RU2514570C1 - Device for regenerative cooling of liquid-propellant engine supersonic section - Google Patents
Device for regenerative cooling of liquid-propellant engine supersonic section Download PDFInfo
- Publication number
- RU2514570C1 RU2514570C1 RU2012143899/06A RU2012143899A RU2514570C1 RU 2514570 C1 RU2514570 C1 RU 2514570C1 RU 2012143899/06 A RU2012143899/06 A RU 2012143899/06A RU 2012143899 A RU2012143899 A RU 2012143899A RU 2514570 C1 RU2514570 C1 RU 2514570C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nozzle
- coolant
- cooling
- valve
- section
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
- Jet Pumps And Other Pumps (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для охлаждения сверхзвуковой части сопла жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).The invention relates to rocket and space technology and can be used to cool the supersonic part of the nozzle of liquid rocket engines (LRE).
Многолетний опыт создания отечественных маршевых ЖРД для первых ступеней ракет-носителей (РН) показывает, что основным способом повышения их эффективности является увеличение давления в камере. При охлаждении камеры компонентом топлива, которое далее сжигается в ней, давление в тракте охлаждения (Рохл) всегда больше давления в камере (Рк). Это связано с тем, что ЖРД является двигателем непрерывного действия (в отличие, например, от циклически действующих двигателей внутреннего сгорания), поэтому для обеспечения непрерывного течения охладителя на участке от входа в тракт охлаждения до огневой полости камеры Рохл должно постоянно превышать Рк на величину суммы гидравлических сопротивлений этого участка (ΔР тракта охлаждения +ΔР смесительной головки +ΔР регуляторов… и т.д.). Уровень давления в камере современных ЖРД достигает 30 МПа, при этом давление в тракте охлаждения достигает значений 45 МПа. В патентах РФ [1,2] указывается, что дальнейшее увеличение давления в тракте охлаждения является опасным, так как может разрушить механические связи между внутренней и наружной оболочками камеры. Особенно острой эта проблема является для двигателей с дожиганием восстановительного газа, камера которых охлаждается горючим.Years of experience in creating domestic marching rocket engines for the first stages of launch vehicles (LV) show that the main way to increase their efficiency is to increase the pressure in the chamber. When the chamber is cooled by a fuel component, which is then burned in it, the pressure in the cooling path (Rohl) is always greater than the pressure in the chamber (Pk). This is due to the fact that the liquid propellant rocket engine is a continuous engine (unlike, for example, cyclically operating internal combustion engines), therefore, to ensure a continuous flow of the cooler in the area from the entrance to the cooling path to the firing cavity of the Rokhl chamber, it must constantly exceed Pk by the amount of hydraulic resistances of this section (ΔР of the cooling path + ΔР of the mixing head + ΔР of regulators ... etc.). The pressure level in the chamber of modern rocket engines reaches 30 MPa, while the pressure in the cooling path reaches 45 MPa. In the patents of the Russian Federation [1,2] it is indicated that a further increase in pressure in the cooling path is dangerous, since it can destroy the mechanical bonds between the inner and outer shells of the chamber. This problem is especially acute for engines with afterburning of reducing gas, the chamber of which is cooled by fuel.
Для того чтобы снизить давление в тракте охлаждения без снижения Рк, можно отказаться от охлаждения камеры сжигаемыми в ней компонентами топлива. Такой путь предложен в патенте РФ [3] (аналог). В предлагаемом устройстве системы охлаждения камеры, в котором теплоноситель, не являющийся сжигаемым в камере компонентом топлива, циркулирует по замкнутому контуру, содержащему насос, тракт регенеративного охлаждения камеры сгорания (КС), турбину, насос и теплообменник.In order to reduce the pressure in the cooling path without reducing Pc, one can refuse to cool the chamber with the components of the fuel burned in it. Such a path is proposed in the patent of the Russian Federation [3] (analogue). In the proposed device, the cooling system of the chamber, in which the coolant, which is not a component of the fuel burned in the chamber, circulates in a closed circuit containing a pump, a regenerative cooling path of the combustion chamber (KS), a turbine, a pump and a heat exchanger.
