RU2813564C1 - Method of operation of liquid-propellant engine with afterburner - Google Patents

Method of operation of liquid-propellant engine with afterburner Download PDF

Info

Publication number
RU2813564C1
RU2813564C1 RU2023120210A RU2023120210A RU2813564C1 RU 2813564 C1 RU2813564 C1 RU 2813564C1 RU 2023120210 A RU2023120210 A RU 2023120210A RU 2023120210 A RU2023120210 A RU 2023120210A RU 2813564 C1 RU2813564 C1 RU 2813564C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fuel
nozzle
afterburner
combustion chamber
engine
Prior art date
Application number
RU2023120210A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Федорович Петрищев
Original Assignee
Владимир Федорович Петрищев
Filing date
Publication date
Application filed by Владимир Федорович Петрищев filed Critical Владимир Федорович Петрищев
Application granted granted Critical
Publication of RU2813564C1 publication Critical patent/RU2813564C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: rocketry.
SUBSTANCE: method of operation of a liquid-propellant rocket engine with afterburner after the combustion chamber reaches a stable combustion mode is carried out by opening valves in the afterburner supply lines to supply fuel components under pressure to its fuel injectors, ignition of the supplied components in the afterburner is provided by the temperature of the gases flowing from the critical part of the nozzle, as a result of which there is an increase in temperature and speed of gases in the nozzle behind the afterburner, wherein afterburner operates in constant mass flow rate of fuel components, which leads to constantly increasing value of specific pulse until combustion chamber is switched off, or operates in an economical mode of maintaining an increased constant value of the specific pulse due to throttling in the fuel components supply lines for continuous reduction of second flow through injectors in proportion to degree of reduction of atmospheric pressure until the combustion chamber is switched off.
EFFECT: invention provides increased specific impulse of the engine.
1 cl, 1 dwg

Description

Область техникиField of technology

Изобретение относится к области ракетной техники и может найти применение при создании перспективных экономичных жидкостных ракетных двигателей.The invention relates to the field of rocket technology and can find application in the creation of promising economical liquid rocket engines.

Уровень техникиState of the art

Известен жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) производства СССР РД-180 (РД-180-Википедия) закрытого цикла с дожиганием окислительного генераторного газа после турбины, работающий на компонентах жидкий кислород и керосин, содержащий 2 камеры сгорания с управлением вектором тяги благодаря качанию каждой камеры в двух плоскостях, газогенератор и одновальный турбонасосный агрегат, состоящий из турбины, двухступенчатого насоса горючего и одноступенчатого насоса окислителя. Удельный импульс двигателя на уровне моря 311,9 с, в вакууме - 338,4 с. Давление в камерах сгорания 26,7 МПа, степень расширения газа 36,87. Сухая масса двигателя равна 5330 кг, высота 3580 мм, диаметр 3200 мм. Способ его работы основан на постоянном во времени расходовании массы компонентов топлива. Еще и сегодня этот двигатель поражает специалистов своими высокими характеристиками. Вместе с тем все ракетные двигатели, установленные на первых ступенях ракет-носителей с фиксированными и ограниченными габаритами сопел их камер сгорания, в процессе полета при подъеме на высоту теряют в удельном импульсе, и в данном случае двигатель РД-180 теряет 26,5 с вследствие невозможности исключить возможность перерасширения струи продуктов сгорания при подъеме на высоту при фиксированных размерах расширяющейся части сопла.A known liquid rocket engine (LPRE) manufactured in the USSR RD-180 (RD-180-Wikipedia) is a closed cycle with afterburning of oxidizing generator gas after the turbine, running on the components liquid oxygen and kerosene, containing 2 combustion chambers with thrust vector control due to the swing of each chamber in two planes, a gas generator and a single-shaft turbopump unit consisting of a turbine, a two-stage fuel pump and a single-stage oxidizer pump. The specific impulse of the engine at sea level is 311.9 s, in vacuum - 338.4 s. The pressure in the combustion chambers is 26.7 MPa, the degree of gas expansion is 36.87. The dry weight of the engine is 5330 kg, height 3580 mm, diameter 3200 mm. Its method of operation is based on the constant consumption of the mass of fuel components over time. Even today, this engine amazes specialists with its high performance. At the same time, all rocket engines installed on the first stages of launch vehicles with fixed and limited dimensions of the nozzles of their combustion chambers lose specific impulse during flight when rising to altitude, and in this case the RD-180 engine loses 26.5 s due to the impossibility of eliminating the possibility of overexpansion of the jet of combustion products when rising to a height with fixed dimensions of the expanding part of the nozzle.

