RU2532454C1 - Method of liquid propellant rocket engine boosting by thrust and liquid propellant rocket engine - Google Patents
Method of liquid propellant rocket engine boosting by thrust and liquid propellant rocket engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2532454C1 RU2532454C1 RU2013135372/06A RU2013135372A RU2532454C1 RU 2532454 C1 RU2532454 C1 RU 2532454C1 RU 2013135372/06 A RU2013135372/06 A RU 2013135372/06A RU 2013135372 A RU2013135372 A RU 2013135372A RU 2532454 C1 RU2532454 C1 RU 2532454C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- turbine
- additional
- rocket engine
- chamber
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области ракетного двигателестроения, ориентированного на космические транспортные системы.The present invention relates to the field of rocket propulsion, focused on space transport systems.
Одним из требований, предъявляемых к жидкостному ракетному двигателю (ЖРД), является требование по обеспечению возможности управления величиной тяги в процессе полета ракеты, в том числе, в сторону ее увеличения, т.е. форсирования. Реализация процесса изменения тяги ЖРД происходит путем изменения расхода топлива через камеру сгорания, которое, в свою очередь, достигается изменением давления подачи топлива. Последнее достигается для ЖРД, оснащенных турбонасосной системой подачи топлива, посредством изменения частоты вращения ротора турбонасосного агрегата (ТНА) за счет изменения мощности турбины.One of the requirements for a liquid rocket engine (LRE) is the requirement to provide the ability to control the magnitude of the thrust during the flight of the rocket, including, in the direction of its increase, i.e. forcing. The process of changing the thrust of the liquid propellant rocket engine occurs by changing the fuel consumption through the combustion chamber, which, in turn, is achieved by changing the pressure of the fuel supply. The latter is achieved for liquid propellant engines equipped with a turbopump fuel supply system by changing the rotor speed of the turbopump assembly (TNA) by changing the turbine power.
Известен способ изменения мощности турбины ТНА при регулировании тяги ЖРД путем изменения температуры газа перед турбиной и связанным с этим изменением массового расхода газа. По этому способу управляются двигатели, имеющие в своем составе двухкомпонентный газогенератор для выработки рабочего тела турбины (см. схему в книге Т.М.Мелькумова и др. Ракетные двигатели, М.: Машиностроение, 1968, стр.11, рис.1.5).A known method of changing the power of the turbine TNA when regulating the thrust of the rocket engine by changing the temperature of the gas in front of the turbine and the associated change in the mass flow of gas. By this method, engines are controlled that have a two-component gas generator for generating a turbine working fluid (see the diagram in the book of T.M. Melkumov et al. Rocket Engines, M .: Mashinostroenie, 1968, p. 11, Fig. 1.5).
Недостатком данного способа является невозможность форсирования двигателя более чем на 5-10% из-за существенного увеличения температуры генераторного газа или снижения его экономичности на номинальном режиме при работе на низком значении температуры генераторного газа.The disadvantage of this method is the inability to force the engine by more than 5-10% due to a significant increase in the temperature of the generator gas or a decrease in its economy in nominal mode when operating at a low temperature of the generator gas.
Известен способ форсирования по тяге жидкостного ракетного двигателя, содержащего газовую турбину, приводимую в действие паром одного из компонентов топлива, образованным в охлаждающем тракте камеры сгорания, основанный на изменении энергетических параметров функционирования, а именно увеличении температуры газа перед турбиной, отличающийся тем, что в поток пара перед подачей его на турбину впрыскивают дозированное количество другого компонента топлива и поджигают образовавшуюся топливную смесь - прототип (см. патент РФ №2451202 от 27.04.2011, МПК F04D 29/00, F02K 11/00).A known method of boosting the thrust of a liquid propellant rocket engine containing a gas turbine driven by steam of one of the fuel components formed in the cooling path of the combustion chamber, based on a change in the energy parameters of operation, namely, an increase in the temperature of the gas in front of the turbine, characterized in that the steam is injected with a metered amount of another fuel component before it is fed to the turbine and the resulting fuel mixture is ignited - prototype (see RF patent No. 2451202 of 04/27/2 011, IPC F04D 29/00,
Недостатком данного технического решения является усложнение схемы двигателя и снижение показателей надежности (вводятся новые агрегаты: газогенератор с системой воспламенения, агрегаты автоматики и регулирования), а также возможность образования сажи в дополнительном газогенераторе кислородно-углеводородного ЖРД.The disadvantage of this technical solution is the complication of the engine circuit and the reduction of reliability indicators (new units are introduced: a gas generator with an ignition system, automation and regulation units), as well as the possibility of soot formation in an additional gas generator of an oxygen-hydrocarbon rocket engine.