В тракте регенеративного охлаждения КС происходит охлаждение стенки камеры, а теплоноситель нагревается, превращаясь в пар. Далее полученный пар срабатывает на турбине, приводящей в действие насос. После турбины теплоноситель подается в теплообменник, где охлаждается или конденсируется за счет теплообмена с хладоносителем. Затем в насосе происходит нагнетание давления теплоносителя и он вновь поступает на вход в тракт регенеративного охлаждения КС. Предложенная система охлаждения позволяет за счет использования промежуточного теплоносителя и его повышенных перепадов давления в тракте регенеративного охлаждения КС интенсифицировать теплоотвод от внутренней стенки КС ЖРД и увеличить уровень давления в КС. Это ведет к увеличению удельного импульса двигателя и повышает плотность топлива. Однако реализация такой схемы охлаждения связана со значительными трудностями. При охлаждении всей камеры целиком для обеспечения приемлемого теплового состояния района критического сечения требуется большой расход теплоносителя и, соответственно, возникают проблемы с массо-габаритными характеристиками теплообменника. Кроме того, высокое гидравлическое сопротивление тракта охлаждения в районе критического сечения ограничивает возможности увязки мощностного баланса между насосом и турбиной теплоносителя. Поэтому при практической реализации предложенной системы охлаждения камеры указанные недостатки могут превысить полученный полезный эффект.In the path of regenerative cooling of the compressor, the chamber wall is cooled, and the coolant is heated, turning into steam. Next, the resulting steam is triggered on a turbine driving the pump. After the turbine, the coolant is supplied to the heat exchanger, where it is cooled or condensed due to heat exchange with the coolant. Then, the coolant pressure is pumped up in the pump and it again enters the inlet to the regenerative cooling circuit of the compressor station. The proposed cooling system allows, through the use of an intermediate coolant and its increased pressure drops in the regenerative cooling path of the compressor, to intensify the heat sink from the internal wall of the compressor rocket engine and increase the pressure level in the compressor. This leads to an increase in engine specific impulse and increases fuel density. However, the implementation of such a cooling scheme is associated with significant difficulties. When cooling the entire chamber in order to ensure an acceptable thermal state of the critical section area, a large flow rate of the coolant is required and, accordingly, problems arise with the mass-dimensional characteristics of the heat exchanger. In addition, the high hydraulic resistance of the cooling duct in the region of the critical section limits the possibilities of linking the power balance between the pump and the coolant turbine. Therefore, in the practical implementation of the proposed camera cooling system, these drawbacks may exceed the obtained beneficial effect.
Вместе с тем, уровень риска разрушения связей между оболочками камеры существенно отличается для разных ее участков. В области высоких тепловых потоков (т.е. на блоке камеры, включающем в себя камеру сгорания, входную часть сопла и район критического сечения) количество ребер и, соответственно, количество механических связей между оболочками, создаваемых пайкой по вершинам этих ребер, настолько велико, что является избыточным с точки зрения обеспечения прочности связей между оболочками. И связано это с тем, что количество ребер и их геометрические характеристики выбираются в первую очередь из условий обеспечения надежного охлаждения камеры (максимальное количество тепла, передаваемое боковыми поверхностями ребер в охладитель, обеспечение требуемой скорости движения охладителя), и при этом автоматически обеспечивается необходимая прочность связей между оболочками. Так, по результатам расчетно-экспериментальных исследований уровень давления, разрушающего эти связи, превосходит рабочее давление в тракте охлаждения в несколько раз. Таким образом, давление в тракте охлаждения блока камеры сгорания не является фактором, лимитирующим увеличение Рк. Поэтому охлаждение блока камеры вполне может осуществляться традиционным способом, т.е. компонентом топлива с большим давлением.At the same time, the level of risk of breaking bonds between the shells of the chamber is significantly different for its different sections. In the region of high heat fluxes (i.e., on the chamber block including the combustion chamber, the nozzle inlet and the critical section area), the number of ribs and, accordingly, the number of mechanical bonds between shells created by soldering along the vertices of these ribs is so large which is redundant in terms of ensuring the strength of the bonds between the shells. And this is due to the fact that the number of ribs and their geometric characteristics are selected primarily from the conditions for ensuring reliable cooling of the chamber (the maximum amount of heat transferred by the side surfaces of the ribs to the cooler, ensuring the required speed of movement of the cooler), and the necessary bond strength is automatically ensured between the shells. So, according to the results of computational and experimental studies, the level of pressure that destroys these bonds exceeds the working pressure in the cooling path several times. Thus, the pressure in the cooling path of the combustion chamber unit is not a factor limiting the increase in Pk. Therefore, the cooling of the camera unit may well be carried out in the traditional way, i.e. high pressure fuel component.