Известен ЖРД Raptor разработки частной компании США SpaceX (ru.wikipedia.org/wiki/Raptor) закрытого типа с полной газификацией компонентов, предназначенный для установки на обеих степенях двухступенчатой ракеты-носителя Starship Heavy для пилотируемых полетов на Луну и на Марс и работающий на компонентах жидкий кислород и жидкий метан. Тяга двигателя во второй версии на уровне моря 230 тс, в пустоте 250 тс. Удельный импульс на уровне моря 330 с, в пустоте 375 с. Давление в камере сгорания 35 МПа, степень расширения газа 40 на уровне моря и 200 в пустоте. Сухая масса двигателя равна 1500 кг, высота 3100 мм, диаметр 1300 мм. Это самый совершенный на сегодняшний день метановый ЖРД. По своим характеристикам он приближается к предельным характеристикам данного типа двигателей. Разработчики двигателя надеются лишь на возможность некоторого дальнейшего улучшения в части увеличения давления в камере сгорания для увеличения тяги двигателя. В процессе полета при подъеме на высоту двигатель также теряет в удельном импульсе 45 с. Поэтому для использования на второй ступени ракеты-носителя применяется версия вакуумного двигателя.Known is the Raptor liquid rocket engine developed by the US private company SpaceX (ru.wikipedia.org/wiki/Raptor) of a closed type with complete gasification of components, designed for installation on both stages of a two-stage Starship Heavy launch vehicle for manned flights to the Moon and Mars and powered by components liquid oxygen and liquid methane. The engine thrust in the second version at sea level is 230 tf, in the void 250 tf. Specific impulse at sea level is 330 s, in vacuum 375 s. The pressure in the combustion chamber is 35 MPa, the degree of gas expansion is 40 at sea level and 200 in vacuum. The dry weight of the engine is 1500 kg, height 3100 mm, diameter 1300 mm. This is the most advanced methane rocket engine to date. According to its characteristics, it approaches the maximum characteristics of this type of engine. Engine developers are only hoping for some further improvement in terms of increasing the pressure in the combustion chamber to increase engine thrust. During the flight, when climbing to altitude, the engine also loses 45 s in specific impulse. Therefore, a version of the vacuum engine is used for use in the second stage of the launch vehicle.

Известен проект ЖРД с выдвижным соплом (Патент №2612691, RU), принимаемый за аналог, содержащий камеру с соплом из двух частей. Одна часть смонтирована неподвижно с камерой сгорания, снабжена механизмом выдвижения в виде привода, исполнительного механизма и узлов направления и фиксации в конечном положении. Вторая часть выполнена, в свою очередь, из двух с возможностью перемещения вдоль оси двигателя кинематически связанных отдельных частей, одна из которых связана с помощью механизма выдвижения, направления и фиксации со смонтированной неподвижно частью сопла. Проект отличается тем, что по цилиндрическому контуру на периферии неподвижной обечайки сопла выполнены профильные многозаходные винтовые направляющие, по одинаковым по окружности равноотстоящим друг от друга и продольной оси двигателя винтовым траекториям. При этом на корпусе выдвижной максимального диаметра части сопла с возможностью вращения и с осевой фиксацией установлена кольцевая обечайка, снабженная двумя группами направленных к продольной оси сопла и в другую от нее сторону цапф со сферическими подшипниками: одной - взаимодействующей своими подшипниками с внутренними профилями винтовых направляющих, и второй группой цапф, снабженной сферическими подшипниками через шатуны, с группой цапф, размещенной с внешней части сопла максимального диаметра. Достоинством проекта с выдвигаемым сопловым насадком является возможность исключить потери удельного импульса камеры сгорания при подъеме на высоту и за счет этого заметно увеличить массу полезной нагрузки ракеты-носителя. Его недостатком является сложность механизма выдвижения, которое должно осуществляться на работающем двигателе, что снижает надежность ЖРД в целом.There is a well-known project of a liquid-propellant rocket engine with a retractable nozzle (Patent No. 2612691, RU), which is taken as an analogue containing a chamber with a two-part nozzle. One part is mounted motionlessly with the combustion chamber, equipped with an extension mechanism in the form of a drive, an actuator and units for direction and fixation in the final position. The second part is made, in turn, of two kinematically connected individual parts with the ability to move along the engine axis, one of which is connected by means of an extension, direction and fixation mechanism with a stationary mounted part of the nozzle. The project is distinguished by the fact that along a cylindrical contour on the periphery of the stationary nozzle shell, profile multi-start screw guides are made, along screw trajectories that are identical around the circumference and equidistant from each other and the longitudinal axis of the engine. In this case, on the body of the retractable part of the nozzle with the maximum diameter, with the possibility of rotation and axial fixation, there is an annular shell equipped with two groups of trunnions with spherical bearings directed towards the longitudinal axis of the nozzle and in the other direction from it: one - interacting with its bearings with the internal profiles of the screw guides, and a second group of trunnions, equipped with spherical bearings through the connecting rods, with a group of trunnions located on the outer part of the nozzle of maximum diameter. The advantage of the project with a retractable nozzle is the ability to eliminate losses in the specific impulse of the combustion chamber when rising to a height and thereby significantly increase the payload mass of the launch vehicle. Its disadvantage is the complexity of the extension mechanism, which must be carried out while the engine is running, which reduces the reliability of the liquid-propellant rocket engine as a whole.