Известен жидкостный ракетный двигатель, содержащий камеру сгорания с трактом охлаждения и форсуночной головкой, насос горючего, насос окислителя и турбину, сообщенную входом с охлаждаемым трактом камеры сгорания, причем в трубопровод, соединяющий тракт охлаждения камеры и турбину, вмонтировано устройство, содержащее диффузор и форсунку.A liquid-propellant rocket engine is known, comprising a combustion chamber with a cooling path and a nozzle head, a fuel pump, an oxidizer pump and a turbine communicated by an inlet with a cooled path of the combustion chamber, and a device containing a diffuser and a nozzle is mounted in a pipe connecting the chamber cooling path and the turbine.
Недостатками данного технического решения являются недостатки, описанные выше.The disadvantages of this technical solution are the disadvantages described above.
Известен жидкостный ракетный двигатель, содержащий камеру сгорания с трактом охлаждения и форсуночной головкой, газогенератор, насос горючего, насос окислителя и турбину, сообщенную входом с газогенератором, а выходом - с форсуночной головкой, имеющий дополнительную турбину, вход которой сообщен с выходом из тракта охлаждения, а выход - с форсуночной головкой (см. патент РФ №2352804, МПК F02K 9/44, от 06.12.2007 г. - прототип).Known liquid rocket engine containing a combustion chamber with a cooling path and a nozzle head, a gas generator, a fuel pump, an oxidizer pump and a turbine communicated with the inlet of the gas generator, and the output with the nozzle head having an additional turbine, the input of which is communicated with the exit of the cooling path, and the output is with a nozzle head (see RF patent No. 2352804, IPC F02K 9/44, dated December 6, 2007 - prototype).
Особенность ЖРД, принятого за прототип, является то, что температура паров испарившегося в рубашке камеры компонента топлива, формируемая детерминированной величиной теплосъема (при фиксированном сочетании площади теплоотдающей поверхности и массового расхода компонента топлива через охлаждающий тракт), невелика (450-500 К). Эта температура значительно ниже допустимого уровня по условию обеспечения работоспособности турбины (до 1200 К) и, что существенно, с увеличением тяги значение температуры уменьшается до уровня 150-250 К, снижая тем самым эффективную мощность турбины.A feature of the liquid propellant rocket engine adopted for the prototype is that the temperature of the vapor of the fuel component evaporated in the chamber jacket formed by the deterministic heat removal value (for a fixed combination of the heat-transfer surface area and the mass flow rate of the fuel component through the cooling path) is low (450-500 K). This temperature is much lower than the permissible level under the condition of ensuring the turbine operability (up to 1200 K) and, significantly, with increasing thrust, the temperature decreases to the level of 150-250 K, thereby reducing the effective power of the turbine.
Поскольку для двигателей тягой 250÷400 тс мощность дополнительной турбины составляет 10-15% от мощности основной турбины, то основное форсирование по тяге двигателя (в 1,2…1,3 раза) идет за счет повышения температуры газа перед основной турбиной, это приводит к тому, что турбина на режиме форсирования работает на максимально возможной температуре 800÷000 К, а на номинальном режиме работает при температуре 550÷750 К, что снижает среднетраекторную экономичность ЖРД.Since for engines with a thrust of 250 ÷ 400 tf the power of an additional turbine is 10-15% of the power of the main turbine, the main boost in engine thrust (1.2 ... 1.3 times) is due to an increase in the gas temperature in front of the main turbine, this leads moreover, the turbine in the boost mode operates at the maximum possible temperature of 800 ÷ 000 K, and in the nominal mode it operates at a temperature of 550 ÷ 750 K, which reduces the average trajectory efficiency of the LPRE.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение отмеченных недостатков прототипов, а именно повышение экономичности ЖРД на номинальном режиме работы и дальнейшее повышение (более чем в 1,3 раза) тяги при форсировании двигателя.The task of the invention is to eliminate the noted disadvantages of the prototypes, namely increasing the efficiency of the liquid propellant rocket engine at the nominal operating mode and further increasing (more than 1.3 times) the thrust during engine boosting.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе форсирования тяги ЖРД, основанном на изменении энергетических параметров функционирования, согласно изобретению форсирование осуществляют путем подачи части газа из газового тракта как минимум одного из компонентов топлива, или генераторного газа, или их смеси, по крайней мере, на одну дополнительную турбину, взаимодействующую, по крайней мере, с одним из основных ТНА, а после выхода из нее газ направляют для дальнейшего использования или удаления.The problem is solved in that in the known method of boosting the thrust of the rocket engine, based on a change in the energy parameters of functioning, according to the invention, the boosting is carried out by supplying a part of the gas from the gas path of at least one of the fuel components, or the generator gas, or their mixture, at least one additional turbine that interacts with at least one of the main ТНА, and after exiting from it gas is sent for further use or disposal.