По-другому обстоит дело в сверхзвуковой части сопла. Тепловые потоки в сверхзвуковой части сопла существенно меньше, чем в блоке камеры. Это приводит к тому, что к системе охлаждения предъявляются гораздо менее жесткие требования и поэтому количество ребер определяется, в основном, только лишь соображениями достаточной прочности связей между оболочками и достаточной жесткостью огневой стенки между ребрами. Однако при высоких давлениях в тракте охлаждения весьма сложно обеспечить большие запасы по прочности сверхзвуковой части сопла. Это связано со значительными габаритными размерами по сравнению с блоком камеры. Так, например, если тракт охлаждения сверхзвуковой части сопла выполнять с шагом оребрения близким к шагу ребер в критическом сечении, сопло получится недопустимо тяжелым. Также можно отметить трудоемкость и сложность изготовления паяных сопел, наличие плохо прогнозируемых нагрузок (например, вибрационных) - все это повышает риск разрушения сопел, особенно в условиях сверхвысоких давлений в тракте охлаждения.The situation is different in the supersonic part of the nozzle. Heat fluxes in the supersonic part of the nozzle are significantly less than in the chamber unit. This leads to the fact that much less stringent requirements are imposed on the cooling system and therefore the number of ribs is determined mainly only by considerations of sufficient strength of the bonds between the shells and sufficient rigidity of the fire wall between the ribs. However, at high pressures in the cooling path it is very difficult to provide large reserves of strength of the supersonic part of the nozzle. This is due to significant overall dimensions compared to the camera unit. So, for example, if the cooling path of the supersonic part of the nozzle is performed with a fin step close to the step of the ribs in the critical section, the nozzle will turn out to be unacceptably heavy. You can also note the complexity and complexity of manufacturing soldered nozzles, the presence of poorly predicted loads (for example, vibrational) - all this increases the risk of destruction of the nozzles, especially under conditions of ultrahigh pressure in the cooling path.
В связи с этим, при создании современных ЖРД с высоким давлением в камере, особенно для нижних ступеней РН, целесообразно снижать давление в тракте охлаждения не во всей камере (как это делается в аналоге [3]), а только в наименее прочной ее части - в сверхзвуковой части сопла.In this regard, when creating modern high-pressure rocket engines with a high pressure in the chamber, especially for the lower stages of the launch vehicle, it is advisable to reduce the pressure in the cooling path not in the entire chamber (as is done in the analogue [3]), but only in the least durable part of it - in the supersonic part of the nozzle.
В работе [4] (прототип) предложена схема кислородно-метанового ЖРД с дожиганием восстановительного генераторного газа, в которой блок камеры охлаждается горючим с высоким давлением, поступающим далее в газогенератор, турбину и смесительную головку камеры, а сверхзвуковая часть сопла охлаждается аммиаком низкого давления, циркулирующим по замкнутому контуру, и имеет свой, независимый от системы подачи компонентов топлива турбонасосный агрегат. Пары аммиака после охлаждения сопла вращают турбину, далее ожижаются в теплообменнике (хладагент - расход жидкого кислорода, сжигаемый в камере) и сжимаются насосом, после чего опять поступают в тракт охлаждения сопла. Привод насоса осуществляется турбиной, вращаемой разогретыми после тракта охлаждения парами аммиака. При этом давление в аммиачном контуре существенно ниже, даже чем давление в камере. Предложенный способ реализации указанной выше идеи снижения давления охладителя не во всем тракте охлаждения камеры, а только в сверхзвуковой части сопла имеет следующие недостатки:In [4] (prototype), a scheme of an oxygen-methane liquid propellant rocket engine with afterburning of a reducing generator gas was proposed, in which the chamber unit is cooled by high-pressure fuel, which then goes to the gas generator, turbine, and the mixing head of the chamber, and the supersonic part of the nozzle is cooled by low-pressure ammonia, circulating in a closed circuit, and has its own, independent of the fuel component supply system, turbopump unit. Ammonia vapor after cooling the nozzle rotates the turbine, then liquefies in a heat exchanger (refrigerant is the flow of liquid oxygen burned in the chamber) and is compressed by the pump, after which it again enters the nozzle cooling path. The pump is driven by a turbine rotated by ammonia vapor preheated after the cooling path. In this case, the pressure in the ammonia circuit is significantly lower, even than the pressure in the chamber. The proposed method for implementing the above idea of reducing the pressure of the cooler not in the entire cooling path of the chamber, but only in the supersonic part of the nozzle has the following disadvantages:
- необоснованно сужена область применения предлагаемой схемы охлаждения (кислородно-метановый ЖРД с дожиганием восстановительного генераторного газа) - такая схема может использоваться для любого ЖРД с высоким давлением в камере;- the scope of the proposed cooling scheme is unreasonably narrowed (oxygen-methane LRE with afterburning of the reducing generator gas) - such a scheme can be used for any high-pressure LRE in the chamber;
- выбор в качестве теплоносителя для контура охлаждения аммиака, а в качестве хладагента жидкого кислорода может привести к замерзанию аммиака и закупорке теплообменника.- the choice of ammonia as a coolant for the cooling circuit, and liquid oxygen as a coolant can lead to freezing of ammonia and blockage of the heat exchanger.
