СПОСОБ ИЗМЕНЕНИЯ РЕЖИМА РАБОТЫ ЖРД И ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА Российский патент 1999 года по МПК F02K9/44 

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), работающих на 2-х компонентных топливах с дожиганием генераторного газа в камере.

Основной проблемой при сгорании углеводородных топлив с избытком горючего в газогенераторе является образование твердой фазы (углерода) в продуктах газогенерации, которая отлагается на стенках газового тракта ЖРД. Однако газовая смесь, получаемая при малых коэффициентах избытка окислителя ( α ), представляет собой среду, именно из-за избытка горючего и отсутствия свободного кислорода не опасную для материалов газового тракта ЖРД с точки зрения возгорания.

Сгорание углеводородных топлив при больших α исключает образование твердой фазы в продуктах газогенерации, однако газовая смесь, именно из-за избытка окислителя, является чрезвычайно способствующей возгоранию материалов газового тракта при наличии инициаторов в виде посторонних частиц или веществ органического происхождения в присутствии свободного активного кислорода ("Космонавтика и ракетостроение", вып. 7, ЦНИИМАШ, 1963, стр. 76).

Известен способ получения рабочего тела в газогенераторе путем смешения двух, трех компонентов при малых α и постоянном допуске на соотношение компонентов (В.Е. Алемасов, "Теория ракетных двигателей", Оборонгиз, Москва, 1963, стр.332).

Известен способ получения рабочего тела, при котором процесс горения происходит с участием кислорода, керосина и водорода с избытком горючего с последовательной подачей керосина и водорода в зону горения, причем кислород с частью керосина сжигают при температуре выше температуры образования углерода, после чего продукты сгорания балластируют водородом (заявка N 94037894 от 16.09.94 г., решение о выдаче патента от 26.06.97 г. - прототип).

Недостатком известного способа получения восстановительного генераторного газа при двухкомпонентной газогенерации является:
высокая температура генераторного газа (~960 К);
наличие твердой фазы (углерода) в продуктах газогенерации;
невозможность проведения контрольно-технологического испытания (КТИ) двигателя из-за отсутствия способа очистки от сажи без разборки двигателя;
невозможность многоразового использования двигателя в одном полете из-за изменения характеристик газового тракта в связи с отложением сажи на элементах газового тракта.

Целью изобретения является:
получение продуктов горения в восстановительном газогенераторе с избытком окислителя с параметрами, устраняющими недостатки восстановительного газа;
снижение температуры генераторного газа до уровня ~ 700 К и ниже;
устранение образования твердой фазы (углерода) в продуктах газогенерации;
обеспечение проведения КТИ без переборки двигателя за счет очистки от отложений твердой фазы на измененном процессе газогенерации;
возможность многоразового использования двигателя в одном полете.

Указанная цель достигается тем, что в указанном способе перераспределяют подачу горючего и окислителя путем снижения расхода горючего в смесительную головку газогенератора до заранее заданной минимальной величины, не изменяя расхода окислителя, снижают до заранее заданной минимальной величины подачу окислителя в смесительную головку камеры и подают в нее заранее заданное количество горючего, обеспечивая режим дросселирования, затем увеличивают до заранее заданной величины расход горючего в смесительную головку камеры и расход горючего и окислителя в смесительную головку газогенератора и выводят двигатель на номинальный режим.

В результате перераспределения окислителя и горючего в камере и газогенераторе изменяются параметры газогенерации восстановительного газогенератора (температура газа ~973 К, соотношение компонентов ~0,25) на параметры газогенерации окислительного газогенератора (температура газа ~743 К, соотношение компонентов ~50).

Известен жидкостный ракетный двигатель, выполненный по схеме с дожиганием генераторного газа, содержащий камеру с охлаждающим трактом, смесительная головка которого выполнена по схеме "газ-жидкость" с полостью расхода генераторного газа и полостью расхода горючего, газогенератор, смесительная головка которого выполнена с полостью расхода горючего и окислителя, турбонасосный агрегат с трехступенчатым насосом горючего и двухступенчатым насосом окислителя, бустерные насосные агрегаты окислителя и горючего, агрегаты автоматики и регулирования, арматуру питания (двигатель РД-0120 - прототип).

