RU2757145C1

RU2757145C1 - Liquid-fuel rocket engine

Info

Publication number: RU2757145C1
Application number: RU2020137011A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Морозов; Марина Дмитриевна Азовская; Игорь Александрович Смирнов; Михаил Андреевич Стрелец; Борис Федорович Негрецкий
Original assignee: Акционерное общество "КБхиммаш им. А.М. Исаева"
Priority date: 2020-11-10
Filing date: 2020-11-10
Publication date: 2021-10-11

Abstract

FIELD: rocket technology.

SUBSTANCE: invention relates to rocket technology. The liquid-fuel rocket engine includes booster pumping units, a turbopump unit, a chamber and a gas generator, while an autonomous battery is included in the engine, the drives of booster pumps are made in the form of synchronous electric motors, and a synchronous electric generator with a rotor on the shaft and a stator in the pump unit housing is built into the design of the pump unit, and the terminals of the electric motors and the electric generator are switched with the terminals of the battery through a DC voltage converter to AC phase voltages, which also provides a reverse conversion function.

EFFECT: invention provides an increase in the specific impulse of a liquid-fuel engine with booster pumping units.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано в конструкциях жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) с бустерными насосными агрегатами.The invention relates to rocket technology and can be used in the designs of liquid-propellant rocket engines (LRE) with booster pumping units.

Бустерные насосные агрегаты в составе ЖРД широко используются для снижения потребных давлений компонентов топлива на входах в двигатель и, следовательно, в баках, что обеспечивает уменьшение затрат рабочего тела наддува баков и его остаточных масс в баках двигательной установки (ДУ) после ее выключения, а также масс топливных баков и баллонов для хранения газа наддува двигательной установки.Booster pumping units as part of a liquid-propellant engine are widely used to reduce the required pressures of fuel components at the inlets to the engine and, consequently, in the tanks, which ensures a decrease in the costs of the working fluid for pressurizing the tanks and its residual masses in the tanks of the propulsion system (PS) after it is turned off, as well as masses of fuel tanks and cylinders for storing the boost gas of the propulsion system.

Наиболее простыми в конструктивном отношении являются бустерные струйные насосные агрегаты эжекторного типа, которые устанавливаются в магистралях входа компонентов топлива в двигатель, использующие в качестве активных рабочих тел эжекторов соответствующие компоненты топлива с высоким давлением, отбираемые с выходов основных насосов ЖРД (см. книгу «Основы теории и расчеты жидкостных ракетных двигателей» по ред. В.М. Кудрявцева, Москва, «Высшая школа», 1975 г., стр. 460, рис. 13.22). Недостатки этого технического решения обусловлены низкими коэффициентами полезного действия струйных насосов (~0,05), при которых, из-за необходимости большого расхода активного рабочего тела эжектора каждого из них, существенно повышаются расходы компонентов топлива через насосы турбонасосного агрегата (ТНА), что, например, в случае ЖРД, выполненного по схеме без дожигания связано со значительным уменьшением его основного экономического показателя - удельного импульса тяги.Structurally, the simplest are booster jet pumping units of the ejector type, which are installed in the lines of inlet of the fuel components to the engine, using the corresponding high-pressure fuel components as active working bodies of the ejectors, taken from the outputs of the main pumps of the liquid-propellant engine (see the book "Fundamentals of Theory and calculations of liquid-propellant rocket engines "edited by VM Kudryavtsev, Moscow," Higher school ", 1975, p. 460, Fig. 13.22). The disadvantages of this technical solution are due to the low efficiency of the jet pumps (~ 0.05), at which, due to the need for a large flow rate of the active working fluid of the ejector of each of them, the consumption of fuel components through the pumps of the turbopump unit (TNA) significantly increases, which, For example, in the case of a liquid-propellant rocket engine, made according to the scheme without afterburning, it is associated with a significant decrease in its main economic indicator - the specific thrust impulse.