Кроме того, с точки зрения теплового состояния предлагаемая схема работает только на стационарном режиме. На момент запуска двигателя аммиак не прогрет, нагнетающий насос не вращается, поэтому отсутствует циркуляция теплоносителя по контуру охлаждения сверхзвуковой части сопла. Соответственно, отсутствует и охлаждение, что практически мгновенно приведет к перегреву стенки и к ее прогару.In addition, from the point of view of the thermal state, the proposed scheme works only in stationary mode. At the time of starting the engine, ammonia is not heated, the charge pump does not rotate, therefore there is no circulation of the coolant along the cooling circuit of the supersonic part of the nozzle. Accordingly, there is no cooling, which almost instantly leads to overheating of the wall and to burnout.
Задачей предлагаемого изобретения является создание работоспособного на переходных и стационарных режимах работы устройства охлаждения сверхзвуковой части сопла с низким уровнем давления охладителя (Рохл << Рк), что должно обеспечить возможность создания высокоэкономичных ЖРД с повышенным давлением в камере, с одновременным упрощением изготовления сопел и повышением их надежности.The objective of the invention is to create a transient and stationary operation device for cooling the supersonic part of the nozzle with a low level of cooler pressure (Rokhl << Rk), which should provide the ability to create highly economical liquid-propellant rocket engines with increased pressure in the chamber, while simplifying the manufacture of nozzles and increasing them reliability.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройстве для регенеративного охлаждения сверхзвуковой части сопла ЖРД, включающем бак теплоносителя с клапаном и контур циркуляции теплоносителя, состоящий из тракта охлаждения сверхзвуковой части сопла, турбины, теплообменника, насоса и соединяющих их магистралей, в контуре циркуляции теплоносителя на магистрали, соединяющей выход тракта охлаждения сверхзвуковой части сопла с входом турбины, установлен обратный клапан, а бак теплоносителя с клапаном присоединен к этой магистрали на участке между обратным клапаном и турбиной, кроме этого на участке магистрали между выходом тракта охлаждения сверхзвуковой части сопла и обратным клапаном подключен выхлопной патрубок с клапаном или ресивер.The solution to this problem is achieved by the fact that in the device for regenerative cooling of the supersonic part of the LRE nozzle, which includes a heat carrier tank with a valve and a coolant circulation circuit, consisting of a cooling path of the supersonic part of the nozzle, turbine, heat exchanger, pump and mains connecting them, in the heat carrier circulation circuit to a check valve is installed on the line connecting the output of the cooling path of the supersonic part of the nozzle to the turbine inlet, and a coolant tank with a valve is connected to this line at the section between the non-return valve and the turbine, in addition, at the section of the main line between the output of the cooling path of the supersonic part of the nozzle and the non-return valve, an exhaust pipe with a valve or receiver is connected.