Известен также проект ЖРД с форсажем (ЖРДФ) (Патент №2789943, RU), принимаемый за прототип, выполненный по закрытой схеме с полной газификацией компонентов, содержащий два турбонасосных агрегата, каждый их которых содержит насос высокого давления, сидящий на одном валу с газогенератором. При этом горючее проходит через восстановительный газогенератор, а окислитель проходит через окислительный газогенератор. Важнейшим элементом является камера сгорания для сжигания газообразных компонентов с использованием топливных форсунок в головке камеры сгорания, переходящая в сопло и далее после критического сечения в расширяющуюся часть. Проект содержит систему охлаждения камеры сгорания и сопла компонентом горючего, систему продувки двигателя перед запуском, систему запуска двигателя, систему управления работой двигателя. Проект отличается тем, что двигатель снабжен устройством форсажа, созданным в расширяющейся части сопла за критическим сечением. Устройство форсажа состоит из кольцевого пояса, осуществляющего локальное ступенчатое увеличение диаметра сопла, установленных по периметру кольцевого пояса топливных форсунок и двух трубопроводов, по которым к топливным форсункам подводится часть газифицированных компонентов горючего и окислителя. Воспламенение подводимых компонентов в устройстве форсажа обеспечивается высокой температурой истекающих из критической части сопла газов, в результате чего происходит рост температуры и скорости движения газов в сопле за устройством форсажа. Для уменьшения давления газов на срезе сопла длина сопла увеличена. Достоинство проекта состоит в том, что его реализация позволила бы увеличить массу полезной нагрузки ракеты-носителя за счет увеличения тяги камеры сгорания, перекрывающей потерю удельного импульса при подъеме на высоту. Недостаток проекта состоит в том, что он не содержит описания способа работы ЖРДФ, который может обеспечить рост удельного импульса двигателя при подъеме на высоту для улучшения экономичности двигателя.The project of a liquid propellant rocket engine with afterburner (LPRE) is also known (Patent No. 2789943, RU), taken as a prototype, made according to a closed circuit with complete gasification of the components, containing two turbopump units, each of which contains a high-pressure pump sitting on the same shaft with the gas generator. In this case, the fuel passes through a reduction gas generator, and the oxidizer passes through an oxidation gas generator. The most important element is the combustion chamber for burning gaseous components using fuel nozzles in the head of the combustion chamber, which passes into the nozzle and then after the critical section into the expanding part. The project contains a cooling system for the combustion chamber and nozzles with a fuel component, a system for purging the engine before starting, an engine starting system, and an engine operation control system. The project is distinguished by the fact that the engine is equipped with an afterburner device created in the expanding part of the nozzle behind the critical section. The afterburner device consists of an annular belt that carries out a local stepwise increase in the diameter of the nozzle, fuel injectors installed along the perimeter of the annular belt, and two pipelines through which some of the gasified components of the fuel and oxidizer are supplied to the fuel injectors. Ignition of the supplied components in the afterburner device is ensured by the high temperature of the gases escaping from the critical part of the nozzle, resulting in an increase in the temperature and speed of gas movement in the nozzle behind the afterburner device. To reduce the gas pressure at the nozzle exit, the length of the nozzle has been increased. The advantage of the project is that its implementation would make it possible to increase the payload mass of the launch vehicle by increasing the thrust of the combustion chamber, which covers the loss of specific impulse when rising to altitude. The disadvantage of the project is that it does not contain a description of the method of operation of the liquid propellant rocket engine, which can ensure an increase in the specific impulse of the engine when rising to a height to improve engine efficiency.

Таким образом, известное техническое решение для компенсации потери удельного импульса при подъеме на высоту для ЖРД, камера сгорания которого снабжена выдвижным сопловым насадком, не обеспечивают необходимую надежность этого ЖРД в целом, а в проекте ЖРДФ отсутствует описание способа его работы, который может реализовать рост удельного импульса двигателя при подъеме на высоту для улучшения экономичности двигателя.Thus, the known technical solution for compensating for the loss of specific impulse when rising to a height for a liquid propellant rocket engine, the combustion chamber of which is equipped with a retractable nozzle nozzle, does not provide the necessary reliability of this liquid propellant engine as a whole, and the design of the liquid propellant rocket engine does not contain a description of the method of its operation, which can realize an increase in the specific impulse engine impulse when climbing to a height to improve engine efficiency.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention

