RU2539315C1 - Liquid-propellant rocket engine turbopump unit - Google Patents

Liquid-propellant rocket engine turbopump unit Download PDF

Info

Publication number
RU2539315C1
RU2539315C1 RU2014110410/06A RU2014110410A RU2539315C1 RU 2539315 C1 RU2539315 C1 RU 2539315C1 RU 2014110410/06 A RU2014110410/06 A RU 2014110410/06A RU 2014110410 A RU2014110410 A RU 2014110410A RU 2539315 C1 RU2539315 C1 RU 2539315C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fuel pump
pump
turbine
fuel
impellers
Prior art date
Application number
RU2014110410/06A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Борисович Болотин
Original Assignee
Николай Борисович Болотин
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Николай Борисович Болотин filed Critical Николай Борисович Болотин
Priority to RU2014110410/06A priority Critical patent/RU2539315C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2539315C1 publication Critical patent/RU2539315C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: engines and pumps.
SUBSTANCE: this turbopump unit comprises turbine, oxidiser pump and fuel pump with impellers. In compliance with this invention, this turbine represents a birotatory design with two impellers. The latter have no nozzle diaphragms and run in opposite directions, each being communicated with oxidiser pump impeller and fuel pump impeller. Turbopump unit can incorporated an extra fuel pump, impellers of extra fuel pump and fuel pump being fitted on one shaft.
EFFECT: decreased centrifugal loads at turbine rotor.
2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к ракетной технике, конкретно к жидкостным ракетным двигателям ЖРД, работающим на криогенном окислителе и на углеводородном горючем.The invention relates to rocket technology, specifically to liquid-propellant rocket engines LRE, operating on a cryogenic oxidizer and on hydrocarbon fuel.

Известен жидкостный ракетный двигатель по патенту РФ на изобретение №2095607, предназначенный для использования в составе космических разгонных блоков, ступеней ракетоносителей и как маршевый двигатель космических аппаратов, включает в себя камеру сгорания с регенеративным трактом охлаждения, турбонасосный агрегат - ТНА. ТНА содержит насосы подачи компонентов - горючего и окислителя с турбиной на одном валу, в который введен конденсатор. Выход конденсатора по линии хладагента соединен с входом в камеру сгорания и с входом в тракт регенеративного охлаждения камеры сгорания. Выход из конденсатора по линии теплоносителя соединен с входом в насос одного из компонентов. Выход из насоса того же компонента сообщен с входом конденсатора по линии хладагента. Второй вход конденсатора сообщен с выходом турбины. Выход насоса другого компонента сообщен с входом в камеру сгорания.Known liquid rocket engine according to the patent of the Russian Federation for invention No. 2095607, intended for use as a part of space booster blocks, stages of rocket launchers and as the main engine of space vehicles, includes a combustion chamber with a regenerative cooling path, a turbopump assembly - TNA. TNA contains pumps for the supply of components - fuel and oxidizer with a turbine on the same shaft into which the capacitor is inserted. The condenser outlet through the refrigerant line is connected to the entrance to the combustion chamber and to the entrance to the regenerative cooling path of the combustion chamber. The exit from the condenser through the coolant line is connected to the inlet to the pump of one of the components. The output from the pump of the same component is communicated with the condenser inlet through the refrigerant line. The second input of the condenser is in communication with the output of the turbine. The output of the pump of the other component is communicated with the entrance to the combustion chamber.

Недостатком ТНА двигателя является ухудшение кавитационных свойств насоса при перепуске конденсата. Такое свойство насоса неминуемо приводит к уменьшению расхода одного из компонентов топлива через ТНА, падению тяги ракеты в несколько раз и срыву программы полета ракеты или к катастрофе.The disadvantage of engine TNA is the deterioration of the cavitation properties of the pump during condensate bypass. Such a property of the pump will inevitably lead to a decrease in the consumption of one of the fuel components through the ТНА, to a drop in rocket thrust by several times, and to disrupt the missile’s flight program or to disaster.

