RU2238424C1 - Method of operation of liquid-propellant rocket engine with vapor-liquid loop in propellant turbopump delivery system - Google Patents
Method of operation of liquid-propellant rocket engine with vapor-liquid loop in propellant turbopump delivery system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2238424C1 RU2238424C1 RU2003104583/06A RU2003104583A RU2238424C1 RU 2238424 C1 RU2238424 C1 RU 2238424C1 RU 2003104583/06 A RU2003104583/06 A RU 2003104583/06A RU 2003104583 A RU2003104583 A RU 2003104583A RU 2238424 C1 RU2238424 C1 RU 2238424C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- liquid
- fuel
- heat exchanger
- propellant
- vapor
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
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 (обычно кислородный окислитель) является криогенным.The invention relates to liquid-propellant rocket engines (LRE), and specifically to a turbo-pumped liquid propellant rocket engine consisting of separately stored oxidizer and fuel, at least one of these fuel components (usually an oxygen oxidizer) is cryogenic.
Известен способ работы ЖРД с парожидкостным контуром в системе турбонасосной подачи топлива, включающий использование теплоты продуктов сгорания топлива для превращения рабочего тела из исходного жидкого вещества в пар со сверхкритическими температурой и давлением, который после совершения работы вновь обращают в жидкость, используя хладоресурс ракетного топлива при охлаждении отработавшего пара в теплообменнике-конденсаторе, причем конденсат возвращают в соответствующий насос (см. пат. RU 2155273 С1, 18.08.1999 - прототип изобретения).A known method of operation of a liquid-propellant liquid propellant liquid propellant circuit in a turbopump fuel supply system, including using the heat of the combustion products to convert the working fluid from the original liquid substance to steam with supercritical temperature and pressure, which after work is returned to the liquid using the coolant of rocket fuel during cooling spent steam in a heat exchanger-condenser, and the condensate is returned to the appropriate pump (see US Pat. RU 2155273 C1, 08/18/1999 - prototype of the invention).
Первым необходимым условием функционирования ЖРД с парожидкостным контуром в системе турбонасосной подачи топлива является обеспечение энергобаланса этой системы, то есть равенства между располагаемой мощностью турбины и суммарной мощностью насосов. Для получения высоких значений удельного импульса тяги ЖРД (Iу) необходимо создать высокое давление в камере (рк). В этом случае для обеспечения энергобаланса необходимо нагреть достаточную массу рабочего тела турбины (например, аммиака) до высокой температуры и сработать полученный пар (точнее - газ) при высоком перепаде давлений. В конце рабочего цикла системы подачи необходимо отдать остаточную теплоту отработавшего пара поступающему в ЖРД холодному топливу, чтобы охладить пар до полного его обращения в конденсат.The first prerequisite for the operation of a liquid-propellant rocket engine with a steam-liquid circuit in a turbopump fuel supply system is to ensure the energy balance of this system, that is, the equality between the available turbine power and the total pump power. To obtain high values of specific impulse thrust of the rocket engine (I y ) it is necessary to create a high pressure in the chamber (p to ). In this case, to ensure the energy balance, it is necessary to heat a sufficient mass of the turbine’s working fluid (for example, ammonia) to a high temperature and generate the generated steam (more precisely, gas) at a high pressure drop. At the end of the operating cycle of the supply system, it is necessary to give the residual heat of the spent steam to the cold fuel entering the LRE in order to cool the steam until it is completely converted to condensate.
Обычно основной хладоресурс топлива сосредоточен в криогенном кислородном окислителе, имеющем на выходе из насоса температуру ≈100К. В конечном счете критическим фактором для технической реализации рассматриваемого способа работы ЖРД оказывается теплообменник-конденсатор.Typically, the main coolant of fuel is concentrated in a cryogenic oxygen oxidizer, which has a temperature of ≈100 K at the outlet of the pump. Ultimately, the heat exchanger-condenser is a critical factor for the technical implementation of the LRE operation method under consideration.