Жидкостный ракетный двигатель с форсажем, работающий на топливной паре керосин плюс жидкий кислород и имеющий закрытый цикл с дожиганием окислительного генераторного газа после турбины, содержит газогенератор, турбонасосный агрегат, который состоит из турбины, двухступенчатого насоса горючего и одноступенчатого насоса окислителя. Каждый из этих насосов является насосом высокого давления и установлен на одном валу с турбиной. ЖРДФ содержит систему продувки двигателя перед запуском, систему запуска двигателя, систему управления работой двигателя, камеру сгорания с установленными в ее голове топливными форсунками для сжигания компонентов топлива. Важнейшим элементом двигателя является сопло, переходящее после критического сечения в расширяющуюся часть. Охлаждение камеры сгорания осуществляется жидким керосином. В расширяющейся части сопла за критическим сечением установлено устройство форсажа, состоящее из кольцевого пояса, осуществляющего локальное ступенчатое увеличение диаметра сопла, установленных по периметру кольцевого пояса топливных форсунок и двух трубопроводов подвода части компонентов горючего и окислителя к топливным форсункам. Для уменьшения давления газов на срезе сопла до атмосферного давления размеры сопла по длине и диаметру увеличены. Способ работы ЖРДФ включает запуск турбонасосного агрегата для подачи компонентов топлива под давлением к форсункам, установленным в головке камеры сгорания, распыление, перемешивание, поджог компонентов топлива, выход камеры сгорания на режим устойчивого горения компонентов топлива. Далее открываются клапаны в магистралях питания устройства форсажа для подачи компонентов топлива под давлением к его топливным форсункам. Воспламенение подводимых компонентов в устройстве форсажа обеспечивается температурой истекающих из критической части сопла газов. В результате чего происходит рост температуры и скорости движения газов в сопле за устройством форсажа. При этом устройство форсажа работает в режиме расхода постоянной массы компонентов топлива, что приводит к постоянно увеличивающейся величине удельного импульса до момента выключения камеры сгорания. При этом при подъеме на высоту происходит перерасширение газового потока. Для повышения экономичности ЖРДФ и недопущения перерасширения газового потока при подъеме на высоту устройство форсажа работает в режиме удержания увеличенной постоянной величины удельного импульса за счет дросселирования в магистралях подачи компонентов топлива для непрерывного уменьшения секундного расхода через форсунки пропорционально степени уменьшения атмосферного давления до момента выключения камеры сгорания.A liquid rocket engine with afterburner, operating on a fuel pair of kerosene plus liquid oxygen and having a closed cycle with afterburning of oxidizing generator gas after the turbine, contains a gas generator, a turbopump unit, which consists of a turbine, a two-stage fuel pump and a single-stage oxidizer pump. Each of these pumps is a high pressure pump and is mounted on the same shaft as the turbine. The LRDF contains a system for purging the engine before starting, an engine starting system, an engine operation control system, a combustion chamber with fuel injectors installed in its head for burning fuel components. The most important element of the engine is the nozzle, which passes after the critical section into the expanding part. The combustion chamber is cooled with liquid kerosene. In the expanding part of the nozzle behind the critical section, an afterburner device is installed, consisting of an annular belt that carries out a local stepwise increase in the diameter of the nozzle, fuel injectors installed along the perimeter of the annular belt, and two pipelines for supplying some of the fuel and oxidizer components to the fuel injectors. To reduce the gas pressure at the nozzle exit to atmospheric pressure, the nozzle dimensions in length and diameter are increased. The method of operation of the liquid fuel combustion engine includes the launch of a turbopump unit to supply fuel components under pressure to the nozzles installed in the head of the combustion chamber, atomization, mixing, ignition of the fuel components, and the combustion chamber entering the mode of stable combustion of the fuel components. Next, the valves in the power lines of the afterburner device open to supply fuel components under pressure to its fuel injectors. Ignition of the supplied components in the afterburner device is ensured by the temperature of the gases escaping from the critical part of the nozzle. As a result, the temperature and speed of gas movement in the nozzle behind the afterburner increases. In this case, the afterburner operates in the mode of consuming a constant mass of fuel components, which leads to a constantly increasing specific impulse until the combustion chamber is turned off. In this case, when rising to a height, the gas flow overexpands. To increase the efficiency of the liquid propellant engine and prevent overexpansion of the gas flow when rising to a height, the afterburner operates in the mode of maintaining an increased constant value of the specific impulse due to throttling in the supply lines of fuel components to continuously reduce the second flow rate through the nozzles in proportion to the degree of reduction in atmospheric pressure until the combustion chamber is turned off.

Задачей этого изобретения является разработка способа работы ЖРДФ, обеспечивающего повышение величины удельного импульса двигателя с целью повышения его экономичности.The objective of this invention is to develop a method of operation of a liquid propellant propulsion motor that provides an increase in the specific impulse of the engine in order to increase its efficiency.

