подачи горючего и окислителя в тепловой модуль 22, и до пускоотсечных клапанов 39 и 49, установленных в магистрали подачи окислителя в камеру 1. (Для питания теплового модуля окислителя в предлагаемой схеме предусмотрено использование дожимной ступени 17 насоса 15). Кроме того, заполняют рабочим телом - водоаммиачным раствором замкнутый контур 4.Before starting the engine, fill the cavities of the fuel pumps 18 and oxidizer 15 (16 and 17) to the shut-off valves 41 and 44 installed in the fuel lines for supplying fuel to the combustion chamber 9, to the shut-off valves 27 and 28 installed in the fuel and oxidizer supply lines to thermal module 22, and to the start-off valves 39 and 49 installed in the line for supplying the oxidizer to chamber 1. (To supply the thermal module of the oxidizer in the proposed scheme, the use of the booster stage 17 of pump 15 is provided). In addition, a closed loop 4 is filled with a working fluid — water-ammonia solution.
По команде на запуск двигателя осуществляют подачу газа на пусковую турбину 46 принудительной раскрутки циркуляционного насоса 34, и рабочее тело начинает циркулировать по замкнутому контуру.On command to start the engine, gas is supplied to the starting turbine 46 of forced spin-up of the circulation pump 34, and the working fluid begins to circulate in a closed loop.
Далее в определенной временной последовательности, задаваемой циклограммой подачи команд при запуске двигателя, подают команды на открытие пускоотсечных клапанов. При подаче команд на открытие пускоотсечных клапанов горючего 27 и окислителя 28 теплового модуля 20 компоненты топлива поступают в реакционную камеру 22, где воспламеняются от средств зажигания (на схеме система зажигания не показана, в качестве таковой могут быть использованы химическая, электрическая и другие системы). Причем подача окислителя в каскады дожигания теплового модуля дозируется жиклерами 33, установленными в подводящих магистралях 32. Образующиеся продукты газогенерации начинают нагрев рабочего тела в теплообменных элементах 23 и через патрубок 65 (фиг.2) поступают в основную магистраль окислителя 5.Then, in a certain time sequence specified by the sequence of commands when starting the engine, commands are issued to open the shut-off valves. When commands are issued to open the shut-off valves of the fuel 27 and the oxidizing agent 28 of the thermal module 20, the fuel components enter the reaction chamber 22, where they are ignited by means of ignition (the ignition system is not shown in the diagram, chemical, electrical, and other systems can be used as such). Moreover, the supply of the oxidizing agent to the afterburning stages of the thermal module is dosed by the jets 33 installed in the supply lines 32. The resulting gas generation products begin heating the working fluid in the heat exchange elements 23 and through the pipe 65 (Fig. 2) enter the main oxidizing pipe 5.
Затем подают команды на открытие пускоотсечных клапанов горючего 41 и 44 и окислителя 49 камеры сгорания 9. (Открытие клапана 41 обеспечивает подачу горючего в щелевую завесу 12 внутреннего охлаждения камеры сгорания 9). Поступающие в камеру сгорания компоненты топлива также воспламеняются от средств зажигания, что далее увеличивает нагрев рабочего тела, проходящего через тракт регенеративного охлаждения 11 камеры 1. Как следствие, увеличивается мощность турбин 35 и 14, увеличиваются обороты насосов окислителя 16, 17, горючего 18 и циркуляционного насоса 34.Then commands are issued to open the shut-off valves of the fuel 41 and 44 and the oxidizer 49 of the combustion chamber 9. (Opening the valve 41 provides the supply of fuel to the slit curtain 12 of the internal cooling of the combustion chamber 9). The fuel components entering the combustion chamber are also ignited by means of ignition, which further increases the heating of the working fluid passing through the regenerative cooling path 11 of chamber 1. As a result, the power of turbines 35 and 14 increases, the speed of the oxidizer pumps 16, 17, fuel 18 and circulation pumps increase pump 34.