Недостатком этого ЖРД является то, что он работает только по схеме дожигания восстановительного генераторного газа в камере, используя преимущества восстановительной схемы, но не позволяет осуществлять переход на работу по схеме дожигания окислительного генераторного газа для использования преимуществ окислительной схемы.

Целью настоящего изобретения является устранение недостатков прототипа и разработка двигателя, позволяющего работать сначала на режиме с дожиганием восстановительного генераторного газа, а затем перейти на режим с дожиганием окислительного генераторного газа.

Поставленная цель достигается тем, что в двигателе смесительная головка камеры дополнительно снабжена полостью расхода горючего, смесительная головка газогенератора дополнительно снабжена полостями большого расхода окислителя и малого расхода горючего, при этом дополнительная полость расхода горючего камеры соединена через клапан с магистралью подачи горючего в газогенератор после охлаждающего тракта камеры, дополнительная полость малого расхода горючего смесительной головки газогенератора соединена магистралью через клапан с магистралью подачи горючего в газогенератор, а дополнительная полость расхода окислителя смесительной головки газогенератора соединена магистралью через клапан с магистралью подачи окислителя в газогенератор, причем выходная полость первой ступени насоса окислителя соединена трубопроводом с магистралью подачи окислителя в камеру и дополнительной полостью газогенератора.

Пневмогидравлическая схема (ПГС) ЖРД, в котором реализуется способ изменения режима работы ЖРД, представлена на фиг. 1.

Фиг. 2 - ПГС ЖРД в режиме работы по схеме с дожиганием восстановительного генераторного газа в камере.

Фиг. 3 - ПГС ЖРД в режиме переключения с режима с дожиганием восстановительного генераторного газа в камере на режим с дожиганием окислительного генераторного газа в камере. ПГС ЖРД в режиме работы при дросселировании.

Фиг. 4 - ПГС ЖРД в режиме работы по схеме с дожиганием окислительного генераторного газа в камере.

Фиг. 5 - профиль тяги ЖРД в полете.

На фиг. 1-5 обозначены:
1 - камера;
2 - газогенератор;
3 - основной ТНА;
4 - турбина основного ТНА;
5 - смесительная головка камеры;
6 - смесительная головка газогенератора;
7 - дополнительная полость горючего смесительной головки камеры;
8 - дополнительная полость большого расхода окислителя смесительной головки газогенератора;
9 - дополнительная полость малого расхода горючего смесительной головки газогенератора;
10 - пускоотсечный клапан подачи окислителя в газогенератор;
11 - пускоотсечный клапан подачи окислителя в дополнительную полость смесительной головки газогенератора;
12 - клапан подачи и отсечки горючего в газогенератор;
13 - клапан подачи горючего в дополнительную полость смесительной головки газогенератора;
14 - газовая полость расхода генераторного газа смесительной головки камеры;
15 - клапан подачи расхода окислителя в камеру;
16 - клапан подачи горючего в камеру;
17 - регулятор;
18,19 - дроссель;
20 - магистраль подачи горючего в дополнительную полость смесительной головки камеры;
21 - магистраль подачи горючего в дополнительную полость смесительной головки газогенератора;
22 - магистраль подачи окислителя в дополнительную полость смесительной головки газогенератора;
23 - трубопровод подачи окислителя из первой ступени насоса в камеру и дополнительную полость газогенератора;
В - кривая режима работы двигателя по схеме с дожиганием восстановительного генераторного газа в камере;
О - кривая режима работы двигателя по схеме с дожиганием окислительного генераторного газа в камере;
П - участок кривой О переключения на режим дросселирования и переключения двигателя с режима с дожиганием восстановительного генераторного газа в камере на режим с дожиганием окислительного генераторного газа в камере.

Для упрощения ПГС бустерные насосные агрегаты (БНА) окислителя и горючего не показаны.

ЖРД с дожиганием восстановительного и окислительного генераторного газа в камере состоит из камеры 1 с трехполостной смесительной головкой 5, выполненной по схеме "газ-жидкость", в которой одна полость большого расхода окислителя и дополнительная полость 7 горючего и полость по генераторному газу 14.