В известном маршевом ЖРД разгонного блока «Бриз М», принятом за прототип изобретения, в магистралях компонентов топлива на входах в насосы ТНА установлены бустерные насосные агрегаты с приводом от гидротурбин, использующие также, как в указанном выше аналоге, в качестве рабочих тел компоненты топлива, отбираемые с выходов насосов ТНА. Коэффициенты полезного действия бустерных насосных агрегатов в этом случае значительно выше и, в зависимости от необходимых напоров бустерных насосов, находятся в диапазоне величин от 0,1 до 0,15. Соответственно, по сравнению с аналогом, в 2…3 раза уменьшаются потребные расходы компонентов топлива высокого давления на привод бустерных агрегатов. Однако и в ЖРД по прототипу потери удельного импульса из-за загрузки насосов ТНА дополнительным расходом компонентов топлива для питания гидротурбин бустерных агрегатов могут достигать величины ~3 с, например, при необходимости повышения давлений компонентов топлива бустерными насосами на входах в двигатель-прототип на 4 атм для обеспечения запуска двигателя или при расположении бустерных агрегатов в баках ДУ.In the well-known cruise rocket engine of the upper stage "Breeze M", taken as a prototype of the invention, booster pumping units driven by hydraulic turbines are installed in the mains of the fuel components at the inlets to the TNA pumps, which also use, as in the above analogue, fuel components as working bodies, taken from the outputs of the TNA pumps. The efficiency factors of the booster pump units in this case are much higher and, depending on the required heads of the booster pumps, are in the range of values from 0.1 to 0.15. Accordingly, in comparison with the analogue, the required consumption of high-pressure fuel components for the drive of the booster units is reduced by 2 ... 3 times. However, even in the prototype liquid-propellant rocket engine, the loss of specific impulse due to the loading of the TNA pumps with additional consumption of fuel components for powering the hydraulic turbines of the booster units can reach ~ 3 s, for example, if it is necessary to increase the pressures of the fuel components by the booster pumps at the inputs to the prototype engine by 4 atm. to ensure engine starting or when the booster units are located in the remote control tanks.

Изобретение направлено на повышение экономичности ЖРД с бустерными насосными агрегатами. Результат обеспечивается тем, что в состав жидкостного ракетного двигателя, включающего бустерные насосные агрегаты, турбонасосный агрегат, камеру и газогенератор, включена автономная аккумуляторная батарея, приводы бустерных насосов выполнены в виде синхронных электродвигателей, а в конструкцию ТНА между насосами встроен синхронный электрогенератор с ротором на валу и статором в корпусе ТНА, причем клеммы электродвигателей и электрогенератора скоммутированы с клеммами аккумуляторной батареи через преобразователь электрического напряжения постоянного тока в фазные напряжения переменного тока, обеспечивающий также функцию обратного преобразования. При таком исполнении ЖРД с бустерными насосными агрегатами исключаются расходы компонентов на привод бустерных насосов, однако появляются затраты располагаемой мощности ТНА на электрогенератор, связанные с дополнительными расходами рабочего тела турбины, что в ЖРД без дожигания хотя и приводит к потерям удельного импульса, но значительно меньшим, чем в ЖРД - прототипе.The invention is aimed at improving the efficiency of liquid-propellant rocket engines with booster pumping units. The result is ensured by the fact that the composition of the liquid-propellant rocket engine, which includes booster pumping units, a turbopump unit, a chamber and a gas generator, includes an autonomous storage battery, drives of booster pumps are made in the form of synchronous electric motors, and a synchronous electric generator with a rotor on the shaft is built into the structure of the TNA between the pumps. and a stator in the TNA case, where the terminals of the electric motors and the generator are connected to the terminals of the storage battery through a converter of DC voltage into phase AC voltages, which also provides the function of reverse conversion. With such a design of a liquid-propellant engine with booster pumping units, the costs of components for the drive of booster pumps are excluded, however, there are costs of the available power of the HPA for an electric generator associated with additional costs of the working fluid of the turbine, which in a liquid-propellant engine without afterburning, although it leads to losses of specific impulse, is much smaller. than in a liquid-propellant engine - a prototype.

Это следует из следующего сравнительного анализа коэффициентов полезного действия (к.п.д.) электропривода бустера предлагаемого двигателя и гидротурбинного привода двигателя - прототипа.This follows from the following comparative analysis of the efficiency (efficiency) of the electric drive of the booster of the proposed engine and the hydraulic turbine drive of the prototype engine.

В предложенном ЖРД:In the proposed rocket engine:

к.п.д. электрогенератора η_эг≈0,95efficiency electric generator η _eg ≈0.95

к.п.д. электродвигателя η_эд≈0,95efficiency electric motor η _ed ≈0.95

к.п.д. бустерного насоса η_н≈0,5efficiency booster pump η _n ≈0.5

Полный к.п.д. по затратам мощности на привод бустерного агрегата предлагаемого ЖРД:Full efficiency in terms of power consumption for the drive of the booster unit of the proposed liquid-propellant engine:

В ЖРД - прототипе:In LPRE - prototype:

к.п.д. гидротурбины η_т≤0,2efficiency hydraulic turbines η _t ≤0.2

к.п.д. бустерного насоса η_н≤0,5efficiency booster pump η _n ≤0.5

Полный к.п.д. по затратам мощности на привод бустерного агрегата:Full efficiency in terms of power consumption for the drive of the booster unit:

.

...