В общем случае этот агрегат содержит три рабочих участка: участок охлаждения отработавшего (например, аммиачного) пара до температуры насыщения, участок влажного пара (собственно конденсации) и участок охлаждения конденсата для обеспечения бескавитационной работы насоса. При высоком значении рк осуществление рабочего процесса в теплообменнике-конденсаторе требует весьма развитой поверхности этого агрегата, и его масса получается чрезмерно большой, что препятствует реализации способа-прототипа.In the general case, this unit contains three working sections: a section for cooling exhaust (e.g., ammonia) steam to saturation temperature, a section for wet steam (condensation proper), and a condensate cooling section for ensuring pump-free operation. At a high p value, the implementation of the working process in a heat exchanger-condenser requires a very developed surface of this unit, and its mass is excessively large, which impedes the implementation of the prototype method.
Изобретение решает техническую задачу улучшения массогабаритных показателей теплообменника-конденсатора.The invention solves the technical problem of improving the overall dimensions of a heat exchanger-condenser.
Поставленная техническая задача решается тем, что в способе работы ЖРД с парожидкостным контуром в системе турбонасосной подачи топлива, включающем использование теплоты продуктов сгорания топлива для превращения рабочего тела из исходного жидкого вещества в пар со сверхкритическими температурой и давлением, который после совершения работы вновь обращают в жидкость, используя хладоресурс ракетного топлива при охлаждении отработавшего пара в теплообменнике-конденсаторе, причем конденсат возвращают в соответствующий насос, согласно изобретению часть жидкого рабочего тела по выходе из насоса вводят в отработавший пар, осуществляя частичную его конденсацию с образованием влажного пара на входе в рабочий тракт теплбобменника-конденсатора.The stated technical problem is solved by the fact that in the method of operation of the liquid-propellant liquid propellant liquid propellant circuit in a turbopump fuel supply system, the use of the heat of the combustion products of the fuel to turn the working fluid from the original liquid substance into steam with supercritical temperature and pressure, which is again turned into liquid after work using the cold resource of rocket fuel when cooling the exhaust steam in a heat exchanger-condenser, the condensate being returned to the corresponding pump, according to According to the invention, a part of the liquid working fluid is introduced into the exhaust steam at the outlet of the pump, partially condensing it with the formation of wet steam at the inlet to the working path of the heat exchanger-condenser.
В частных случаях осуществления изобретения:In particular cases of the invention:
- вводимую в отработавший пар жидкость предварительно охлаждают путем теплообмена с горючим ракетного топлива, для чего могут использовать часть расходуемой через двигатель массы горючего;- the liquid introduced into the exhaust steam is pre-cooled by heat exchange with the fuel of rocket fuel, for which some of the mass of fuel consumed through the engine can be used;
- вводимую в отработавший пар жидкость предварительно охлаждают путем теплообмена с окислителем ракетного топлива, для чего могут использовать часть расходуемой через двигатель массы окислителя.- the liquid introduced into the exhaust steam is pre-cooled by heat exchange with the oxidizer of rocket fuel, for which some of the oxidizer mass consumed through the engine can be used.
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 при помощи фиг.1 и 2, где представлены функциональные схемы для ЖРД, работающего по предложенному способу.The invention is illustrated using figures 1 and 2, which presents the functional diagrams for the liquid propellant rocket engine operating according to the proposed method.
Согласно фиг.1, ЖРД содержит создающую тяговое усилие камеру 1 с форсуночной головкой 1а, камерой сгорания 1b и сверхзвуковым реактивным соплом 1с; корпус камеры образован двумя соосными оболочками (внешней и внутренней), формирующими тракт 1d для протока охладителя. Для подачи топлива в двигателе предусмотрен турбонасосный агрегат (ТНА), который содержит насос криогенного окислителя (обычно сжиженного кислорода) 2, насос горючего (например, керосина) 3, насос 4 для подачи сконденсированного рабочего тела турбины (например, аммиака) и паровую турбину 5. Посредством высоконапорной магистрали 6 с размещенным в ней теплообменником 7 насос 3 соединен с форсуночной головкой 1a. Она же сообщена с насосом 2 посредством высоконапорной магистрали 8 с размещенным в ней теплообменником-конденсатором 9. Он предназначен для охлаждения с конденсацией отработавшего пара турбины, который поступает по магистрали 10; полученный конденсат возвращается по трубопроводу 11 в насос 4.According to figure 1, the rocket engine contains a traction-generating chamber 1 with a nozzle head 1a, a combustion chamber 1b, and a supersonic jet nozzle 1c; the chamber body is formed by two coaxial shells (external and internal) forming the path 1d for the cooler duct. For fuel supply, the engine is provided with a turbopump unit (TNA), which contains a cryogenic oxidizer pump (usually liquefied oxygen) 2, a fuel pump (e.g. kerosene) 3, a pump 4 for supplying a condensed working fluid of a turbine (e.g. ammonia) and a steam turbine 5 By means of a high-pressure line 6 with a heat exchanger 7 placed in it, the pump 3 is connected to the nozzle head 1a. It is in communication with the pump 2 by means of a high-
В магистрали 10 между турбиной и теплообменником-конденсатором размещено смесительное устройство 12, предназначенное для ввода в отработавший пар поступающей по трубопроводу 13 после предварительного охлаждения в теплообменнике 7 массы конденсата, отбираемой из магистрали 14, которая сообщает выход насоса 4 с входом охлаждающего тракта 1d камеры. Выход его сообщен трубопроводом 15 с входом турбины 5. Насос 4 вместе с турбиной 5, теплообменником-конденсатором 9, смесительным устройством 12, охлаждающим трактом 1d и соединительными расходными магистралями образуют замкнутый контур для циркуляции рабочего тела, претерпевающего фазовые превращения. К указанному контуру подсоединен циркуляционный контур (4-7-13-12-9-11-4).In the
Описанный ЖРД работает следующим образом.The described LRE works as follows.