Способ работы жидкостного ракетного двигателя с форсажем, работающего на топливной паре керосин плюс жидкий кислород и имеющего закрытый цикл с дожиганием окислительного генераторного газа после турбины, содержащего газогенератор, турбонасосный агрегат, состоящий из турбины, двухступенчатого насоса горючего и одноступенчатого насоса окислителя, каждый их которых является насосом высокого давления, установленным на одном валу с турбиной, системы продувки двигателя перед запуском, системы запуска двигателя, системы управления работой двигателя, камеры сгорания с установленными в ее голове топливными форсунками для сжигания компонентов топлива, сопла, переходящего после критического сечения в расширяющуюся часть, системы охлаждения камеры сгорания и сопла жидким компонентом горючего, устройства форсажа, установленного в расширяющейся части сопла за критическим сечением, состоящего из кольцевого пояса, осуществляющего локальное ступенчатое увеличение диаметра сопла, установленных по периметру кольцевого пояса топливных форсунок и двух трубопроводов, по которым к топливным форсункам подводится часть компонентов горючего и окислителя, а для уменьшения давления газов на срезе сопла до атмосферного давления размеры сопла по длине и диаметру увеличены, последовательного запуска турбонасосного агрегата для подачи компонентов топлива под давлением к форсункам, установленным в головке камеры сгорания, распыления, перемешивания, поджога компонентов топлива, выхода камеры сгорания на режим устойчивого горения компонентов топлива, согласно изобретению после выхода камеры сгорания на режим устойчивого горения осуществляется открытие клапанов в магистралях питания устройства форсажа для подачи компонентов топлива под давлением к его топливным форсункам, воспламенение подводимых компонентов в устройстве форсажа обеспечивается температурой истекающих из критической части сопла газов, в результате чего происходит рост температуры и скорости движения газов в сопле за устройством форсажа, при этом устройство форсажа работает в режиме расхода постоянной массы компонентов топлива, что приводит к постоянно увеличивающейся величине удельного импульса до момента выключения камеры сгорания, либо работает в экономичном режиме удержания увеличенной постоянной величины удельного импульса за счет дросселирования в магистралях подачи компонентов топлива для непрерывного уменьшения секундного расхода через форсунки пропорционально степени уменьшения атмосферного давления до момента выключения камеры сгорания.A method of operation of a liquid-propellant rocket engine with afterburner, running on a fuel pair of kerosene plus liquid oxygen and having a closed cycle with afterburning of oxidizing generator gas after the turbine, containing a gas generator, a turbopump unit consisting of a turbine, a two-stage fuel pump and a single-stage oxidizer pump, each of which is a high-pressure pump mounted on the same shaft with the turbine, an engine purge system before starting, an engine starting system, an engine control system, a combustion chamber with fuel injectors installed in its head for burning fuel components, a nozzle that passes after the critical section into an expanding part, cooling system of the combustion chamber and nozzle with the liquid component of the fuel, an afterburner device installed in the expanding part of the nozzle behind the critical section, consisting of an annular belt that carries out a local stepwise increase in the diameter of the nozzle, fuel injectors installed along the perimeter of the annular belt and two pipelines through which to the fuel injectors some of the fuel and oxidizer components are supplied, and to reduce the gas pressure at the nozzle exit to atmospheric pressure, the dimensions of the nozzle in length and diameter are increased, sequential launch of the turbopump unit to supply fuel components under pressure to the nozzles installed in the head of the combustion chamber, atomization, mixing, ignition fuel components, the combustion chamber reaches the mode of stable combustion of the fuel components, according to the invention, after the combustion chamber reaches the mode of stable combustion, the valves in the power lines of the afterburner device are opened to supply fuel components under pressure to its fuel injectors, ignition of the supplied components in the afterburner device is ensured by temperature gases flowing out of the critical part of the nozzle, resulting in an increase in the temperature and speed of gas movement in the nozzle behind the afterburner, while the afterburner operates in the mode of consuming a constant mass of fuel components, which leads to a constantly increasing specific impulse until the combustion chamber is turned off, or operates in an economical mode of maintaining an increased constant value of the specific impulse due to throttling in the supply lines of fuel components to continuously reduce the second flow rate through the injectors in proportion to the degree of reduction in atmospheric pressure until the combustion chamber is turned off.

Сущность изобретения поясняется чертежом.The essence of the invention is illustrated by the drawing.

На чертеже (фиг. 1) приведена схема основного элемента ЖРДФ - камеры сгорания и сопла с размещенным внутри сопла устройством форсажа.The drawing (Fig. 1) shows a diagram of the main element of the LRDF - the combustion chamber and nozzle with an afterburner device located inside the nozzle.

На этом чертеже:In this drawing:

1 - форсуночная головка камеры сгорания;1 - nozzle head of the combustion chamber;

2 - трубопроводы подвода компонентов2 - pipelines for supplying components

топлива к форсуночной головке;fuel to the injector head;

3 - камера сгорания;3 - combustion chamber;

4 - критическое сечение сопла;4 - critical section of the nozzle;

5 - трубопроводы подвода компонентов5 - pipelines for supplying components

топлива к топливным форсункам устройства форсажа;fuel to the fuel injectors of the afterburner;

6 - кольцевой пояс;6 - ring belt;

7 - топливные форсунки;7 - fuel injectors;

8 - сопло ЖРДФ;8 - LRDF nozzle;

9 - сопло ЖРД.9 - liquid-propellant rocket engine nozzle.

Осуществление изобретенияCarrying out the invention

Пример возможной реализации предложенного технического решения.An example of a possible implementation of the proposed technical solution.