Кроме того, по выходу из дополнительной турбины газ направляют на вход сопла сброса, или в сопло камеры, или на вход добавочной турбины, или в теплообменник.In addition, at the exit from the additional turbine, gas is directed to the inlet of the discharge nozzle, or to the chamber nozzle, or to the inlet of the additional turbine, or to the heat exchanger.
Указанный способ реализуется в ЖРД, содержащем, по крайней мере, одну камеру, агрегаты управления и регулирования, ТНА с основной и как минимум одной дополнительной турбиной, причем газовый тракт основной турбины соединен с входом в камеру, в котором согласно изобретению газовый тракт как минимум одного из компонентов или их продуктов сгорания снабжен дополнительной магистралью, связывающей его с входом, по крайней мере, одной дополнительной турбины и выходом из нее, при этом магистраль снабжена локальной системой регулирования, расположенной до или после дополнительной турбины, а выход магистрали соединен с системой удаления газа и/или системой его повторного использования.The specified method is implemented in a liquid-propellant rocket engine containing at least one chamber, control and regulation units, TNAs with a main and at least one additional turbine, the gas path of the main turbine being connected to the entrance to the chamber, in which according to the invention a gas path of at least one of the components or their products of combustion is equipped with an additional line connecting it to the input of at least one additional turbine and exit from it, while the line is equipped with a local control system, located ennoy before or after an additional turbine, and the output line connected to the gas evacuation system and / or system reuse.
Кроме того, система повторного использования газа после дополнительной турбины выполнена в виде как минимум одной добавочной турбины или магистрали, соединяющей выход дополнительной турбины с сверхзвуковой частью сопла камеры, или дополнительного сопла сброса, или теплообменника.In addition, the gas reuse system after the additional turbine is made in the form of at least one additional turbine or line connecting the output of the additional turbine to the supersonic part of the chamber nozzle, or an additional discharge nozzle, or heat exchanger.
Сущность предлагаемого ЖРД иллюстрируется принципиальными схемами, приведенными на чертежах: фиг.1 - схема ЖРД с газогенератором, фиг.2 - схема ЖРД без газогенератора, где приняты следующие обозначения:The essence of the proposed rocket engine is illustrated by the schematic diagrams shown in the drawings: FIG. 1 is a diagram of a rocket engine with a gas generator, FIG. 2 is a diagram of a rocket engine without a gas generator, where the following notation is adopted:
1, 2 - магистрали подвода компонентов топлива в насосы;1, 2 - lines for supplying fuel components to pumps;
3, 4 - насосы;3, 4 - pumps;
5, 6 - магистрали отвода компонентов топлива из насосов;5, 6 - lines for the removal of fuel components from pumps;
7 - магистраль подвода охладителя к камере;7 - line supply cooler to the chamber;
8 - газогенератор;8 - gas generator;
9 - камера;9 - camera;
10 - магистраль подвода газа на основную турбину;10 - gas supply line to the main turbine;
11 - основная турбина;11 - the main turbine;
12 - система регулирования;12 - regulation system;
13 - дополнительная турбина;13 - additional turbine;
14 - магистраль подвода газа в коллектор сопла камеры;14 - gas supply line to the nozzle manifold of the chamber;
15 - сопло сброса газа;15 - gas discharge nozzle;
16 - магистраль подвода газа после охлаждения камеры на основную турбину;16 - gas supply line after cooling the chamber to the main turbine;
17 - магистраль подвода компонента топлива после насоса в смесительную головку камеры.17 - line for supplying the fuel component after the pump to the mixing head of the chamber.