Наличие обратного клапана и введения выхлопного патрубка с клапаном или ресивера в контур циркуляции теплоносителя позволяют обеспечить надежную работу камеры на стационарном режиме малым расходом теплоносителя, который циркулирует по замкнутому контуру, включающему в себя насос теплоносителя, тракт охлаждения сверхзвуковой части сопла, обратный клапан, турбину, приводящую во вращение насос теплоносителя и теплообменник. На режиме запуска двигателя в случае подключения на участке магистрали между выходом тракта охлаждения сверхзвуковой части сопла и обратным клапаном выхлопного патрубка с клапаном теплоноситель течет по разомкнутому контуру, включающему пусковой бак с запасом теплоносителя, клапан, турбину, теплообменник, насос теплоносителя, тракт охлаждения сверхзвуковой части сопла и выхлопной патрубок с установленным на нем клапаном. На режиме запуска двигателя, при подключении на этом участке магистрали ресивера теплоноситель с самого начала циркулирует по замкнутому контуру. Очевидно, что выхлопной патрубок имеет меньшую массу, чем ресивер, однако при использовании патрубка происходит расходование теплоносителя, что может перекрыть его весовые преимущества. По-видимому, целесообразность использования выхлопного патрубка с клапаном или ресивера будет определяться прежде всего циклограммой запуска двигателя. Так, для двигателей с «пушечным» запуском предпочтительным является более энергичное охлаждение сопла в ходе запуска, т.е. использование выхлопного патрубка, а для двигателей, запускаемых достаточно плавно через промежуточную ступень тяги, предпочтительным является использование ресивера.The presence of a non-return valve and the introduction of an exhaust pipe with a valve or a receiver into the coolant circuit allow reliable operation of the chamber in stationary mode with a small flow rate of the coolant that circulates in a closed circuit that includes a coolant pump, a supersonic nozzle cooling path, a check valve, a turbine, the heat transfer pump and the heat exchanger, which rotate. In the engine start mode, if a supersonic part of the nozzle is connected between the outlet of the cooling path of the nozzle and the exhaust pipe check valve with the valve, the coolant flows through an open circuit, including a starting tank with a coolant reserve, a valve, a turbine, a heat exchanger, a coolant pump, and a supersonic part cooling path nozzles and exhaust pipe with a valve installed on it. When the engine starts, when connected to this section of the receiver line, the coolant circulates from the very beginning in a closed loop. It is obvious that the exhaust pipe has a lower mass than the receiver, however, when using the pipe, the coolant is consumed, which may block its weight advantages. Apparently, the feasibility of using an exhaust pipe with a valve or receiver will be determined primarily by the engine start sequence diagram. So, for engines with a “cannon” start, it is preferable to more energetically cool the nozzle during start-up, i.e. the use of an exhaust pipe, and for engines that start quite smoothly through an intermediate stage of traction, it is preferable to use a receiver.
Низкое давление в контуре циркуляции теплоносителя прежде всего обеспечивается тем, что отсутствует необходимость подачи охладителя в смесительную головку камеры и, кроме того, охлаждение сверхзвуковой части сопла не требует больших скоростей течения охладителя и, соответственно, высокого давления в охлаждающем тракте для компенсации гидравлических потерь. При использовании предлагаемого устройства регенеративного охлаждения, например, в составе двигателя первой ступени с Рк=17 МПа максимальное давление теплоносителя не превысит 5 МПа. Это позволит создавать ЖРД с высоким давлением в камере, но без увеличения риска разрушения сверхзвуковой части сопла. Кроме того, такой уровень давления охладителя позволит отказаться от паяно-фрезерованной конструкции тракта охлаждения сверхзвуковой части сопла и вернуться к конструкции, в которой внутренняя и наружная оболочки соединяются точечной сваркой в местах локальных выштамповок в наружной оболочке. Это позволит снять существующие на настоящий момент ограничения, накладываемые на габариты сопла размерами использующихся в промышленности вакуумных печей, и существенно снизит трудоемкость изготовления сопел.The low pressure in the coolant circulation circuit is primarily ensured by the fact that there is no need to supply cooler to the mixing head of the chamber and, in addition, the cooling of the supersonic part of the nozzle does not require high flow rates of the cooler and, accordingly, high pressure in the cooling path to compensate for hydraulic losses. When using the proposed regenerative cooling device, for example, as part of a first-stage engine with Pk = 17 MPa, the maximum pressure of the coolant will not exceed 5 MPa. This will allow you to create a rocket engine with high pressure in the chamber, but without increasing the risk of destruction of the supersonic part of the nozzle. In addition, this level of pressure of the cooler will allow you to abandon the brazed-milled design of the cooling path of the supersonic part of the nozzle and return to the design in which the inner and outer shells are connected by spot welding in places of local stampings in the outer shell. This will remove the currently existing restrictions imposed on the dimensions of the nozzle by the dimensions used in the industry of vacuum furnaces, and significantly reduce the complexity of manufacturing nozzles.