Жидкостный ракетный двигатель с форсажем содержит (фиг. 1) форсуночную головку 1, трубопроводы 2, осуществляющие подачу газифицированных компонентов топлива к камере сгорания 3, сопло с критическим сечением 4, трубопроводы 5, подающие часть компонентов топлива к форсажному устройству, состоящему из кольцевого пояса 6 с топливными форсунками 7 и осуществляющему локальное ступенчатое увеличение диаметра сопла 8. Для сравнения пунктиром показано сопло 9 двигателя без применения устройства форсажа. При использовании двигателя на уровне моря длина сопла должна обеспечить давление на срезе сопла, равное одной атмосфере, а при использовании двигателя в вакууме давление на срезе сопла должно быть равно нулю.A liquid rocket engine with afterburner contains (Fig. 1) an injector head 1, pipelines 2 supplying gasified fuel components to the combustion chamber 3, a nozzle with a critical section 4, pipelines 5 supplying some of the fuel components to the afterburner device, consisting of an annular belt 6 with fuel injectors 7 and carrying out a local stepwise increase in the diameter of the nozzle 8. For comparison, the dotted line shows the nozzle 9 of the engine without the use of an afterburner device. When using the engine at sea level, the length of the nozzle must provide a pressure at the nozzle exit equal to one atmosphere, and when using the engine in a vacuum, the pressure at the nozzle exit must be zero.

В двигателе при суммарном секундном расходе топлива 625,5 кг/с, в том числе керосина 168,1 кг/с и кислорода 457,4 кг/с, и при удельном импульсе на уровне моря 311,9 с двигатель развивает тягу 195,1 тс на уровне моря. Степень расширения газов в сопле 36,87. Диаметр в критическом сечении сопла равен 235,5 мм. Длина сопла от критического сечения до среза сопла принята равной 1,78 м. Диаметр сопла в плоскости среза равен 1,43 м. При увеличении производительности газогенератора и турбонасосного агрегата на 20%, дополнительные 125,1 кг топлива подводятся к форсункам устройства форсажа. Произведен газодинамический расчет параметров потока продуктов сгорания по сечениям камеры сгорания и сопла. Результаты расчета приведены в таблице.In the engine, with a total second fuel consumption of 625.5 kg/s, including kerosene 168.1 kg/s and oxygen 457.4 kg/s, and with a specific impulse at sea level of 311.9 s, the engine develops a thrust of 195.1 ts at sea level. The degree of gas expansion in the nozzle is 36.87. The diameter at the critical section of the nozzle is 235.5 mm. The length of the nozzle from the critical section to the nozzle exit is assumed to be 1.78 m. The diameter of the nozzle in the cut plane is 1.43 m. With an increase in the productivity of the gas generator and turbopump unit by 20%, an additional 125.1 kg of fuel is supplied to the injectors of the afterburner device. A gas-dynamic calculation of the parameters of the flow of combustion products along the sections of the combustion chamber and nozzle was carried out. The calculation results are shown in the table.

В таблице использованы следующие сечения: «кс» - камера сгорания (перед входом в сопло), «кр» - критическое сечение сопла, «сс» - срез сопла, «уф» - устройство форсажа. Сечение устройства форсажа удалено на 300 мм от критического сечения сопла. При расчетах использован коэффициент адиабаты, равный 1,15.The following sections are used in the table: “ks” - combustion chamber (before entering the nozzle), “cr” - critical section of the nozzle, “ss” - nozzle section, “uv” - afterburner device. The cross section of the afterburner device is located 300 mm from the critical section of the nozzle. The adiabatic coefficient equal to 1.15 was used in the calculations.

По результатам расчетов, степень расширения газов в сопле от устройства форсажа до среза сопла равна 32,76. Диаметр сечения сопла на его срезе равен 3,32 м, что указывает на то, что ЖРДФ представляет собой вакуумный вариант исходного ЖРД. Из таблицы видно, что скорость истечения газов из сопла, а, следовательно, и удельный импульс увеличиваются на 10%. При этом при секундном расходе массы 750,6 кг/с тяга двигателя ЖРДФ составляет 257,5 тс. При увеличении секундного расхода массы через форсунки в головке камеры сгорания ЖРД его тяга будет равняться 234,1 тс. Увеличение тяги двигателя ЖРДФ на 23,4 тс не только компенсирует увеличение массы сухого ЖРДФ по сравнению с сухим ЖРД, а также увеличение массы удлиненной обечайки агрегатного отсека ракеты-носителя, в котором установлен удлиненный ЖРДФ, но и позволяет увеличить массу полезной нагрузки ракеты-носителя.According to the calculation results, the degree of expansion of gases in the nozzle from the afterburner device to the nozzle exit is 32.76. The cross-sectional diameter of the nozzle at its exit is 3.32 m, which indicates that the liquid propellant rocket engine is a vacuum version of the original liquid propellant rocket engine. The table shows that the speed of gas flow from the nozzle, and, consequently, the specific impulse increases by 10%. At the same time, with a second mass consumption of 750.6 kg/s, the thrust of the LRDF engine is 257.5 tf. With an increase in the second mass flow through the nozzles in the head of the combustion chamber of the liquid-propellant rocket engine, its thrust will be equal to 234.1 tf. An increase in the thrust of the LPRE engine by 23.4 tf not only compensates for the increase in the mass of the dry LPRE compared to the dry LPRE, as well as the increase in the mass of the elongated shell of the launch vehicle assembly compartment in which the extended LPRE is installed, but also makes it possible to increase the mass of the payload of the launch vehicle .