Как следует из сравнения электропривод бустерных агрегатов в предлагаемой конфигурации в ~4,5 раза эффективнее, чем гидротурбина в прототипе, следовательно, связанные с ним потери удельного импульса ЖРД (типа маршевого двигателя РБ «Бриз М») в 4,5 раза меньше, то есть равны ~0,7 с, что на 2,3 с меньше, чем у прототипа.As follows from the comparison, the electric drive of booster units in the proposed configuration is ~ 4.5 times more efficient than the hydraulic turbine in the prototype, therefore, the associated losses of the specific impulse of the liquid-propellant engine (such as the main engine RB "Breeze M") are 4.5 times less, then are equal to ~ 0.7 s, which is 2.3 s less than that of the prototype.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого жидкостного ракетного двигателя. В состав двигателя входят камера 1, турбонасосный агрегат 2 со встроенным в его конструкцию электрогенератором 3 - с функцией электродвигателя 3, газогенератор 4, бустерные насосные агрегаты 5, 6 с электродвигателями 7, 8, преобразователь 9 электрического напряжения, аккумуляторная батарея 10 с коммутирующим элементом 11.FIG. 1 shows a diagram of the proposed liquid-propellant rocket engine. The engine includes a chamber 1, a turbopump unit 2 with a built-in electric generator 3 - with the function of an electric motor 3, a gas generator 4, booster pump units 5, 6 with electric motors 7, 8, an electric voltage converter 9, a storage battery 10 with a switching element 11 ...

При запуске двигателя коммутирующий элемент 11 замыкает электрическую цепь питания через преобразователь 9 электродвигателей 7, 8 бустерных агрегатов 5, 6 и электрогенератора 3 в режиме электродвигателя.When the engine is started, the switching element 11 closes the electric power circuit through the converter 9 of the electric motors 7, 8 of the booster units 5, 6 and the electric generator 3 in the electric motor mode.

Электрогенератор 3 в режиме электродвигателя раскручивает вал ТНА, насосы которого повышают давление компонентов топлива в предварительно заполненных магистралях двигателя.Electric generator 3, in the electric motor mode, spins the TNA shaft, the pumps of which increase the pressure of the fuel components in the pre-filled lines of the engine.

Электродвигатели 7, 8 приводят во вращение насосы бустерных насосных агрегатов 6, 5, повышая давление на входах в насосы ТНА 2. Компоненты под напорами насосов поступают в камеру 1 и газогенератор 4, где самовоспламеняются. Продукты сгорания из камеры 1 истекают в окружающее пространство, создавая тягу двигателя. Продукты сгорания из газогенератора 4 поступают в турбину, посредством которой увеличивается вращающий момент на валу ТНА 2. Обороты ротора ТНА 2 увеличиваются, электрическое напряжение на клеммах электрогенератора 3 возрастает и после превышения величины напряжения над величиной напряжения, поступающего из преобразователя 9, электрогенератор 3 переходит из режима «Двигатель» в режим «Генератор». Вырабатываемый электрогенератором 3 ток поступает на питание электродвигателей 7, 8 и, через преобразователь 9, на подзарядку аккумуляторной батареи 10.The electric motors 7, 8 drive the pumps of the booster pumping units 6, 5 into rotation, increasing the pressure at the inlets of the pumps ТНА 2. The components under the pressure of the pumps enter chamber 1 and the gas generator 4, where they ignite spontaneously. Combustion products from chamber 1 flow out into the surrounding space, creating a thrust for the engine. The combustion products from the gas generator 4 enter the turbine, by means of which the torque on the TNA shaft 2 increases. The RPM of the TNA 2 rotor increases, the electric voltage at the terminals of the electric generator 3 increases, and after the voltage exceeds the voltage supplied from the converter 9, the electric generator 3 switches from from the "Engine" mode to the "Generator" mode. The current generated by the electric generator 3 is fed to the electric motors 7, 8 and, through the converter 9, to recharge the battery 10.

Двигатель выходит на установившийся режим работы.The engine reaches the steady-state operating mode.

Через заданное время при окончании подзарядки батареи 10 коммутирующий элемент 11 автоматически размыкает электрическую цепь коммутации аккумуляторной батареи 10 с электрогенератором 3 и электродвигателями 7, 8.After a predetermined time, at the end of recharging the battery 10, the switching element 11 automatically opens the electrical circuit for switching the battery 10 with the electric generator 3 and the electric motors 7, 8.