Предложенное устройство для регенеративного охлаждения сверхзвуковой части сопла ЖРД поясняется представленными схемами Фиг.1 и Фиг.2. На Фиг.1 изображено устройство для регенеративного охлаждения сверхзвуковой части сопла ЖРД с подключением на участке магистрали между выходом тракта охлаждения сверхзвуковой части сопла и обратным клапаном выхлопного патрубка, оснащенного клапаном. На Фиг.2 - устройство с подключением на этом участке магистрали ресивера.The proposed device for regenerative cooling of the supersonic part of the LPRE nozzle is illustrated by the presented schemes of Fig.1 and Fig.2. Figure 1 shows a device for regenerative cooling of the supersonic part of the nozzle of the rocket engine with a connection on the section of the line between the output of the cooling path of the supersonic part of the nozzle and the check valve of the exhaust pipe equipped with a valve. Figure 2 is a device with a connection on this section of the receiver line.
Устройство для регенеративного охлаждения сверхзвуковой части сопла ЖРД (Фиг.1, Фиг.2) включает в себя бак теплоносителя 1 с клапаном 2, турбину 3, теплообменник 4, насос 5, тракт охлаждения сверхзвуковой части сопла 6, общий вал турбины и насоса 7, обратный клапан 8, клапан 9 выхлопного патрубка и ресивер 10.A device for regenerative cooling of the supersonic part of the LPRE nozzle (FIG. 1, FIG. 2) includes a
Предлагаемое устройство (Фиг.1) функционирует следующим образом. В баке 1 под давлением содержится теплоноситель. После запуска двигателя открываются клапаны 2, 9 и теплоноситель начинает поступать из бака теплоносителя 1 в магистраль между обратным клапаном 8 и турбиной 3. При этом обратный клапан 8 закрыт, поэтому теплоноситель движется в направлении турбины 3, попадает на лопатки ее рабочего колеса и начинает раскручивать турбину 3, через общий вал 7 начинает работать насос 5. После турбины теплоноситель проходит через теплообменник, насос и попадает в тракт охлаждения сверхзвуковой части сопла 6 и охлаждает начинающую прогреваться стенку сопла, затем теплоноситель сбрасывается через выхлопной патрубок с открытым клапаном 9 в атмосферу или в выхлопную струю двигателя. Движение теплоносителя в момент запуска по описанному выше разомкнутому контуру осуществляется за счет того, что давление в баке 1 выше атмосферного. Вследствие заполнения магистралей контура системы охлаждения теплоносителем из бака 1 из них вытесняется первичная среда, содержавшаяся там до открытия клапана 2. Далее, в определенный момент времени происходит закрытие клапанов 2, 9. Общий вал 7 с расположенными на нем турбиной 3 и насосом 5 продолжает вращаться по инерции (подобно маховику). Насос 5 за счет запасенной механической энергии продолжает нагнетать теплоноситель в магистрали, расположенные между насосом 5 и обратным клапаном 8, и одновременно с этим продолжает высасывать теплоноситель из магистралей на участке, содержащем турбину 3 и теплообменник 4. При этом давление на участке, содержащем тракт охлаждения сверхзвуковой части сопла, растет, а на участке, содержащем турбину 3 и теплообменник 4, падает. Указанные тенденции изменения давлений усиливаются понижением температуры теплоносителя в теплообменнике и повышением его температуры в прогревшемся тракте охлаждения сверхзвуковой части сопла. В результате возникает заданный перепад давлений на обратном клапане 8, он открывается, возникает замкнутый контур циркуляции теплоносителя, после чего система охлаждения выходит на стационарный режим. На стационарном режиме работы теплоноситель охлаждает стенку сверхзвуковой части сопла, превращаясь при этом в пар, далее полученный пар «срабатывает» на турбине 3 и поступает в теплообменник 4, где, передавая тепловую энергию хладагенту, сам ожижается и поступает в насос 5, сжимается в нем и снова подается в тракт охлаждения сверхзвуковой части сопла 6. В качестве хладагента в теплообменнике используется один из компонентов топлива. Таким образом, на стационарном режиме работы подведенное к теплоносителю в тракте охлаждения тепло частично превращается на турбине в механическую энергию, вращающую насос, а неиспользованное на турбине тепло передается в теплообменнике хладагенту, который, являясь компонентом топлива, далее поступает в камеру и сгорает.The proposed device (Figure 1) operates as follows. In the
В устройстве для регенеративного охлаждения сверхзвуковой части сопла (Фиг.2) отсутствует выхлопной патрубок с клапаном - вместо него устанавливается ресивер 10. На стационарном режиме предложенное устройство охлаждения работает точно так же, как и рассмотренное выше (Фиг.1). Отличия имеются в процедуре запуска. Устройство охлаждения с самого начала представляет собой замкнутый контур, заполненный парами теплоносителя низкого давления. После открытия клапана 2 движение теплоносителя по контуру возникает не за счет стравливания теплоносителя из бака теплоносителя 1 в атмосферу, а за счет заполнения емкости ресивера 10. В остальном процесс запуска не отличается от рассмотренного выше.In the device for regenerative cooling of the supersonic part of the nozzle (Figure 2) there is no exhaust pipe with a valve - instead of it a