С увеличением температуры рабочего тела замкнутого контура закрывают клапан окислителя 49 с одновременным открытием клапана 39, чем обеспечивается проток кислорода как хладоагента через тракт конденсатора 36, и последний вступает в работу. Указанная последовательность задействования клапанов 49 и 39 исключает возможность переохлаждения и замерзания рабочего тела в тракте конденсатора 36 на начальной стадии запуска двигателя, при этом до начала рабочего процесса в конденсаторе питания циркуляционного насоса 34 осуществляется водоаммиачной смесью, содержащейся в ресивере 37.With increasing temperature of the working fluid of the closed loop, the valve of the oxidizer 49 is closed with the simultaneous opening of the valve 39, which ensures the flow of oxygen as a refrigerant through the path of the condenser 36, and the latter comes into operation. The indicated sequence of actuating valves 49 and 39 eliminates the possibility of hypothermia and freezing of the working fluid in the path of the condenser 36 at the initial stage of engine starting, and before the start of the working process, the water-ammonia mixture contained in the receiver 37 is carried out in the power supply capacitor of the circulation pump 34.
По мере выхода модуля 20 на тепловой режим прекращают подачу газа на принудительную раскрутку турбины 46 и дальнейший рост ее оборотов, как и оборотов турбонасосного агрегата 19 осуществляется в режиме “самоподхвата”. Двигатель выходит на стационарный режим, определяемый исходной настройкой основных регулирующих органов - 45, 26 и 43.As the module 20 enters the thermal mode, the gas supply to the forced spin-up of the turbine 46 is stopped and its revolutions are further increased, as are the revolutions of the turbopump unit 19 in the “self-pickup” mode. The engine enters stationary mode, determined by the initial setting of the main regulatory bodies - 45, 26 and 43.
При работе двигателя на основном режиме осуществляют регулирование его тяги и массового соотношения расходов компонентов топлива (Кm).When the engine is in the main mode, it regulates its thrust and the mass ratio of the consumption of fuel components (K m ).
Исполнительными органами системы регулирования тяги двигателя служат дроссель 45, устанавливаемый в магистрали перепуска части рабочего тела замкнутого контура в обвод турбины 35, и действующий синхронно с ним дроссель 26 в магистрали подвода горючего в тепловой модуль 20, а также корректор-стабилизатор 29 в магистрали подвода окислителя, поддерживающий постоянство массового соотношения расходов компонентов топлива (т.е. температуру горячего газа) в тепловом модуле. Так в случае форсирования двигателя производят “прикрытие” дросселя 45, в результате чего возрастает расход через турбину 35, увеличиваются обороты и расход через циркуляционный насос 34, т.е. расход рабочего тела в замкнутом контуре.The executive bodies of the engine traction control system are the inductor 45, which is installed in the bypass of a part of the working fluid of the closed loop into the bypass of the turbine 35, and the inductor 26 acting simultaneously with it in the trunk of the fuel supply to the heat module 20, as well as the corrector-stabilizer 29 in the oxidizer supply line maintaining the constancy of the mass ratio of the flow rates of the fuel components (i.e., the temperature of the hot gas) in the thermal module. So, in case of forcing the engine, “throttle” of the throttle 45 is produced, as a result of which the flow rate through the turbine 35 increases, the speed and flow rate through the circulation pump 34 increase, i.e. working fluid flow in a closed loop.