По второму способу работы ЖРДФ для повышения его экономичности устройство форсажа использует эффект возрастания удельного импульса при подъеме на высоту. Для этого за счет дросселирования в магистралях подачи компонентов топлива к форсункам устройства форсажа непрерывно уменьшается секундный расход компонентов топлива пропорционально степени уменьшения атмосферного давления. По этому способу в каждый момент времени работы двигателя уменьшение секундного расхода компонентов топлива, приводящее к уменьшению удельного импульса, компенсируется приращением удельного импульса за счет снижения атмосферного давления при подъеме на высоту. В результате удельный импульс остается постоянным, а экономичность двигателя возрастает за счет непрерывного уменьшения секундного расхода компонентов топлива через форсунки устройства форсажа.According to the second method of operation of the liquid propellant rocket engine, to increase its efficiency, the afterburner device uses the effect of increasing specific impulse when rising to a height. To do this, due to throttling in the supply lines of fuel components to the injectors of the afterburner device, the second consumption of fuel components is continuously reduced in proportion to the degree of decrease in atmospheric pressure. According to this method, at each moment of engine operation, a decrease in the second consumption of fuel components, leading to a decrease in specific impulse, is compensated by an increase in specific impulse due to a decrease in atmospheric pressure when ascending to altitude. As a result, the specific impulse remains constant, and engine efficiency increases due to a continuous reduction in the second consumption of fuel components through the injectors of the afterburner device.

В результате применения настоящего изобретения техническое решение, направленное на разработку способа работы жидкостного ракетного двигателя с форсажем, реализуется за счет постоянного во времени расхода компонентов топлива через форсунки устройства форсажа, либо за счет непрерывно уменьшающегося расхода компонентов топлива через форсунки устройства форсажа, пропорционального уменьшающемуся атмосферному давлению при подъеме на высоту, в результате чего повышается экономичность двигателя.As a result of the application of the present invention, a technical solution aimed at developing a method for operating a liquid-propellant rocket engine with afterburner is implemented due to a constant time flow of fuel components through the nozzles of the afterburner device, or due to a continuously decreasing flow rate of fuel components through the nozzles of the afterburner device, proportional to the decreasing atmospheric pressure when climbing to a height, resulting in increased engine efficiency.

Claims (1)

