КИСЛОРОДНО-ВОДОРОДНЫЙ ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F02K9/48 

Изобретение относится к области ракетостроения и может быть использовано в кислородо-водородных ЖРД и в ЖРД, работающих на других компонентах топлива.

Известен кислородно-водородный ЖРД многоразового использования, содержащий камеру сгорания, ТНА горючего, ТНА окислителя, бустерный насос горючего, бустерный насос окислителя с гидротурбиной, газогенераторы привода турбин ТНА горючего и окислителя.

ТНА горючего содержит трехступенчатый насос и двухступенчатую газовую турбину. ТНА окислителя содержит основной центробежный насос окислителя с двухсторонним входом, дополнительный центробежный насос окислителя и двухступенчатую газовую турбину. Выход основного насоса окислителя соединен трубопроводами с камерой сгорания, со входом гидравлической турбины бустерного насоса окислителя и со входом дополнительного насоса окислителя, выход которого соединен трубопроводом с газогенераторами.

(Гахун Г.Г. Ваулин В.И. Володин В.А. и др. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей. М. Машиностроение, 1989. Стр. 94. Рис. 5.7; стр. 95 97 прототип).

Такая конструкция обладает следующими основными недостатками.

Двигатель содержит две газовые турбины для привода ТНА горючего и ТНА окислителя. Известно, что одним из элементов, ограничивающим ракурс двигателя, является турбина. Наличие двух газовых турбин усложняет отработку и эксплуатацию двигателя, так как при многоразовом использовании двигателя требуется проведение ремонта турбин.

ТНА окислителя содержит сложный в отработке узел уплотнения вала, разделяющий восстановительный высокотемпературный газ высокого давления в полости турбины и жидкий кислород в полости насоса окислителя.

Как известно, антикавитационное совершенство насоса характеризуется кавитационным коэффициентом быстроходности.

где n частота вращения ротора, об/мин;
V объемный расход жидкости через насос, м³/с;
δh_срв критический кавитационный запас на входе в насос, м.

Для геометрически подобных насоса C_срв является постоянной величиной. Критический кавитационный запас δh_срв определяет величину необходимого давления на входе в насос, а следовательно, и напор бустерного насоса. Тогда из приведенной зависимости следует, что при заданной величине напора бустерного насоса, чем больше величина V, тем меньше должна быть частота вращения ротора. Чем меньше частота вращения ротора, тем меньше коэффициент полезного действия насоса и тем больше габариты и масса турбонасосного агрегата. Поэтому частоту вращения ротора необходимо выбирать максимально возможной.

Так как через основной насос окислителя протекает суммарный расход кислорода в камеру сгорания, в газогенератор и на привод гидротурбины бустерного насоса окислителя, то это существенно ограничивает частоту вращения ротора ТНА и ухудшает его технические характеристики. Устранение данного недостатка особенно важно для одноблочной конструкции ТНА кислородно-водородного ЖРД, в которой кислородный и водородный насос имеют общий ротор и одинаковую частоту вращения ротора. Повышение частоты вращения ротора ТНА за счет улучшения кавитационных качеств кислородного насоса вызывает значительное повышение коэффициента полезного действия и снижает массу водородного насоса.

Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, повышение экономичности насосов и снижение затрат на эксплуатацию двигателя.

поставленная цель достигается тем, что в кислородно-водородном ЖРД, содержащем камеру сгорания, многоступенчатый насос горючего, газогенератор и турбину привода насоса горючего, основной насос окислителя с отводящим трубопроводом, соединенным с камерой сгорания, дополнительный насос окислителя с отводящим трубопроводом, соединенным с газогенератором, бустерный насос горючего, бустерный насос окислителя с гидротурбиной и подводящий трубопровод гидротурбины, насосы горючего и окислителя выполнены с общим ротором и общей турбиной, вход в дополнительный насос окислителя соединен каналами со входом в основной насос окислителя, а подводящий трубопровод гидротурбины бустерного насоса окислителя соединен с отводящим трубопроводом дополнительного кислородного насоса.

На чертеже схематично представлен предлагаемый кислородно-водородный ЖРД, где 1 камера сгорания, 2 газогенератор, 3 ТНА, 4 бустерный насос горючего, 5 бустерный насос окислителя, 6 гидротурбина бустерного насоса окислителя, 7 подводящий трубопровод гидротурбины, 8 насос горючего, 9 - основной насос окислителя, 10 дополнительный насос окислителя, 11 турбина, 12 вал основного и дополнительного насосов окислителя, 13 шлицевая рессора, 14 вал насоса горючего, 15 вход основного насоса окислителя, 16 - выход бустерного насоса окислителя, 17 подводящий трубопровод основного насоса окислителя, 18 вход дополнительного насоса, 19 перепускные каналы, 20 отводящий трубопровод основного насоса, 21 отводящий трубопровод дополнительного насоса, 22 отводящий трубопровод гидротурбины.