Поступающий в двигатель окислитель ракетного топлива (например, жидкий кислород) подают насосом 2 по магистрали 8 в форсуночную головку 1a камеры. По пути окислитель нагревается в теплообменнике-конденсаторе 9 (от более горячего продукта из магистрали 10). Поступающее в ЖРД горючее ракетного топлива (например, керосин) подают насосом 3 по магистрали 6 в форсуночную головку 1а камеры. По пути горючее нагревается в теплообменнике 7 (от более горячего продукта из магистрали 14). В камере сгорания 1b топливные компоненты сгорают, и образовавшийся высокотемпературный газ поступает в реактивное сопло 1с, создавая тягу камеры 1 (и ЖРД в целом). Циркулирующее в замкнутом контуре рабочее тело (например, аммиак) для привода турбины 5 подают конденсатным насосом 4 по магистрали 14 в охлаждающий тракт 1d камеры. После его прохождения рабочее тело, обращенное в перегретый пар (газ) со сверхкритическими температурой и давлением, подают по трубопроводу 15 на турбину 5, приводящую насосы 2, 3, 4 через общий с ними вал (обычно состоит из двух частей, соединенных рессорой). Отработавший пар турбины подают по магистрали 10 последовательно в смеситель 12 и теплообменник-конденсатор 9. В первый из этих агрегатов подают также по трубопроводу 13 конденсат из магистрали 14, охлаждая его по пути в теплообменнике 7 более холодным горючим. Охлажденный конденсат смешивают в смесителе 12 с потоком отработавшего газа турбины, получая в итоге влажный пар, поступающий далее в рабочий тракт теплообменника-конденсатора 9. Сконденсированный продукт подают по трубопроводу 11 в насос 4, и рабочий цикл системы подачи повторяется.The propellant oxidizer entering the engine (for example, liquid oxygen) is pumped via
На фиг.1 штрихами показан теплообменник 7а для охлаждения конденсата, подаваемого в смеситель 12, за счет использования хладоресурса окислителя (а не горючего, как в случае теплообменника 7).1, the strokes show a heat exchanger 7a for cooling the condensate supplied to the mixer 12, due to the use of the oxidizer coolant (and not fuel, as in the case of heat exchanger 7).