При использовании в качестве хладагента криогенного компонента топлива в качестве теплоносителя может использоваться вещество с температурой затвердевания ниже, чем температура хладагента в теплообменнике, что исключит возможность замерзания теплоносителя, например хладагент - жидкий кислород, теплоноситель - метан. Преимуществом предложенного устройства для регенеративного охлаждения сверхзвуковой части сопла является то, что появляется возможность выбора для сопла более эффективного охладителя, не входящего в состав топлива. В настоящее время в рамках Федеральной космической программы ведется проработка двигателей, выполненных по схеме с дожиганием восстановительного газа. Также в России недавно создан действующий кислородно-метановый двигатель-демонстратор С5.86 с дожиганием восстановительного газа. Предлагаемое устройство может существенно повысить надежность двигателей такого типа.When a cryogenic fuel component is used as a coolant, a substance with a solidification temperature lower than the temperature of the coolant in the heat exchanger can be used as a coolant, which will exclude the possibility of freezing of the coolant, for example, coolant - liquid oxygen, coolant - methane. An advantage of the proposed device for regenerative cooling of the supersonic part of the nozzle is that it becomes possible to choose a more efficient cooler for the nozzle that is not part of the fuel. Currently, as part of the Federal Space Program, the study is underway of engines made according to the scheme with afterburning of reducing gas. Also in Russia, the recently created operating oxygen-methane engine demonstrator C5.86 with afterburning of reducing gas has been created. The proposed device can significantly improve the reliability of engines of this type.
Источники информацииInformation sources
1. Патент РФ №2166661 "Способ работы жидкостного ракетного двигателя с турбонасосной подачей кислородно-метанового топлива", опубл. 10.05.2001.1. RF patent No. 2166661 "Method of operation of a liquid propellant rocket engine with a turbopump supply of oxygen-methane fuel", publ. 05/10/2001.
2. Патент РФ №2209993 "Способ работы жидкостного ракетного двигателя с турбонасосной подачей кислородно-метанового топлива", опубл. 10.08.2003.2. RF patent No. 2209993 "Method of operation of a liquid propellant rocket engine with a turbopump supply of oxygen-methane fuel", publ. 08/10/2003.
3. Патент РФ №2205288, "Система охлаждения камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя", опубл. 27.05.2003.3. RF patent No. 2205288, "The cooling system of the combustion chamber of a liquid rocket engine", publ. 05/27/2003.
4. Д.Ф.Слесарев, В.И.Тарарышкин и др. "Особенности организации охлаждения сопел маршевых ЖРД, выполненных по схеме с дожиганием восстановительного генераторного газа", опубл. журнал «Полет», №7,2011.4. DF Slesarev, VI Tararyshkin and others. "Features of the organization of cooling nozzles of marching rocket engines, made according to the scheme with afterburning of regenerative generator gas", publ. Flight magazine, No. 7,2011.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012143899/06A RU2514570C1 (en) | 2012-10-16 | 2012-10-16 | Device for regenerative cooling of liquid-propellant engine supersonic section |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012143899/06A RU2514570C1 (en) | 2012-10-16 | 2012-10-16 | Device for regenerative cooling of liquid-propellant engine supersonic section |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012143899A RU2012143899A (en) | 2014-04-27 |
RU2514570C1 true RU2514570C1 (en) | 2014-04-27 |
Family
ID=50515085
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012143899/06A RU2514570C1 (en) | 2012-10-16 | 2012-10-16 | Device for regenerative cooling of liquid-propellant engine supersonic section |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2514570C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2687548C1 (en) * | 2018-07-31 | 2019-05-14 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" | Device for regenerative cooling of supersonic part of liquid rocket engine nozzle |
CN109779787A (en) * | 2018-12-28 | 2019-05-21 | 中国运载火箭技术研究院 | Reuse aircraft liquid methane circulating precooling system |