Предлагаемый двигатель (фиг.1) состоит из магистралей подвода компонентов топлива 1 и 2, насосов 3 и 4, магистралей отвода компонентов топлива из насосов 5 и 6, магистрали подвода 7 охладителя к камере, газогенератора 8, камеры 9, магистрали подвода газа 10 на основную турбину 11, системы регулирования режима работы двигателя 12, дополнительной турбины 13, магистрали подвода газа в коллектор сопла камеры 14, сопла сброса газа 15, магистрали подвода газа после охлаждения камеры на основную турбину 16, магистрали подвода компонентов топлива после насоса в смесительную головку камеры 17.The proposed engine (Fig. 1) consists of highways for supplying fuel components 1 and 2,
Двигатель работает следующим образом.The engine operates as follows.
Компоненты топлива поступают из баков ракеты-носителя (РН) по магистралям 1 и 2 на вход насосов 3 и 4. Из насосов компоненты топлива по магистралям 5, 6 поступают в газогенератор 8, а по магистрали 7 - на охлаждение камеры 9. Из газогенератора газ по магистрали 10 поступает на основную турбину 11, после которой основной расход идет в смесительную головку камеры, а оставшийся расход, пройдя систему регулирования 12, поступает на вход дополнительной турбины 13, после которой может сбрасываться по магистрали 14 в коллектор на сопле камеры или в сопло сброса 15. Для безгазогенераторных схем (фиг.2) газ после охлаждения камеры по магистрали 16 поступает на вход в основную турбину и далее движется как было описано ранее для газогенераторной схемы, а один из компонентов топлива после насоса по магистрали 17 поступает в смесительную головку камеры.The fuel components come from the launch vehicle (LV) tanks along the lines 1 and 2 to the input of the
Подвод после основной турбины части газа на дополнительную турбину позволяет существенно увеличить мощность (более чем в 1,3 раза) за счет перепада давлений на дополнительной турбине (πT=Рвх/Рвых) без увеличения температуры газа на основной турбине. При этом, соответственно, увеличиваются расходы и давления, в том числе в камере сгорания. На режимах форсирования экономичность двигателя уменьшается на 5-10 кгс·с/кг, однако при увеличении стартовой перегрузки с 1,2÷1,5 до 1,5÷2.5 уменьшаются гравитационные потери, что не только компенсирует потери экономичности, но и обеспечивает техническую выгодность данного предложения.The supply of a part of the gas to the additional turbine after the main turbine allows a significant increase in power (more than 1.3 times) due to the pressure difference on the additional turbine (π T = Pvh / Pvyh) without increasing the gas temperature on the main turbine. At the same time, accordingly, costs and pressures increase, including in the combustion chamber. In boost modes, engine efficiency decreases by 5-10 kgf · s / kg, however, with an increase in starting overload from 1.2 ÷ 1.5 to 1.5 ÷ 2.5, gravitational losses decrease, which not only compensates for the loss in efficiency, but also provides technical profitability of this offer.