Использование предлагаемого ЖРД в составе космического объекта типа РБ «Бриз И» вместо ЖРД-прототипа, несмотря на наличие в его составе дополнительных электроагрегатов, существенно увеличивает массу полезной нагрузки объекта, что следует из приведенного ниже сравнительного анализа.The use of the proposed rocket engine as part of a space object of the RB Briz I type instead of a prototype rocket engine, despite the presence of additional electric units in its composition, significantly increases the payload mass of the object, which follows from the comparative analysis below.

Массы электроагрегатов электроприводов бустерных насосных агрегатов при следующих потребных мощностях бустерных насосов окислителя и горючего двигателя - прототипа 2,148 КВт и 1,97 КВт (соответствующих повышению давления в насосах бустеров на 4 атм) и современных величинах удельных масс электродвигателей и электрогенераторов, соответственно, Мэд=0,2; Мэг=0,3 равны:The masses of the electric units of the electric drives of the booster pump units with the following required capacities of the booster pumps of the oxidizer and the fuel engine - the prototype 2.148 kW and 1.97 kW (corresponding to the pressure increase in the booster pumps by 4 atm) and modern values of the specific gravity of electric motors and electric generators, respectively, Mad = 0 , 2; Meg = 0.3 are equal:

электродвигателя бустера окислителя - 0,43oxidizer booster motor - 0.43

электродвигателя бустера горючего - 0,394fuel booster electric motor - 0.394

Масса электрогенератора мощностью 4,118 КВт ~1,235 кгWeight of an electric generator with a capacity of 4.118 KW ~ 1.235 kg

Масса преобразователя ~2 кгConverter weight ~ 2 kg

Масса электрических кабелей ~0,4 кгWeight of electrical cables ~ 0.4 kg

Масса аккумуляторов батареи, предназначенной для высоковольтного питания электроприводов бустерных насосных агрегатов в период запуска ЖРД при современной удельной энергоемкости литий-ионных аккумуляторов ~200 вт⋅час/кг, времени запуска двигателя ~5 с при 20 включениях ЖРД в одном полете и суммарной мощности энергопотребления, указанной выше (4,118 КВт), ~0,6 кг, а масса блока питания не превысит 1,5 кг.The mass of the accumulators of the battery intended for high-voltage power supply of electric drives of booster pumping units during the launch of the liquid-propellant engine with the current specific energy intensity of lithium-ion batteries ~ 200 W⋅h / kg, the engine start time ~ 5 s with 20 switching on of the liquid-propellant engine in one flight and the total power consumption, above (4.118 KW), ~ 0.6 kg, and the mass of the power supply will not exceed 1.5 kg.

Итого, масса агрегатов, обеспечивающих привод бустерных насосов, равна ~6 кг.In total, the mass of the units providing the drive of the booster pumps is ~ 6 kg.

Масса гидротурбин по прототипу с магистралями подвода рабочего тела к бустерным агрегатам равна 2×0,5=1 кг.The mass of the hydraulic turbines according to the prototype with the lines for supplying the working fluid to the booster units is 2 × 0.5 = 1 kg.

Кроме этого в предлагаемом двигателе исключена необходимость в агрегатах запуска двигателя-прототипа массой ~4 кг (раскрутка ТНА и прочие пусковые операции обеспечиваются электродвигателями бустеров и электрогенератором в режиме «Электродвигатель»).In addition, the proposed engine eliminates the need for starting units for the prototype engine with a mass of ~ 4 kg (the promotion of the TNA and other starting operations are provided by electric motors of boosters and an electric generator in the "Electric motor" mode).

Таким образом проигрыш по массе двигателю-прототипу ΔМк=6-4-1=1 кг.Thus, the weight loss to the prototype engine is ΔМк = 6-4-1 = 1 kg.

Массовый эквивалент удельного импульса для разгонного блока «Бриз М» составляет M_J=15 кг/с.The mass equivalent of the specific impulse for the Breeze M upper stage is M _J = 15 kg / s.

Следовательно, выигрыш по массе конечной нагрузки РБ «Бриз М» при использовании в нем предлагаемого двигателя с электроприводом бустерных насосов составит ΔJ⋅M_J-ΔMк=2,3⋅15-1=33,5 кг.Consequently, the gain in the final load mass of the RB "Breeze M" when using the proposed motor with electric booster pumps in it will be ΔJ⋅M _J -ΔMk = 2.3⋅15-1 = 33.5 kg.

Claims

Liquid propellant rocket engine, including booster pumping units, a turbopump unit, a chamber and a gas generator, characterized in that the engine includes an autonomous battery, the drives of the booster pumps are made in the form of synchronous electric motors, and a synchronous electric generator with a rotor on the shaft and a stator is built into the structure of the TNA in the TNA case, and the terminals of the electric motors and the generator are connected to the terminals of the storage battery through a converter of DC electric voltage into AC phase voltages, which also provides the function of reverse conversion.