Газогенератор 2 состоит из четырехполостной смесительной головки 6, в которой одна полость подачи малого расхода окислителя, дополнительная полость 8 большого расхода окислителя, которая включается при работе по окислительной схеме газогенерации, полость горючего большого расхода, которая включается при работе по восстановительной схеме газогенерации, и вторая дополнительная полость 9 малого расхода горючего, которая используется при работе по восстановительной и окислительной схеме газогенерации.

Основной турбонасосный агрегат (ТНА) 3 содержит на одном валу турбину 4, насос горючего и 2-х ступенчатый насос окислителя.

Дополнительная полость 7 горючего камеры 1 соединена магистралью 20 через клапан 16 с магистралью подачи горючего в газогенератор 2 после охлаждающего тракта камеры 1, дополнительная полость 9 малого расхода горючего смесительной головки газогенератора 2 соединена магистралью 21 через клапан 13 с магистралью подачи горючего в газогенератор.

Дополнительная полость 8 большого расхода окислителя смесительной головки 6 газогенератора 2 соединена магистралью 22 через клапан 11 с магистралью подачи окислителя в газогенератор 2, причем выходная полость первой ступени насоса окислителя соединена трубопроводом 23 с магистралью подачи окислителя в камеру 1 и дополнительной полостью окислителя 8 через клапан 11 с газогенератором 2.

На магистрали питания газогенератора 2 окислителем установлены пускотечный клапан 10 и регулятор с приводом 17, предназначенный для обеспечения запуска двигателя, поддержания требуемого уровня тяги. Изменение уровня тяги двигателя на восстановительном и окислительном режимах обеспечивается изменением расхода окислителя, горючего, поступающего в газогенератор.

Дроссель с приводом 18 предназначен для изменения соотношения компонентов топлива по командам системы управления РН.

Дроссель с приводом 19 предназначен для поддержания постоянной температуры в газогенераторе 2 за счет регулирования расхода горючего, поступающего в газогенератор 2.

Работа двигателя по восстановительной схеме
Двигатель начинает свою работу по схеме (фиг. 2) с дожиганием восстановительного генераторного газа в камере. При запуске двигателя открывается пусковой клапан горючего (на схеме не показан). Происходит заполнение линии горючего, включая БНА (на схеме не показан), насос горючего. Основной расход горючего после насоса поступает на охлаждение камеры 1, а заранее заданная незначительная его часть подается на привод гидротурбины БНА. Открываются клапаны подачи горючего 12 и 13 в газогенератор 2. После охлаждающего тракта камеры 1 горючее поступает в смесительную головку газогенератора 2 в полость большого расхода горючего через клапан 12 и дополнительную полость, малого расхода 9 через клапан 13. Клапан 16 закрыт. Далее открывается пусковой клапан окислителя. Происходит заполнение линии окислителя, включая БНА, насос окислителя. Основной расход окислителя после второй ступени насоса подается через клапан 15 в камеру 1, а заранее заданная незначительная его часть подается через клапан 10 в форсуночную головку 6 газогенератора 2, обеспечивая соотношение, например, К_ГГ ~ 0,25. Клапан 11 подачи окислителя в дополнительную полость 8 газогенератора закрыт. Заранее заданный малый расход окислителя подается на привод гидротурбины БНА. Топливная смесь в газогенераторе 2 поджигается, например, с помощью пиротехнических средств. Происходит завязка процесса в газогенераторе 2. Вырабатываемый восстановительный генераторный газ поступает на турбину 4, а дальше в камеру 1 для его дожигания. Открывается клапан 15 подачи окислителя в смесительную головку камеры 1. Восстановительный газ и поступивший в камеру окислитель поджигается с помощью, например, пиротехнических средств. Происходит завязка процесса в камере 1. Двигатель за счет регулятора 17 выходит через предварительную ступень на основной режим тяги работы по восстановительной схеме (кривая В фиг. 5).

Регулирование работы двигателя по давлению в камере 1 осуществляется регулятором 17. Изменение соотношения компонентов топлива через двигатель осуществляется дросселем 18.