Известны способ работы ЖРД и жидкостный ракетный двигатель по патенту РФ на изобретение №2187684. Способ работы жидкостного ракетного двигателя заключается в подаче компонентов топлива в камеру сгорания двигателя, газификации одного из компонентов в тракте охлаждения камеры сгорания, подводе его на турбину турбонасосного агрегата с последующим сбросом в форсуночную головку камеры сгорания. Часть расхода одного из компонентов топлива направляют в камеру сгорания, а оставшуюся часть газифицируют и направляют на турбины турбонасосных агрегатов. Отработанный на турбинах газообразный компонент смешивают с жидким компонентом, поступающим в двигатель при давлении, превышающем давление насыщенных паров получаемой смеси. Жидкостной ракетный двигатель содержит камеру сгорания с трактом регенеративного охлаждения, насосы подачи компонентов топлива и турбину. Насосы и турбины скомпонованы в два ТНА: основной и бустерный. Двигатель содержит установленные последовательно перед насосом подачи одного из компонентов топлива основного турбонасосного агрегата насос бустерного турбонасосного агрегата и смеситель. Выход насоса основного турбонасосного агрегата соединен как с форсуночной головкой камеры сгорания, так и с трактом регенеративного охлаждения камеры сгорания. Тракт регенеративного охлаждения, в свою очередь, связан с турбинами основного и бустерного турбонасосных агрегатов, выходы которых соединены со смесителем.A known method of operation of the liquid propellant rocket engine and a liquid rocket engine according to the patent of the Russian Federation for the invention No. 2187684. The method of operation of a liquid-propellant rocket engine is to supply fuel components to the combustion chamber of the engine, gasify one of the components in the cooling path of the combustion chamber, supply it to the turbine of the turbopump unit, and then discharge it into the nozzle head of the combustion chamber. Part of the flow rate of one of the fuel components is directed to the combustion chamber, and the remaining part is gasified and directed to turbines of turbopump units. The gaseous component spent on the turbines is mixed with the liquid component entering the engine at a pressure higher than the saturated vapor pressure of the resulting mixture. A liquid propellant rocket engine contains a combustion chamber with a regenerative cooling path, fuel component feed pumps, and a turbine. Pumps and turbines are arranged in two TNAs: main and booster. The engine comprises a booster turbopump pump and a mixer installed in series in front of the feed pump of one of the fuel components of the main turbopump assembly. The pump outlet of the main turbopump assembly is connected both to the nozzle head of the combustion chamber and to the regenerative cooling path of the combustion chamber. The regenerative cooling circuit, in turn, is connected with the turbines of the main and booster turbopump units, the outputs of which are connected to the mixer.

Недостатком этой схемы является то, что тепловой энергии, снимаемой при охлаждении камеры сгорания, может оказаться недостаточно для привода турбонасосного агрегата двигателя очень большой мощности.The disadvantage of this scheme is that the thermal energy removed during cooling of the combustion chamber may not be enough to drive a turbopump engine unit of very high power.

Известен ЖРД по патенту РФ на изобретение №2190114, МПК 7 F02K 9/48, опубл. 27.09.2002 г. Этот ЖРД включает в себя камеру сгорания с трактом регенеративного охлаждения, турбонасосный агрегат ТНА с насосами окислителя и горючего, выходные магистрали которых соединены с головкой камеры сгорания, основную турбину и контур привода основной турбины. В контур привода основной турбины входят последовательно соединенные между собой насос горючего и тракт регенеративного охлаждения камеры сгорания, соединенный с входом в основную турбину. Выход из турбины ТНА соединен с входом второй ступени насоса горючего.Known LRE according to the patent of the Russian Federation for the invention No. 2190114, IPC 7 F02K 9/48, publ. 09/27/2002 This LPRE includes a combustion chamber with a regenerative cooling path, a TNA turbopump unit with oxidizer and fuel pumps, the output lines of which are connected to the head of the combustion chamber, the main turbine and the drive circuit of the main turbine. The main turbine drive circuit includes a fuel pump and a regenerative cooling path of the combustion chamber connected in series with each other and connected to the main turbine inlet. The exit from the turbine TNA is connected to the input of the second stage of the fuel pump.

Этот двигатель имеет существенный недостаток. Перепуск подогретого в тракте регенеративного охлаждения камеры сгорания горючего на вход во вторую ступень насоса горючего приведет к его кавитации и к последствиям, указанным выше. Большинство ЖРД используют такие компоненты топлива, что расход окислителя почти всегда больше расхода горючего. Следовательно, для мощных ЖРД, имеющих большую тягу и большое давление в камере сгорания, эта схема неприемлема, т.к. расхода горючего будет недостаточно для охлаждения камеры сгорания и привода основной турбины.This engine has a significant drawback. Bypassing the fuel combustion chamber heated in the regenerative cooling path to the entrance to the second stage of the fuel pump will lead to cavitation and the consequences indicated above. Most LREs use fuel components such that the oxidizer consumption is almost always greater than the fuel consumption. Therefore, for powerful rocket engines with great thrust and high pressure in the combustion chamber, this scheme is unacceptable, because fuel consumption will not be enough to cool the combustion chamber and drive the main turbine.