RU2746029C1 (en) * | 2020-08-26 | 2021-04-06 | Акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" | Chamber of a liquid-propellant rocket engine operating with afterburning of a reducing generator gas |
EP3988784A1 (en) | 2020-10-22 | 2022-04-27 | Cryogenic And Vacuum Systems, Sia | Electric rocket engine cooling system |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB762909A (en) * | 1954-08-11 | 1956-12-05 | Alfred George Turner | Anti-slip device for a ladder |
RU2201519C2 (en) * | 2001-06-06 | 2003-03-27 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Концерн "Системпром" | Method of protection of thermally stressed objects from action of high temperature flow |
RU2205288C2 (en) * | 2000-05-03 | 2003-05-27 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" | Cooling system of combustion chamber of liquid- propellant rocket engine |
EP1022455B1 (en) * | 1999-01-21 | 2009-01-14 | Otkrytoe Aktsionernoe Obschestvo "NPO Energomash Imeni Akademika V.P. Glushko" | Liquid-propellant rocket engine chamber and its casing |
US20100218482A1 (en) * | 2006-08-25 | 2010-09-02 | Greason Jeffrey K | System and method for cooling rocket engines |
-
2012
- 2012-10-16 RU RU2012143899/06A patent/RU2514570C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB762909A (en) * | 1954-08-11 | 1956-12-05 | Alfred George Turner | Anti-slip device for a ladder |
EP1022455B1 (en) * | 1999-01-21 | 2009-01-14 | Otkrytoe Aktsionernoe Obschestvo "NPO Energomash Imeni Akademika V.P. Glushko" | Liquid-propellant rocket engine chamber and its casing |
RU2205288C2 (en) * | 2000-05-03 | 2003-05-27 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" | Cooling system of combustion chamber of liquid- propellant rocket engine |
RU2201519C2 (en) * | 2001-06-06 | 2003-03-27 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Концерн "Системпром" | Method of protection of thermally stressed objects from action of high temperature flow |
US20100218482A1 (en) * | 2006-08-25 | 2010-09-02 | Greason Jeffrey K | System and method for cooling rocket engines |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2687548C1 (en) * | 2018-07-31 | 2019-05-14 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" | Device for regenerative cooling of supersonic part of liquid rocket engine nozzle |
CN109779787A (en) * | 2018-12-28 | 2019-05-21 | 中国运载火箭技术研究院 | Reuse aircraft liquid methane circulating precooling system |
RU2746029C1 (en) * | 2020-08-26 | 2021-04-06 | Акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" | Chamber of a liquid-propellant rocket engine operating with afterburning of a reducing generator gas |
EP3988784A1 (en) | 2020-10-22 | 2022-04-27 | Cryogenic And Vacuum Systems, Sia | Electric rocket engine cooling system |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012143899A (en) | 2014-04-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3623602B1 (en) | Hybrid expander cycle with intercooling and turbo-generator | |
US10082081B2 (en) | Heat exchanger arrangement for turbine engine | |
US6817185B2 (en) | Engine with combustion and expansion of the combustion gases within the combustor | |
US10280803B2 (en) | Energy storage device and method for storing energy | |
US10526963B2 (en) | Cooling of turbine engine by evaporation | |
US6769242B1 (en) | Rocket engine | |
CN105556096A (en) | A rotor assembly for an open cycle engine, and an open cycle engine | |
JP2017506719A (en) | Power generation system and method having a partially recovered flow path | |
RU2514570C1 (en) | Device for regenerative cooling of liquid-propellant engine supersonic section | |
JPH02211331A (en) | Gas turbine engine | |
US20180156508A1 (en) | Expendable driven heat pump cycles | |
US3769789A (en) | Rankine cycle engine | |
US9970293B2 (en) | Liquid ring rotating casing steam turbine and method of use thereof | |
US11384687B2 (en) | Anti-icing system for gas turbine engine | |
US20230407768A1 (en) | Hydrogen fueled turbine engine pinch point water separator | |
US20230374938A1 (en) | Hydrogen fueled turbine engine condenser duct | |
US8978387B2 (en) | Hot gas path component cooling for hybrid pulse detonation combustion systems | |
JP6615347B2 (en) | System and method for power generation | |
EP3728815A1 (en) | System and method for generating power | |
US20140075934A1 (en) | Line circuit and method for operating a line circuit for waste-heat utilization of an internal combustion engine | |
RU2687548C1 (en) | Device for regenerative cooling of supersonic part of liquid rocket engine nozzle | |
US20200277881A1 (en) | System and process for transforming thermal energy into kinetic energy | |
JP2007270622A (en) | Internal combustion engine system | |
US20140216045A1 (en) | Gas turbine with improved power output | |
JP2007270621A (en) | Internal combustion engine system |