Синхронно с “прикрытием” дросселя 45 производят “раскрытие” дросселя 26, что увеличивает расход горючего в тепловой модуль 20, при этом корректор-стабилизатор 29 автоматически увеличивает и расход окислителя в тепловой модуль. В результате указанного взаимодействия дросселя 45, дросселя 26 и корректора-стабилизатора 29 на привод турбины 14 поступает увеличенный расход рабочего тела при практически постоянной его температуре, что приводит к росту оборотов турбонасосного агрегата 19, росту расходов компонентов топлива в камеру сгорания, т.е. к форсированию двигателя. При дросселировании двигателя взаимосвязь указанных исполнительных органов остается аналогичной, но противоположной направленности.Simultaneously with the “cover” of the inductor 45, the “inductor” 26 is “opened”, which increases the fuel consumption in the thermal module 20, while the corrector-stabilizer 29 automatically increases the consumption of the oxidizer in the thermal module. As a result of the indicated interaction between the throttle 45, throttle 26 and the corrector-stabilizer 29, an increased flow rate of the working fluid at an almost constant temperature arrives at the turbine drive 14, which leads to an increase in the speed of the turbopump assembly 19, an increase in the consumption of fuel components in the combustion chamber, i.e. to force the engine. When throttle the engine, the relationship of these Executive bodies remains similar, but the opposite direction.
Регулирование Кm производят за счет изменения гидравлического сопротивления тракта подвода горючего в камеру сгорания 9 с помощью дросселя 43. Здесь для увеличения Кm обеспечивают “прикрытие” дросселя, а для уменьшения Km - его “раскрытие”.The regulation of K m is carried out by changing the hydraulic resistance of the path for supplying fuel to the combustion chamber 9 with the help of a throttle 43. Here, to increase K m , the throttle is “covered” and, to decrease K m , it is “opened”.
Промышленная применимостьIndustrial applicability
Изобретение предназначено для применения в жидкостных ракетных двигателях, нагрев рабочего тела турбины турбонасосного агрегата которых осуществляется за счет тепла, снимаемого в тракте охлаждения камеры и дополнительно генерируемого в тепловом модуле, работающем на кислородно-керосиновой топливной композиции.The invention is intended for use in liquid rocket engines, the heating of the turbine of the turbine pump unit of which is due to the heat removed in the cooling path of the chamber and additionally generated in a thermal module operating on an oxygen-kerosene fuel composition.
Предварительные расчеты подтвердили перспективность создания двигателей подобного класса, т.к. их применение позволяет повысить надежность и экономичность, а также улучшить массовые показатели.Preliminary calculations confirmed the prospects of creating engines of this class, because their application can improve reliability and efficiency, as well as improve mass performance.
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002118569/06A RU2233990C2 (en) | 2002-07-12 | 2002-07-12 | Oxygen-kerosene liquid-propellant rocket engine with heat module, heat module and method of production of sootless gas in heat module |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002118569/06A RU2233990C2 (en) | 2002-07-12 | 2002-07-12 | Oxygen-kerosene liquid-propellant rocket engine with heat module, heat module and method of production of sootless gas in heat module |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2002118569A RU2002118569A (en) | 2004-01-27 |
RU2233990C2 true RU2233990C2 (en) | 2004-08-10 |
Family
ID=33412633
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2002118569/06A RU2233990C2 (en) | 2002-07-12 | 2002-07-12 | Oxygen-kerosene liquid-propellant rocket engine with heat module, heat module and method of production of sootless gas in heat module |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2233990C2 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
BG66181B1 (en) * | 2008-04-21 | 2011-11-30 | "Б+К" Оод | Fuel and oxidant supply scheme for rocket engines |
RU2450153C1 (en) * | 2011-02-07 | 2012-05-10 | Александр Фролович Ефимочкин | Liquid propellant rocket engine |