Следует отметить, что возможность форсирования двигателя позволяет при отказах части двигателей выполнять РН задачу полета.It should be noted that the possibility of forcing the engine allows, in case of failure of some engines, to perform the flight mission.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013135372/06A RU2532454C1 (en) | 2013-07-26 | 2013-07-26 | Method of liquid propellant rocket engine boosting by thrust and liquid propellant rocket engine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013135372/06A RU2532454C1 (en) | 2013-07-26 | 2013-07-26 | Method of liquid propellant rocket engine boosting by thrust and liquid propellant rocket engine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2532454C1 true RU2532454C1 (en) | 2014-11-10 |
Family
ID=53382364
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013135372/06A RU2532454C1 (en) | 2013-07-26 | 2013-07-26 | Method of liquid propellant rocket engine boosting by thrust and liquid propellant rocket engine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2532454C1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2524938A1 (en) * | 1982-04-08 | 1983-10-14 | Centre Nat Etd Spatiales | METHOD FOR REGULATING THE MIXING RATIO OF PROPERGOLS FOR A LIQUID PROPERGOLS ENGINE BY MEASURING FLOW RATES AND REGULATORS FOR ITS IMPLEMENTATION |
US4998410A (en) * | 1989-09-05 | 1991-03-12 | Rockwell International Corporation | Hybrid staged combustion-expander topping cycle engine |
RU2209993C2 (en) * | 2001-10-03 | 2003-08-10 | Бахмутов Аркадий Алексеевич | Method of operation of liquid-propellant rocket engine with turbopump delivery of oxygen-methane propellant |
RU2233990C2 (en) * | 2002-07-12 | 2004-08-10 | ОАО "НПО Энергомаш им. акад. В.П. Глушко" | Oxygen-kerosene liquid-propellant rocket engine with heat module, heat module and method of production of sootless gas in heat module |
RU2352804C1 (en) * | 2007-12-06 | 2009-04-20 | Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" | Liquid propellant jet engine |
RU2451202C1 (en) * | 2011-04-27 | 2012-05-20 | Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" | Method of augmenting liquid-propellant rocket engine thrust and liquid-propellant rocket engine |
-
2013
- 2013-07-26 RU RU2013135372/06A patent/RU2532454C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2524938A1 (en) * | 1982-04-08 | 1983-10-14 | Centre Nat Etd Spatiales | METHOD FOR REGULATING THE MIXING RATIO OF PROPERGOLS FOR A LIQUID PROPERGOLS ENGINE BY MEASURING FLOW RATES AND REGULATORS FOR ITS IMPLEMENTATION |
US4998410A (en) * | 1989-09-05 | 1991-03-12 | Rockwell International Corporation | Hybrid staged combustion-expander topping cycle engine |
RU2209993C2 (en) * | 2001-10-03 | 2003-08-10 | Бахмутов Аркадий Алексеевич | Method of operation of liquid-propellant rocket engine with turbopump delivery of oxygen-methane propellant |
RU2233990C2 (en) * | 2002-07-12 | 2004-08-10 | ОАО "НПО Энергомаш им. акад. В.П. Глушко" | Oxygen-kerosene liquid-propellant rocket engine with heat module, heat module and method of production of sootless gas in heat module |
RU2352804C1 (en) * | 2007-12-06 | 2009-04-20 | Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" | Liquid propellant jet engine |
RU2451202C1 (en) * | 2011-04-27 | 2012-05-20 | Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" | Method of augmenting liquid-propellant rocket engine thrust and liquid-propellant rocket engine |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2158839C2 (en) | Liquid-propellant rocket reheat engine | |
RU2641791C2 (en) | Method and device for rocket engine power supply | |
RU2603303C2 (en) | Jet propulsion device and fuel supply method | |
US8381508B2 (en) | Closed-cycle rocket engine assemblies and methods of operating such rocket engine assemblies | |
US20140283499A1 (en) | Device and a method for feeding a rocket engine propulsion chamber | |
JP6323877B2 (en) | Propulsion assembly for rocket | |
RU2352804C1 (en) | Liquid propellant jet engine | |
US5117635A (en) | High power density propulsion/power system for underwater applications | |
US20230167788A1 (en) | Hydrogen gas turbine | |
JP4225556B2 (en) | Regenerative cooling system for combined cycle engine | |
RU2520771C1 (en) | Liquid-propellant engine with generator gas staged combustion cycle | |
US20150143797A1 (en) | Turbopump | |
JP2013148092A (en) | Liquid fuel heating system | |
RU2302547C1 (en) | Liquid-propellant rocket engine | |
US3396538A (en) | Water injection for thrust augmentation | |
RU2095607C1 (en) | Cryogenic propellant rocket engine | |
RU2532454C1 (en) | Method of liquid propellant rocket engine boosting by thrust and liquid propellant rocket engine | |
RU2451202C1 (en) | Method of augmenting liquid-propellant rocket engine thrust and liquid-propellant rocket engine | |
US20160237951A1 (en) | Device and a method for feeding a rocket engine propulsion chamber | |
RU2301352C1 (en) | Liquid propellant rocket engine (versions) | |
RU2450153C1 (en) | Liquid propellant rocket engine | |
RU2378166C1 (en) | Multi-stage rocket carrier, method of its launching and nuclear rocket engine | |
RU2179255C2 (en) | Hypersonic cryogenic air-jet engine | |
RU2005104904A (en) | MOTOR UNIT FOR HYPERSONIC AIRCRAFT | |
RU2575238C1 (en) | Three-component liquid propellant rocket engine |