Кроме того, не проработана система запуска ЖРД, система воспламенения компонентов топлива и система выключения ЖРД и его очистки от остатков горючего в тракте регенеративного охлаждения камеры сгорания.In addition, the LRE launch system, the ignition system of the fuel components and the LRE shutdown system and its cleaning of fuel residues in the regenerative cooling path of the combustion chamber have not been developed.

Известен жидкостный ракетный двигатель и способ его запуска по патенту РФ на изобретение №2232915, опубл. 10.09.2003 г. (прототип), который содержит камеру сгорания, турбонасосный агрегат, газогенератор, систему запуска, средства для зажигания компонентов топлива и топливные магистрали. Выход насоса окислителя соединен с входом в газогенератор. Выход первой ступени насоса горючего соединен с каналами регенеративного охлаждения камеры и со смесительной головкой. Выход второй ступени насоса горючего (дополнительного насоса горючего) соединен с регулятором расхода с электроприводом. Другой вход регулятора соединен с пусковым бачком со штатным горючим. Выход из регулятора соединен с газогенератором. Выход из газогенератора соединен с входом в турбину турбонасосного агрегата, выход из которой соединен со смесительной головкой. Регулятор расхода снабжен гидроприводом предварительной ступени, который через кавитирующий жиклер и гидрореле соединен с пусковым бачком со штатным горючим. Гидрореле соединено со второй ступенью насоса горючего. Дроссель, установленный на выходе первой ступени насоса горючего, выполнен совместно с управляемым клапаном предварительной ступени.Known liquid rocket engine and method of starting it according to the patent of the Russian Federation for invention No. 2232915, publ. September 10, 2003 (prototype), which contains a combustion chamber, a turbopump unit, a gas generator, a launch system, means for igniting fuel components and fuel lines. The output of the oxidizer pump is connected to the inlet of the gas generator. The output of the first stage of the fuel pump is connected to the channels of regenerative cooling of the chamber and to the mixing head. The output of the second stage of the fuel pump (additional fuel pump) is connected to an electric flow regulator. Another input of the regulator is connected to the starting tank with standard fuel. The output from the regulator is connected to a gas generator. The outlet of the gas generator is connected to the inlet of the turbine pump unit, the outlet of which is connected to the mixing head. The flow regulator is equipped with a hydraulic actuator of the preliminary stage, which is connected through the cavitating nozzle and hydraulic relay to the starting tank with standard fuel. The hydraulic relay is connected to the second stage of the fuel pump. The throttle installed at the output of the first stage of the fuel pump is made in conjunction with a controlled valve of the preliminary stage.

Недостатком такой схемы является пожар или взрыв ТНА и ракеты на старте или в полете вследствие низкой надежности уплотнения между турбиной и насосом окислителя, между насосом окислителя и горючего, а также между насосом горючего и дополнительным насосом горючего из-за действия на них большого перепада давления: 300…400 кгс/см2 для современных ЖРД. Например, при использовании в качестве компонентов ракетного топлива водорода и кислорода самые незначительные утечки этих компонентов приводят к образованию «гремучей смеси» и практически всегда - к взрыву ракеты.The disadvantage of this scheme is a fire or explosion of TNA and missiles at launch or in flight due to the low reliability of the seal between the turbine and the oxidizer pump, between the oxidizer pump and the fuel, and also between the fuel pump and the additional fuel pump due to the large pressure drop acting on them: 300 ... 400 kgf / cm 2 for modern rocket engines. For example, when using hydrogen and oxygen as components of rocket fuel, the smallest leaks of these components lead to the formation of an “explosive mixture” and almost always result in a rocket explosion.

Задачи создания изобретения: уменьшение габаритов и веса ТНА и уменьшение центробежных нагрузок на ротор турбины.Objectives of the invention: reducing the size and weight of the TNA and reducing the centrifugal loads on the turbine rotor.