Переключение двигателя с режима работы по восстановительной схеме на окислительную
Закрывается клапан 12 (фиг.3) подачи горючего в газогенератор 2. Прекращается поступление горючего в полость большого расхода в газогенератор 2. Расход горючего в дополнительную полость 9 малого расхода и окислителя через клапан 10 остаются без изменения, но таким, что процесс газогенерации в газогенераторе 2 меняется с восстановительного, например, К_ГГ~0,25 на окислительный, например, К_ГГ~50.

Открывается клапан 16 поступления горючего в дополнительную полость горючего смесительной головки 5 камеры 1. Окислитель продолжает поступать через открытый клапан 15 в камеру 1 и в газогенератор 2 в соответствии с измененным режимом в газогенераторе.

Двигатель переходит на режим дросселирования по тяге (кривая П фиг. 5).

Изменение режима работы двигателя с дожиганием окислительного генераторного газа в камере обеспечивается регулятором 17, дросселем 19. Расходы окислителя и горючего в камеру 1 будут соответствовать измененному режиму в газогенераторе 2.

Перевод двигателя с режима дросселирования на номинальный в окислительной схеме
Открывается клапан 11 (фиг. 4) подачи окислителя в дополнительную полость 8 газогенератора 2. Суммарный расход окислителя в газогенератор 2 через клапаны 10 и 11 подобран в соотношении с расходом горючего в газогенератор 2 через клапан 13 таким, что соотношение компонентов топлива в газогенераторе остается без изменения и равным, например, ~50. Остальное горючее через открытый клапан 16 направляется в камеру 1. Необходимый слив окислителя в камеру 1 осуществляется как после первой ступени насоса, так и после второй за счет перенастройки дросселя 18, поддерживая итоговое соотношение компонентов в камере 1 равным, например, 2,6.

На схеме (фиг. 4) условно показано уменьшение расхода окислителя в камеру 1 по отношению к расходу окислителя в камеру 1 на восстановительном режиме (фиг. 2).

Двигатель переходит на номинальный режим работы по схеме с дожиганием окислительного генераторного газа в камере (кривая О фиг. 5).

Выключение двигателя
Двигатель может выключаться как с режима работы по восстановительной схеме, так и по окислительной схеме. По окислительной схеме двигатель может выключаться как с номинального режима по тяге, так и с режима дросселирования. Закрывается клапан горючего 13 газогенератора. Закрывается клапан 16 камеры. Расход горючего в газогенератор 2 и камеру 1 прекращается. Закрываются клапаны окислителя 10 и 11 газогенератора и клапан 15 камеры. Расход окислителя прекращается. Двигатель выключается.

Предлагаемый способ изменения режима работы ЖРД с восстановительным газогенератором на двухкомпонентном топливе с дожиганием генераторного газа после турбины в камере и ЖРД для реализации способа позволяет вначале использовать преимущества восстановительной, а затем окислительной схемы и исключить их недостатки, а именно:
обеспечить высокую безопасность двигателя, присущую восстановительной схеме, на первоначальном этапе работы двигателя, то есть на том этапе, когда происходит приработка деталей агрегатов подачи двигателя, когда конструкция выходит на стационарный тепловой режим и возможно затирание деталей, которое в окислительной схеме привело бы к возгоранию; эта фаза особенно важна для двигателей первых ступеней РН, т.к. начальной работой двигателя по восстановительной схеме обеспечивается и высокая безопасность стартовых сооружений;
исключить возгорание газового тракта в результате попадания в него посторонних частиц (особенно алюминия) из баков РН; попадание посторонних частиц в двигатель происходит в основном в начальный период работы ЖРД, когда начинается выработка компонентов из ракетных магистралей и нижних частей баков, в которых в основном и скапливаются посторонние частицы после заправки баков РН, отстаивания компонентов или под действием перегрузки; после восстановительного режима работы ЖРД, обеспечивающего высокую безопасность первоначального этапа полета РН и стартовых сооружений, ЖРД может быть переключен на окислительный режим работы;
обеспечить уменьшение тепловой напряженности турбины двигателя, что особенно важно для двигателей многоразового использования;
обеспечить возможность глубокого дросселирования двигателя по тяге;
обеспечить "самоочищение" газового тракта от отложений твердой фазы на предыдущем режиме (при топливе "кислород+УВГ (СПГ)"), тем самым двигатель как бы подготавливается в полете, в процессе своей работы, к следующему включению. Проведение сдаточных контрольно-технологических испытаний двигателя, подтверждающих и повторяющих циклограмму работы двигателя в полете по схеме "восстановительный режим -> окислительный режим", не потребует последующей переборки двигателя.