На фиг.2 представлен вариант размещения в магистрали между турбиной 5 и насосом 4 не одного, а двух теплообменных устройств: теплообменника-охладителя 9а и теплообменника-конденсатора 9b. В первом агрегате осуществляют предварительное охлаждение (окислителем) отработавшего газа турбины, который затем разбавляют в смесителе 12а охлажденным конденсатом, поступающим из агрегата 7 по трубопроводу 13a. В агрегате 9b осуществляют конденсацию полученной парожидкостной смеси.Figure 2 presents the option of placing in the line between the turbine 5 and pump 4 not one, but two heat exchangers: heat exchanger-
Сущность изобретения не исчерпывается приведенными на фиг.1 и 2 схемами, например:The invention is not limited to those shown in figures 1 and 2, for example:
- наличие теплообменников 7 и 7а не является обязательным;- the presence of heat exchangers 7 and 7a is not required;
- выходящий из тракта охлаждения 1d пар перед подачей на турбину 5 может подогреваться дополнительно газом, вырабатываемым при сгорании части топлива в специальном газогенераторе;- steam leaving the cooling path 1d before being fed to the turbine 5 can be additionally heated with gas generated when part of the fuel is burned in a special gas generator;
- количество рабочих колес в насосах и турбине может быть различным;- the number of impellers in the pumps and turbine may be different;
- использование в качестве рабочего тела турбины того же продукта, что и горючее ракетного топлива (например, сжиженные метан или природный газ), позволяет совместить функции (и конструкцию) насосов 3 и 4 в той или иной степени и т.д.- the use of the same product as the working fluid of the turbine of the propellant fuel (for example, liquefied methane or natural gas), allows you to combine the functions (and design) of pumps 3 and 4 to one degree or another, etc.
Технический результат от осуществления изобретения покажем на конкретном примере: для ЖРД на топливе "кислород - керосин" с тягой 1, 2 МН, функционирующего по схеме согласно фиг.1 без теплообменников 7 и 7а.The technical result from the implementation of the invention will show a specific example: for a liquid propellant liquid propellant rocket engine with a thrust of 1, 2 MN, operating according to the diagram according to Fig. 1 without heat exchangers 7 and 7a.
Исходные данные для расчета энергетического баланса ЖРД:The initial data for calculating the energy balance of the rocket engine:
- давление в камере 15 МПа;- pressure in the chamber 15 MPa;
- расход окислителя через двигатель 260 кг/с;- oxidizer consumption through the engine 260 kg / s;
- расход горючего через двигатель 100 кг/с;- fuel consumption through the engine 100 kg / s;
- рабочее тело турбины - аммиачный пар (газ) со сверхкритическими температурой и давлением.- the working fluid of the turbine is ammonia vapor (gas) with supercritical temperature and pressure.
Результаты расчета:Calculation Results:
- расход пара через турбину 36 кг/с;- steam flow through the turbine 36 kg / s;
- температура пара на входе/выходе турбины 300/60°С;- steam temperature at the inlet / outlet of the turbine 300/60 ° C;
- давление пара на входе/выходе турбины 17/0,8 МПа;- steam pressure at the inlet / outlet of the turbine 17 / 0.8 MPa;
- расход конденсата через насос 41 кг/с;- condensate flow through the pump 41 kg / s;
- температура аммиака на входе/выходе конденсатного насоса 0/12°С;- ammonia temperature at the inlet / outlet of the condensate pump 0/12 ° C;
- давление аммиака на входе/выходе конденсатного насоса 0,6/23 МПа;- ammonia pressure at the inlet / outlet of the condensate pump 0.6 / 23 MPa;
- на выходе смесителя 12 пар имеет давление 0,9 МПа и температуру 21°С при степени сухости 0,96;- at the outlet of the mixer 12 pairs has a pressure of 0.9 MPa and a temperature of 21 ° C with a degree of dryness of 0.96;
- рабочая поверхность теплообменника-конденсатора 60 м2;- working surface of the heat exchanger-condenser 60 m 2 ;
- масса дюралевой конструкции теплообменника-конденсатора 170 кг.- the mass of the duralumin design of the heat exchanger-condenser is 170 kg.