RU2532454C1 (en) * | 2013-07-26 | 2014-11-10 | Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" | Method of liquid propellant rocket engine boosting by thrust and liquid propellant rocket engine |
CN105650459A (en) * | 2015-12-31 | 2016-06-08 | 西安航天动力试验技术研究所 | Subcooled liquid oxygen supply system for ground test of liquid oxygen/kerosene engine |
RU2733460C1 (en) * | 2020-05-25 | 2020-10-01 | Андрей Владимирович Иванов | Liquid-propellant rocket engine |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112628019A (en) * | 2020-12-18 | 2021-04-09 | 西安航天动力研究所 | Afterburning cycle engine thrust chamber injector cooling flow path and design method thereof |
CN113357054B (en) * | 2021-07-27 | 2022-11-11 | 中国人民解放军国防科技大学 | High-temperature gas channel design method |
CN115288884A (en) * | 2022-06-27 | 2022-11-04 | 西安航天动力研究所 | Self-ignition propellant oxygen-enriched afterburning cycle self-starting engine system and method |
CN117869120B (en) * | 2023-12-26 | 2024-07-23 | 北京天兵科技有限公司 | One-stage rocket, booster conveying system and control method thereof |
-
2002
- 2002-07-12 RU RU2002118569/06A patent/RU2233990C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
BG66181B1 (en) * | 2008-04-21 | 2011-11-30 | "Б+К" Оод | Fuel and oxidant supply scheme for rocket engines |
RU2450153C1 (en) * | 2011-02-07 | 2012-05-10 | Александр Фролович Ефимочкин | Liquid propellant rocket engine |
RU2532454C1 (en) * | 2013-07-26 | 2014-11-10 | Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" | Method of liquid propellant rocket engine boosting by thrust and liquid propellant rocket engine |
CN105650459A (en) * | 2015-12-31 | 2016-06-08 | 西安航天动力试验技术研究所 | Subcooled liquid oxygen supply system for ground test of liquid oxygen/kerosene engine |
RU2733460C1 (en) * | 2020-05-25 | 2020-10-01 | Андрей Владимирович Иванов | Liquid-propellant rocket engine |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2002118569A (en) | 2004-01-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3623602B1 (en) | Hybrid expander cycle with intercooling and turbo-generator | |
US8381508B2 (en) | Closed-cycle rocket engine assemblies and methods of operating such rocket engine assemblies | |
US6062018A (en) | Pulse detonation electrical power generation apparatus with water injection | |
US4845941A (en) | Gas turbine engine operating process | |
US4982564A (en) | Turbine engine with air and steam cooling | |
US9551292B2 (en) | Semi-isothermal compression engines with separate combustors and expanders, and associated systems and methods | |
US4161102A (en) | Turbine engine starting system | |
RU2516769C2 (en) | Intermittent internal combustion gas turbine | |
RU2233990C2 (en) | Oxygen-kerosene liquid-propellant rocket engine with heat module, heat module and method of production of sootless gas in heat module | |
RU2386844C1 (en) | Three-component liquid-propellant rocket engine and method of its operation | |
US4223530A (en) | Liquid fuel rocket engine having a propellant component pump turbine with a secondary thrust discharge and to a method of operating a liquid fuel rocket engine | |
RU2302547C1 (en) | Liquid-propellant rocket engine | |
RU2382223C1 (en) | Three-component liquid propellant rocket engine and method of its operation | |
EP3728815B1 (en) | System and method for generating power | |
RU2300657C1 (en) | Liquid-propellant rocket engine | |
EP0146624A4 (en) | Process of intensification of the thermoenergetical cycle and air jet propulsion engines. | |
RU2390476C1 (en) | Multi-stage | |
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 | |
RU2531833C1 (en) | Liquid propellant rocket engine | |
RU2187684C2 (en) | Method of operation of liquid-propellant rocket engine and liquid-propellant rocket engine for realization of this method | |
RU2378166C1 (en) | Multi-stage rocket carrier, method of its launching and nuclear rocket engine | |
RU2495273C1 (en) | Liquid propellant rocket engine | |
RU158449U1 (en) | LIQUID ROCKET ENGINE WITHOUT BURNING THE GENERAL GAS | |
RU2443894C1 (en) | Three-component liquid rocket engine and method of its operation | |
RU2149276C1 (en) | Liquid-propellant rocket engine |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200713 |