КИСЛОРОДНО-ВОДОРОДНЫЙ ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1999 года по МПК F02K9/48 

Изобретение относится к области ракетостроения и может быть использовано в кислородно-водородных ЖРД.

Известен кислородно-водородный ЖРД с дожиганием газа после турбины, содержащий камеру, газогенератор, турбонасосный агрегат (ТНА), кислородный и водородный бустерные насосные агрегаты.

ТНА содержит водородный насос и кислородный насос с главной и дополнительной ступенями. Главная ступень кислородного насоса питает камеру, дополнительная ступень - газогенератор. В этом двигателе выходы турбины ТНА соединены трубопроводами с головкой камеры и выход водородного насоса ТНА соединен трубопроводом с головкой газогенератора (A.Dniitrenko, N.Zaitcev, A. Kravchcnko, V.Pershin. Evolution of Liquid Roket Engine (LRE) Turbopump (TP) Design. Propulsion in Space Transportation. 5^th Simposium International. 1996. Paris. P.4.23. Fig.9 - прототип).

Такая конструкция ЖРД обладает следующими недостатками. Одним из направлений улучшения энергомассовых характеристик двигательных установок является увеличение тяги двигателя. Чем выше тяга двигателя, тем меньше его относительная масса (масса, приходящаяся на единицу тяги). При создании крупноразмерного кислородно-водородного ЖРД по этой схеме требуемая величина тяги не может быть обеспечена из-за недопустимо высоких напряжений растяжения от центробежных сил в рабочих лопатках турбины ТНА. Поэтому величина тяги ограничивается допустимыми напряжениями в рабочих лопатках турбины.

Как известно, напряжения растяжения в наиболее нагруженном корневом сечении лопатки определяются зависимостью

где C - постоянная величина при заданных приведенном расходе и угле потока на выходе из рабочего колеса;
n - частота вращения ротора, об/мин;
G_г- расход газа через турбину, кг/с;
T*2

T*2

С увеличением тяги ЖРД увеличивается расход газа через турбину G_г, что приводит к увеличению высоты рабочей лопатки турбины и к повышению в ней напряжений. Величина напряжений в рабочей лопатке ограничивается прочностными свойствами материала лопатки. При заданной частоте вращения ротора с повышением тяги двигателя напряжения в лопатке достигают предельно допустимой для материала лопатки величины. Дальнейшее увеличение тяги двигателя недопустимо по условиям прочности лопаток. Ограничение величины тяги двигателя повышает его относительную массу и массу всей двигательной установки
В соответствии с приведенной зависимостью при заданных допустимых напряжениях в лопатках турбины величина расхода газа через турбину, а следовательно, и предельная величина тяги двигателя может быть повышена за счет уменьшения частоты вращения ротора. Однако уменьшение частоты вращения ротора увеличивает массу и габариты ТНА. Кроме того, снижение частоты вращения ротора снижает экономичность насосов и турбины ТНА, что ведет к уменьшению давления в камере. Пониженная величина давления в камере увеличивает ее массу и габариты.

Следовательно, в ЖРД, имеющем простую и экономичную схему с одним ТНА, существует ограничение по величине тяги. Для известного кислородно-водородного ЖРД из условия обеспечения прочности лопаток турбины предельным значением тяги является величина около 2000 кН.

Технической задачей предлагаемого изобретения является совершенствование энергомассовых характеристик двигательной установки за счет повышения тяги ЖРД.

Это достигается тем, что кислородно-водородный ЖРД с дожиганием газа после турбины, содержащий камеру со входом и выходом охлаждающего тракта, газогенератор, основной ТНА с установленными на одном валу главным кислородным насосом, соединенным трубопроводом с головкой камеры, турбиной и водородным насосом, выходы которых соединены трубопроводами соответственно с головкой камеры и головкой газогенератора, дополнительным кислородным насосом, соединенным своим выходом трубопроводом с головкой газогенератора, и кислородный и водородный бустерные насосные агрегаты, соединенные выходом своего насоса со входом соответственно кислородных и водородного насосов основного ТНА, согласно изобретению упомянутый ЖРД снабжен вспомогательным ТНА с установленными на одном валу водородным насосом и турбиной. При этом во вспомогательном ТНА вход турбины соединен трубопроводом с выходом газогенератора, выход - с головкой камеры, вход водородного насоса соединен трубопроводом с выходом насоса водородного бустерного насосного агрегата.

Для использования водорода, подаваемого водородным насосом вспомогательного ТНА, на привод турбин основного и вспомогательного ТНА выход водородного насоса вспомогательного ТНА соединен трубопроводом с головкой газогенератора.

Для увеличения мощности турбин основного и вспомогательного ТНА выход водородного насоса вспомогательного ТНА соединен трубопроводом со входом охлаждающего тракта камеры, выход охлаждающего тракта камеры - с головкой газогенератора, турбина водородного бустерного насосного агрегата соединена трубопроводами своим входом с выходом газогенератора, а выходом - с головкой камеры.

Для улучшения антикавитационных качеств главного кислородного насоса на валу вспомогательного ТНА установлен параллельный кислородный насос, который соединен трубопроводами своим входом с выходом насоса кислородного бустерного насосного агрегата, а выходом - с головкой камеры. Мощность к параллельному кислородному насосу подводится от турбины вспомогательного ТНА.