Решение указанной задачи достигнуто в турбонасосном агрегате жидкостного ракетного двигателя, содержащем турбину и насосы окислителя и горючего с рабочими колесами, тем, что турбина выполнена биротативной и содержит два рабочих колеса, выполненных без сопловых аппаратов с возможностью вращения в противоположные стороны, каждое из которых соединено соответственно с рабочим колесом насоса окислителя и насоса горючего. Турбонасосный агрегат жидкостного ракетного двигателя по может содержать дополнительный насос горючего, при этом рабочие колеса дополнительного насоса горючего и насоса горючего установлены на одном валу.The solution of this problem was achieved in a turbopump unit of a liquid propellant rocket engine containing a turbine and oxidizer and fuel pumps with impellers, in that the turbine is made birotative and contains two impellers made without nozzle devices capable of rotation in opposite directions, each of which is connected respectively with the impeller of the oxidizer pump and the fuel pump. A turbopump unit of a liquid propellant rocket engine may comprise an additional fuel pump, while the impellers of the additional fuel pump and the fuel pump are mounted on the same shaft.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1 и 2, где:The invention is illustrated in figures 1 and 2, where:

- на фиг.1 приведена схема первого варианта ТНА,- figure 1 shows a diagram of the first embodiment of the TNA,

- на фиг.2 приведена схема второго варианта ТНА с дополнительным насосом горючего.- figure 2 shows a diagram of a second variant of the TNA with an additional fuel pump.

Турбонасосный агрегат жидкостного ракетного двигателя ТНА (Фиг.1) содержит турбину 1 с рабочими колесами турбины 2 и 3, без сопловых аппаратов, его корпус 4 и входной патрубок 5, насос окислителя 6 с рабочим колесом 7, насос горючего 8 с рабочим колесом 9, два вала 10 и 11, установленных на опорах 12, 13 и 14. На валу 11 установлены рабочие колеса 3 и 7, а на валу 10 - рабочие колеса 2 и 9 (детали ротора).The turbopump unit of a TNA liquid-propellant rocket engine (FIG. 1) contains a turbine 1 with impellers of a turbine 2 and 3, without nozzle devices, its housing 4 and inlet pipe 5, an oxidizer pump 6 with an impeller 7, a fuel pump 8 with an impeller 9, two shafts 10 and 11 mounted on bearings 12, 13 and 14. Impellers 3 and 7 are mounted on shaft 11, and impellers 2 and 9 (rotor parts) are installed on shaft 10.

Возможен второй вариант ТНА (фиг.2), который дополнительно содержит дополнительный насос горючего 15, имеющий рабочее колесо 16 дополнительного насоса горючего 15, при этом рабочее колесо 16 установлено на валу 10 вместе с рабочим колесом 9 насоса горючего 8.A second TNA variant is possible (FIG. 2), which further comprises an additional fuel pump 15 having an impeller 16 of an additional fuel pump 15, with the impeller 16 mounted on the shaft 10 together with the impeller 9 of the fuel pump 8.

В результате появилась реальная возможность спроектировать ТНА и в первую очередь турбину меньших габаритов и веса.As a result, a real opportunity appeared to design TNA and, first of all, a turbine of smaller dimensions and weight.

Применение изобретения позволило:The application of the invention allowed:

1. Уменьшить габариты и вес ТНА.1. Reduce the dimensions and weight of the TNA.

2. Обеспечить модульность конструкции ТНА.2. Provide modular design of the TNA.

3. Спроектировать все узлы ТНА: турбину и насос, на оптимальные параметры, в том числе частоты вращения и согласовать частоты вращения за счет применения двухвальной схемы.3. Design all components of the TNA: turbine and pump, for optimal parameters, including rotational speeds, and coordinate rotational speeds through the use of a two-shaft scheme.

4. Повысить надежность ТНА за счет уменьшения действия центробежных сил на детали роторов турбины.4. To increase the reliability of the TNA by reducing the action of centrifugal forces on the details of the turbine rotors.

Claims (2)

1. Турбонасосный агрегат жидкостного ракетного двигателя, содержащий турбину и насосы окислителя и горючего с рабочими колесами, отличающийся тем, что турбина выполнена биротативной и содержит два рабочих колеса, выполненных без сопловых аппаратов с возможностью вращения в противоположные стороны, каждое из которых соединено соответственно с рабочим колесом насоса окислителя и насоса горючего.1. A turbopump unit of a liquid propellant rocket engine containing a turbine and oxidizer and fuel pumps with impellers, characterized in that the turbine is made biotative and contains two impellers made without nozzle devices capable of rotation in opposite directions, each of which is connected respectively to the working oxidizer pump and fuel pump wheels. 2. Турбонасосный агрегат жидкостного ракетного двигателя по п.1, отличающийся тем, что он содержит дополнительный насос горючего, при этом рабочие колеса дополнительного насоса горючего и насоса горючего установлены на одном валу. 2. The turbopump unit of a liquid propellant rocket engine according to claim 1, characterized in that it comprises an additional fuel pump, while the impellers of the additional fuel pump and fuel pump are mounted on the same shaft.
RU2014110410/06A 2014-03-18 2014-03-18 Liquid-propellant rocket engine turbopump unit RU2539315C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014110410/06A RU2539315C1 (en) 2014-03-18 2014-03-18 Liquid-propellant rocket engine turbopump unit