Способ работы жидкостного ракетного двигателя с форсажем, работающего на топливной паре керосин плюс жидкий кислород и имеющего закрытый цикл с дожиганием окислительного генераторного газа после турбины, содержащего газогенератор, турбонасосный агрегат, состоящий из турбины, двухступенчатого насоса горючего и одноступенчатого насоса окислителя, каждый их которых является насосом высокого давления, установленным на одном валу с турбиной, системы продувки двигателя перед запуском, системы запуска двигателя, системы управления работой двигателя, камеры сгорания с установленными в ее голове топливными форсунками для сжигания компонентов топлива, сопла, переходящего после критического сечения в расширяющуюся часть, системы охлаждения камеры сгорания и сопла жидким компонентом горючего, устройства форсажа, установленного в расширяющейся части сопла за критическим сечением, состоящего из кольцевого пояса, осуществляющего локальное ступенчатое увеличение диаметра сопла, установленных по периметру кольцевого пояса топливных форсунок и двух трубопроводов, по которым к топливным форсункам подводится часть компонентов горючего и окислителя, а для уменьшения давления газов на срезе сопла до атмосферного давления размеры сопла по длине и диаметру увеличены, состоящий из последовательного запуска турбонасосного агрегата для подачи компонентов топлива под давлением к форсункам, установленным в головке камеры сгорания, распыления, перемешивания, поджога компонентов топлива, выхода камеры сгорания на режим устойчивого горения компонентов топлива, отличающийся тем, что после выхода камеры сгорания на режим устойчивого горения осуществляется открытие клапанов в магистралях питания устройства форсажа для подачи компонентов топлива под давлением к его топливным форсункам, воспламенение подводимых компонентов в устройстве форсажа обеспечивается температурой истекающих из критической части сопла газов, в результате чего происходит рост температуры и скорости движения газов в сопле за устройством форсажа, при этом устройство форсажа работает в режиме расхода постоянной массы компонентов топлива, что приводит к постоянно увеличивающейся величине удельного импульса до момента выключения камеры сгорания, либо работает в экономичном режиме удержания увеличенной постоянной величины удельного импульса за счет дросселирования в магистралях подачи компонентов топлива для непрерывного уменьшения секундного расхода через форсунки пропорционально степени уменьшения атмосферного давления до момента выключения камеры сгорания.A method of operation of a liquid-propellant rocket engine with afterburner, running on a fuel pair of kerosene plus liquid oxygen and having a closed cycle with afterburning of oxidizing generator gas after the turbine, containing a gas generator, a turbopump unit consisting of a turbine, a two-stage fuel pump and a single-stage oxidizer pump, each of which is a high-pressure pump mounted on the same shaft with the turbine, an engine purge system before starting, an engine starting system, an engine control system, a combustion chamber with fuel injectors installed in its head for burning fuel components, a nozzle that passes after the critical section into an expanding part, cooling system of the combustion chamber and nozzle with the liquid component of the fuel, an afterburner device installed in the expanding part of the nozzle behind the critical section, consisting of an annular belt that carries out a local stepwise increase in the diameter of the nozzle, fuel injectors installed along the perimeter of the annular belt and two pipelines through which to the fuel injectors some of the fuel and oxidizer components are supplied, and to reduce the gas pressure at the nozzle exit to atmospheric pressure, the dimensions of the nozzle in length and diameter are increased, consisting of the sequential launch of a turbopump unit to supply fuel components under pressure to the nozzles installed in the head of the combustion chamber, atomization, mixing , arson of the fuel components, the combustion chamber entering the stable combustion mode of the fuel components, characterized in that after the combustion chamber enters the stable combustion mode, the valves in the power lines of the afterburner device are opened to supply fuel components under pressure to its fuel injectors, the supplied components are ignited in the afterburner device is provided by the temperature of the gases flowing from the critical part of the nozzle, as a result of which there is an increase in the temperature and speed of gas movement in the nozzle behind the afterburner device, while the afterburner device operates in the mode of consuming a constant mass of fuel components, which leads to a constantly increasing value of the specific impulse until turning off the combustion chamber, or operates in an economical mode of maintaining an increased constant value of the specific impulse due to throttling in the supply lines of fuel components to continuously reduce the second flow rate through the injectors in proportion to the degree of reduction in atmospheric pressure until the combustion chamber is turned off.
RU2023120210A 2023-07-31 Method of operation of liquid-propellant engine with afterburner RU2813564C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2813564C1 true RU2813564C1 (en) 2024-02-13

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
WO2016039993A1 (en) * 2014-09-12 2016-03-17 Aerojet Rocketdyne, Inc. Liquid propellant rocket engine with afterburner combustor
RU2789943C1 (en) * 2022-06-21 2023-02-14 Владимир Федорович Петрищев Liquid rocket engine with accessor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
WO2016039993A1 (en) * 2014-09-12 2016-03-17 Aerojet Rocketdyne, Inc. Liquid propellant rocket engine with afterburner combustor
RU2789943C1 (en) * 2022-06-21 2023-02-14 Владимир Федорович Петрищев Liquid rocket engine with accessor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5052176A (en) Combination turbojet-ramjet-rocket propulsion system
US5101622A (en) Aerospace propulsion
US20070157625A1 (en) Constant volume combustor
US8016211B2 (en) Pintle-controlled propulsion system with external ring actuator
JP2007192221A (en) Acoustic cavity manifold for rocket engine, rocket engine, and method for improving efficiency of specific impulse of rocket engine
US9650997B2 (en) Rotary turbo rocket
US5267437A (en) Dual mode rocket engine
RU2813564C1 (en) Method of operation of liquid-propellant engine with afterburner
EP0362052A1 (en) Nozzle structure for a combined turbo-static rocket
RU2385274C1 (en) Multi-stage carrier rocket, method to launch it and three-component rocket engine
RU2742515C1 (en) Compound propulsion system of reusable first stage launcher
RU2382228C1 (en) Adjustable liquid propellant rocket engine
RU2459971C1 (en) Carrier rocket, liquid-propellant rocket engine and roll nozzle block
RU2455514C1 (en) Multistage booster-rocket, liquid propellant rocket engine and roll nozzle block
RU2380651C1 (en) Multistaged air-defense missile
RU2789943C1 (en) Liquid rocket engine with accessor
US3487643A (en) Composite ramjet/rocket propulsion unit
RU2106511C1 (en) Hybrid rocket turbine engine
RU2382224C1 (en) Multistage carrier rocket, three-component rocket engine, method of engine operation and fuel feed turbopump system
RU2390476C1 (en) Multi-stage
RU2484285C1 (en) Oxygen-hydrogen liquid-propellant engine
RU2380647C1 (en) Multistaged cruise missile
RU2378166C1 (en) Multi-stage rocket carrier, method of its launching and nuclear rocket engine
RU2381152C1 (en) Multi-stage carrier rocket with nuclear rocket engines
RU2794687C1 (en) Liquid rocket engine