Проведенные экспериментальные работы на газогенераторе разработанного двигателя с элементами газового тракта, работающем по восстановительной схеме без дожигания с опережающей заливкой окислителя в количестве ~ 0,4 кг и последующим включением горючего показали, что процесс прохождения через стехиометрию сопровождается незначительным забросом температуры длительностью ~ 0,02 с, что не приводит к возгоранию или подгарам элементов газового тракта.

Таким образом, предложенные технические решения позволяют перевести двигатель, работающий на режиме с дожиганием восстановительного генераторного газа в камере, на режим с дожиганием окислительного генераторного газа.

Способ изменения режима работы ЖРД восстановительной схемы с дожиганием генераторного газа в камере на окислительную схему основан на программном перераспределении расхода горючего и окислителя в камеру и газогенератор. Для этого снижают до заранее заданной минимальной величины подачу окислителя в смесительную головку камеры и подают в нее заранее заданное количество горючего, обеспечивая режим дросселирования по окислительной схеме. Затем увеличивают до заранее заданной величины расход горючего в смесительную головку камеры и расход горючего и окислителя в смесительную головку газогенератора и выводят двигатель на номинальный режим работы по окислительной схеме. Жидкостной ракетный двигатель, содержит камеру 1 с охлаждающим трактом, смесительная головка которой выполнена по схеме газ - жидкость и снабжена дополнительной полостью расхода горючего 7, газогенератор 2, смесительная головка 6 которого снабжена дополнительно полостями большого расхода окислителя 8 и малого расхода горючего 9, турбонасосный агрегат 3, содержащий на одном валу турбину 4, насос горючего и двухступенчатый насос окислителя, агрегаты автоматики и регулирования, арматуру питания. Такое выполнение двигателя и осуществление способа повышают безопасность работы. 2 с.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ изменения режима работы ЖРД восстановительной схемы с дожиганием генераторного газа в камере, основанный на программном перераспределении расхода горючего и окислителя в камеру и газогенератор, отличающийся тем, что снижают расход горючего в смесительную головку газогенератора до заранее заданной минимальной величины, не изменяя расход окислителя, снижают до заранее заданной минимальной величины подачу окислителя в смесительную головку камеры и подают в нее заранее заданное количество горючего, обеспечивая режим дросселирования, затем увеличивают до заранее заданной величины расход горючего в смесительную головку камеры и расход горючего и окислителя в смесительную головку газогенератора и выводят двигатель на номинальный режим. 2. Жидкостный ракетный двигатель, содержащий камеру с охлаждающим трактом, смесительная головка которой выполнена по схеме газ - жидкость с полостью большого расхода окислителя и полостью расхода генераторного газа, газогенератор, смесительная головка которого выполнена с полостями малого расхода окислителя и большого расхода горючего, турбонасосный агрегат с насосом горючего и двухступенчатым насосом окислителя, агрегаты автоматики и регулирования, арматуру питания, выполненный по схеме с дожиганием восстановительного генераторного газа в камере, отличающийся, тем что смесительная головка камеры дополнительно снабжена полостью расхода горючего, смесительная головка газогенератора дополнительно снабжена полостями большого расхода окислителя и малого расхода горючего, при этом дополнительная полость расхода горючего камеры соединена через клапан с магистралью подачи горючего в газогенератор после охлаждающего тракта камеры, дополнительная полость малого расхода горючего смесительной головки газогенератора соединена магистралью через клапан с магистралью подачи горючего в газогенератор, а дополнительная полость большого расхода окислителя смесительной головки газогенератора соединена магистралью через клапан с магистралью подачи окислителя в газогенератор, причем выходная полость первой ступени насоса окислителя соединена трубопроводом с магистралью подачи окислителя в камеру и дополнительную полость газогенератора.