Двигатель содержит камеру сгорания 1, газогенератор 2, ТНА 3, бустерный насос 4 горючего, бустерный насос 5 окислителя с гидротурбиной 6 и подводящий трубопровод 7 гидротурбины. ТНА 3 имеет одноблочную конструкцию, включающую в себя трехступенчатый центробежный насос 8 горючего, основной центробежный насос 9 окислителя, дополнительный центробежный насос 10 окислителя и двухступенчатую турбину 11.

Основной насос 9 окислителя выполнен с двухсторонним входом. Вал 12 основного и дополнительного насосов окислителя соединен шлицевой рессорой 13 с валом 14 насоса горючего и образует общий ротор с общей турбиной 11.

Вход 15 основного насоса окислителя соединен с выходом 16 бустерного насоса 5 окислителя подводящим трубопроводом 17 основного насоса окислителя. Вход 18 дополнительного насоса соединен со входом 15 основного насоса с помощью перепускных каналов 19, выполненных в корпусах насоса. Основной насос 9 окислителя соединен отводящим трубопроводом 20 с камерой сгорания 1. Дополнительный насос 10 соединен с газогенератором 2 отводящим трубопроводом 21.

Приводом бустерного насоса 5 окислителя служит гидротурбина 6, вход которой соединен подводящим трубопроводом 7 с отводящим турбопроводом 21 дополнительного насоса. Выход гидротурбины соединен отводящим трубопроводом 22 с подводящим трубопроводом 17 основного насоса.

Во время работы кислород из бака поступает в бустерный насос 5 окислителя. С выхода 16 бустерного насоса 5 окислителя по подводящему трубопроводу 17 кислород подводится на вход 15 основного насоса 9. Со входа 15 кислород поступает в крыльчатку основного насоса 9 и по перепускным каналам 19 на вход 18 дополнительного насоса 10. После основного насоса кислород подает по отводящему трубопроводу 20 в камеру сгорания 1. После дополнительного насоса кислород подается по отводящему трубопроводу 21 в газогенератор 2. На гидротурбину 6 по подводящему трубопроводу 7 подается кислород, отбираемый из отводящего трубопровода 21 дополнительного насоса.

После гидротурбины кислород по отводящему трубопроводу 22 гидротурбины поступает в подводящий трубопровод 17 и далее на вход 15 основного насоса окислителя.

Крутящий момент от турбины 11 передается к валу 12 основного и дополнительного насосов окислителя через вал 14 насоса горючего и шлицевую рессору 13.

Через основной насос протекает только кислород, поступающий в камеру сгорания, а через дополнительный насос кислород, подводимый в газогенератор и на гидротурбину бустерного насоса окислителя.

Давление в газогенераторе выше давления в камере сгорания, поэтому напор, а следовательно, и наружный диаметр крыльчатки, дополнительного насоса больше, чем у основного насоса.

Так как основной кислородный насос разгружен от расхода кислорода, подаваемого в газогенератор и на гидротурбину бустерного насоса окислителя, частота вращения ротора основного насоса повышена на 15% В одноблочной конструкции ТНА с одинаковой частотой вращения роторов насосов горючего и окислителя увеличение частоты вращения улучшает технические характеристики водородного насоса, имеющего мощность и массу существенно превышающую мощность и массу кислородного насоса.

Применение предлагаемого изобретения улучшает антикавитационные качества кислородного насоса, повышает экономичность насосов и улучшает эксплуатационные качества ЖРД.

Использование предлагаемого изобретения не требует специальных технологий и реализуется известными методами изготовления.

Использование: в кислородно-водородных жидкостных ракетных двигателях (ЖРД) и в ЖРД, работающих на других компонентах топлива. Сущность изобретения: двигатель содержит камеру сгорания, газогенератор, турбонасосный агрегат (ТНА), бустерный насос (БН) горючего, БН окислителя с гидротурбиной и подводящий трубопровод гидротурбины. ТНА включает в себя трехступенчатый центробежный насос горючего, основной центробежный насос окислителя, дополнительный центробежный насос окислителя и двухступенчатую турбину. Основной насос окислителя выполнен с двухсторонним входом. Вход дополнительного насоса соединен со входом основного насоса с помощью перепускных каналов, выполненных в корпусах насоса. Приводом БН окислителя служит гидротурбина, вход которой соединен подводящим трубопроводом с отводящим трубопроводом дополнительного насоса окислителя. 1 ил.

Кислородно-водородный жидкостный ракетный двигатель, содержащий камеру сгорания, многоступенчатый насос горючего, газогенератор и турбину привода насоса горючего, основной насос окислителя с отводящим трубопроводом, соединенным с камерой сгорания, дополнительный насос окислителя с отводящим трубопроводом, соединенным с газогенератором, бустерный насос горючего, бустерный насос окислителя с гидротурбиной и подводящий трубопровод гидротурбины, отличающийся тем, что вход в дополнительный насос окислителя соединен каналами с входом в основной насос окислителя, а подводящий трубопровод гидротурбины бустерного насоса окислителя соединен с отводящим трубопроводом дополнительного насоса окислителя.