Таким образом, на конкретном примере показано, что изобретение позволяет осуществить ЖРД с высоким значением рк (чему соответствуют высокие показатели Iу) при приемлемых размерах и массе теплообменника-конденсатора. Этот технический результат получен благодаря тому, что на вход в рабочий тракт теплообменника-конденсатора подают не перегретый отработавший пар непосредственно с выхода турбины, а влажный пар (со степенью сухости 0,96), то есть парожидкостную смесь, в которой присутствуют центры конденсации, способствующие осуществлению процесса конденсации.Thus, in the particular example shown, the invention enables the expander to a high value p k (which correspond to high performance I y) as acceptable size and weight of the heat exchanger-condenser. This technical result was obtained due to the fact that the input to the working path of the heat exchanger-condenser is supplied not from overheated exhaust steam directly from the turbine outlet, but from wet steam (with a dry degree of 0.96), i.e., a vapor-liquid mixture in which condensation centers are present that contribute to the implementation of the condensation process.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003104583/06A RU2238424C1 (en) | 2003-02-17 | 2003-02-17 | Method of operation of liquid-propellant rocket engine with vapor-liquid loop in propellant turbopump delivery system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003104583/06A RU2238424C1 (en) | 2003-02-17 | 2003-02-17 | Method of operation of liquid-propellant rocket engine with vapor-liquid loop in propellant turbopump delivery system |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003104583A RU2003104583A (en) | 2004-09-10 |
RU2238424C1 true RU2238424C1 (en) | 2004-10-20 |
Family
ID=33537618
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003104583/06A RU2238424C1 (en) | 2003-02-17 | 2003-02-17 | Method of operation of liquid-propellant rocket engine with vapor-liquid loop in propellant turbopump delivery system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2238424C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2481550C1 (en) * | 2012-03-07 | 2013-05-10 | Николай Борисович Болотин | Liquid-propellant engine (versions) |
RU187155U1 (en) * | 2018-05-28 | 2019-02-21 | Владимир Анисимович Романов | Liquid-free rocket engine gasless steam chamber |
RU191201U1 (en) * | 2018-11-16 | 2019-07-29 | Владимир Анисимович Романов | Direct-flow steam engine with a nuclear heat source for ships. |
RU2788991C1 (en) * | 2022-03-17 | 2023-01-26 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Nuclear rocket engine on a compressed working substance |
-
2003
- 2003-02-17 RU RU2003104583/06A patent/RU2238424C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2481550C1 (en) * | 2012-03-07 | 2013-05-10 | Николай Борисович Болотин | Liquid-propellant engine (versions) |
RU187155U1 (en) * | 2018-05-28 | 2019-02-21 | Владимир Анисимович Романов | Liquid-free rocket engine gasless steam chamber |
RU191201U1 (en) * | 2018-11-16 | 2019-07-29 | Владимир Анисимович Романов | Direct-flow steam engine with a nuclear heat source for ships. |
RU2788991C1 (en) * | 2022-03-17 | 2023-01-26 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Nuclear rocket engine on a compressed working substance |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3978738B1 (en) | Hydrogen fuel vaporiser | |
US7458217B2 (en) | System and method for utilization of waste heat from internal combustion engines | |
RU2551458C2 (en) | Combined heat system with closed loop for recuperation of waste heat and its operating method | |
US4041699A (en) | High temperature gas turbine | |
JP2680792B2 (en) | POWER GENERATION METHOD AND POWER GENERATION DEVICE | |
US5331806A (en) | Hydrogen fuelled gas turbine | |
US7784268B1 (en) | Partial superheat cycle for operating a pump in a rocket system | |
US20100000217A1 (en) | Turbine engine with interstage heat | |
US5095693A (en) | High-efficiency gas turbine engine | |
JPS63302169A (en) | Gas supply device for gas fired diesel engine | |
JP2017506719A (en) | Power generation system and method having a partially recovered flow path | |
JPH04228832A (en) | Gas turbine and operation method therefor | |
JP2006084171A (en) | Cooling system for gas turbine engine having improved core system | |
US20120159923A1 (en) | System and method for using gas turbine intercooler heat in a bottoming steam cycle | |
JP4036914B2 (en) | Power plant operation | |
JP7080324B2 (en) | LNG revaporization | |
JP5184683B2 (en) | Enhanced combined cycle power through efficient use of atomized air energy | |
RU2238424C1 (en) | Method of operation of liquid-propellant rocket engine with vapor-liquid loop in propellant turbopump delivery system | |
JP2001515556A (en) | Hydrogen fuel power plant using heat transfer heat exchanger | |
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 | |
JP2680288B2 (en) | Steam injection gas turbine system and operating method thereof | |
US10352198B2 (en) | Method and apparatus bottoming cycle working fluid enthalpy control in a waste heat recovery apparatus | |
RU2197629C2 (en) | Method of operation of liquid-propellant rocket engine with turbopump delivery of cryogenic propellant on basis of fuel and oxygen oxidizer and liquid-propellant rocket engine for implementing said method | |
RU2202703C2 (en) | Liquid-propellant rocket engine with turbopump delivery of cryogenic propellant | |
GB2086483A (en) | Plant vaporizing a secondary fluid using heat of compression of a primary fluid. |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20050218 |