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014110410/06A RU2539315C1 (en) 2014-03-18 2014-03-18 Liquid-propellant rocket engine turbopump unit

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2539315C1 true RU2539315C1 (en) 2015-01-20

Family

ID=53288491

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014110410/06A RU2539315C1 (en) 2014-03-18 2014-03-18 Liquid-propellant rocket engine turbopump unit

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2539315C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113247311A (en) * 2021-06-07 2021-08-13 上海空间推进研究所 Cylindrical diaphragm

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2107404A (en) * 1981-10-12 1983-04-27 Klein Schanzlin & Becker Ag Centrifugal pump and turbine set
RU2232915C2 (en) * 2002-03-14 2004-07-20 ОАО "НПО Энергомаш им. акад. В.П. Глушко" Reheat liquid-propellant rocket engine
RU2374467C2 (en) * 2007-11-26 2009-11-27 Валерий Иванович Сафонов Gas turbine engine
RU2409753C1 (en) * 2009-11-25 2011-01-20 Николай Борисович Болотин Lpre turbo pump unit
RU2418194C1 (en) * 2009-12-08 2011-05-10 Николай Борисович Болотин Rocket engine turbopump assy
RU2418987C1 (en) * 2009-11-16 2011-05-20 Николай Борисович Болотин Turbo-pump unit

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2107404A (en) * 1981-10-12 1983-04-27 Klein Schanzlin & Becker Ag Centrifugal pump and turbine set
RU2232915C2 (en) * 2002-03-14 2004-07-20 ОАО "НПО Энергомаш им. акад. В.П. Глушко" Reheat liquid-propellant rocket engine
RU2374467C2 (en) * 2007-11-26 2009-11-27 Валерий Иванович Сафонов Gas turbine engine
RU2418987C1 (en) * 2009-11-16 2011-05-20 Николай Борисович Болотин Turbo-pump unit
RU2409753C1 (en) * 2009-11-25 2011-01-20 Николай Борисович Болотин Lpre turbo pump unit
RU2418194C1 (en) * 2009-12-08 2011-05-10 Николай Борисович Болотин Rocket engine turbopump assy

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113247311A (en) * 2021-06-07 2021-08-13 上海空间推进研究所 Cylindrical diaphragm
CN113247311B (en) * 2021-06-07 2022-09-27 上海空间推进研究所 Cylindrical diaphragm

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2545615C1 (en) Liquid-propellant rocket engine turbo pump unit
RU2648480C2 (en) Starting device for rocket motor turbopump
RU2352804C1 (en) Liquid propellant jet engine
RU2561757C1 (en) Three-component air-jet engine
RU2302547C1 (en) Liquid-propellant rocket engine
RU2382223C1 (en) Three-component liquid propellant rocket engine and method of its operation
RU2539315C1 (en) Liquid-propellant rocket engine turbopump unit
RU2299345C1 (en) Liquid-propellant rocket engine and the method of its starting
RU2318129C1 (en) Turbo-pump unit of liquid-propellant engine
RU2300657C1 (en) Liquid-propellant rocket engine
RU2594828C1 (en) Propulsion engine of supersonic aircraft
RU2302548C1 (en) Turbopump set of liquid-propellant rocket engine
RU2531833C1 (en) Liquid propellant rocket engine
RU2574192C1 (en) Liquid-propellant rocket engine fuel feed plant
RU2431053C1 (en) Liquid propellant rocket engine and roll nozzle block
RU2383766C1 (en) Turbopump unit for three-component liquid propellant rocket engine
RU2544684C1 (en) Liquid propellant rocket engine
RU2495273C1 (en) Liquid propellant rocket engine
RU2476709C1 (en) Liquid propellant rocket engine
RU2591361C1 (en) Engine of hypersonic aircraft
RU2381152C1 (en) Multi-stage carrier rocket with nuclear rocket engines
RU2560656C1 (en) Turbo-pump unit of liquid missile engine
RU2382224C1 (en) Multistage carrier rocket, three-component rocket engine, method of engine operation and fuel feed turbopump system
RU2562315C1 (en) Three-component liquid propellant rocket engine
RU2561772C1 (en) Air-jet engine