Предлагаемый кислородно-водородный ЖРД представлен на фиг. 1, а его варианты приведены на фиг. 2, 3, где:
1 - камера,
2 - газогенератор,
3 - основной ТНА,
4 - вспомогательный ТНА,
5 - главный кислородный насос,
6 - дополнительный кислородный насос,
7 - водородный бустерный насосный агрегат,
8 - насос водородного бустерного насосного агрегата,
9 - турбина водородного бустерного насосного агрегата,
10 - водородный насос основного ТНА,
11 - турбина основного ТНА,
12 - водородный насос вспомогательного ТНА,
13 - турбина вспомогательного ТНА,
14 - головка камеры,
15 - головка газогенератора,
16 - вход охлаждающего тракта камеры,
17 - выход охлаждающего тракта камеры,
18 - параллельный кислородный насос,
19 - кислородный бустерный насосный агрегат.

Кислородно-водородный ЖРД (фиг. 1) состоит из камеры 1, газогенератора 2, основного 3 и вспомогательного ТНА 4, главного 5 и дополнительного 6 кислородных насосов и водородного бустерного насосного агрегата 7 с насосом 8 и турбиной 9. Основной ТНА 3 содержит водородный насос 10 и турбину 11, вспомогательный ТНА 4 - водородный насос 12 и турбину 13. Входы водородных насосов основного 3 и вспомогательного 4 ТНА соединены трубопроводами с выходом насоса 8 водородного бустерного насосного агрегата 7. Выход главного кислородного насоса 5 соединен трубопроводом с головкой 14 камeры 1. Выход дополнительного кислородного насоса 6 и выход водородного насоса 10 основного ТНА 3 соединены трубопроводами с головкой 15 газогенератора 2. Вход турбины 11 основного ТНА 3 и вход турбины 13 вспомогательного ТНА 4 соединены трубопроводами с выходом газогенератора 2, а выходы этих турбин - с головкой 14 камеры 1. Камера 1 содержит вход 16 и выход 17 охлаждающего тракта для подвода и отвода охлаждающего водорода. Входы главного 5 и дополнительного 6 кислородных насосов соединены трубопроводами с выходом насоса кислородного бустерного насосного агрегата 19.

При работе водород поступает на вход насоса 8 водородного бустерного агрегата 7. Далее основная часть водорода поступает на вход водородного насоса 10 основного ТНА и меньшая часть - на вход водородного насоса 12 вспомогательного ТНА. После водородного насоса 10 основного ТНА водород подводится в головку 15 газогенератора.

Кислород подводится на вход насоса кислородного бустерного агрегата 19 и далее на вход главного 5 и дополнительного 6 кислородных насосов. Приводом водородного роторного насосного агрегата служит газовая турбина 9. Привод кислородного бустерного насосного агрегата 19 осуществляется гидравлической турбиной. Гидравлическая турбина питается кислородом, отбираемым с выхода дополнительного кислородного насоса 6 основного ТНА 3. После гидравлической турбины кислород отводится на выход насоса кислородного бустерного насосного агрегата 19, где он смешивается с основным потоком кислорода этого насоса.

Газ на выходе из газогенератора 2 разделяется на два потока. Большая часть газа поступает на вход турбины 11 основного ТНА 3 и часть газа - на вход турбины 13 вспомогательного ТНА 4. После турбин основного и вспомогательного ТНА газ поступает в головку 14 камеры 1.

Расход кислорода через главный кислородный насос 5 и суммарный расход газа через турбины 11, 13 основного 3 и вспомогательного 4 ТНА определяют тягу двигателя. Расход газа через турбину 11, а следовательно, и расход водорода через водородный насос 10 основного ТНА выбран таким, чтобы напряжения в рабочих лопатках турбины 11 не превышали предельно допустимой для материала лопатки величины. Благодаря дополнительному расходу газа через турбину 13 вспомогательного ТНА увеличен суммарный расход водорода, поступающего в двигатель. Пропорционально увеличению расхода водорода увеличен и расход кислорода. Следовательно, тяга двигателя повышена без увеличения напряжений в рабочих лопатках турбины 11 основного ТНА и при пониженных напряжениях в лопатках турбины 13 вспомогательного ТНА.

Так как расход водорода через водородный насос 12 вспомогательного ТНА 4 меньше расхода водорода через водородный насос 10 основного ТНА 3, частота вращения ротора вспомогательного ТНА выбрана более высокой по сравнению с основным ТНА. Этим обеспечивается пониженные масса и габариты вспомогательного ТНА.

Предложенная схема ЖРД позволяет повысить тягу кислородно-водородного двигателя до 4000 кН и снизить массу двигательной установки за счет применения меньшего количества двигателей с меньшей относительной массой.

С целью использования водорода, подаваемого водородным насосом 12 вспомогательного ТНА, для привода турбин 11, 13 основного и вспомогательного ТНА выход водородного насоса 12 соединен трубопроводом с головкой 15 газогенератора (фиг. 1). Этим обеспечивается использование водорода, протекающего через насос 12, для создания рабочего газа для привода турбин 11, 13.

С целью повышения давления в камере за счет повышения мощности турбин 11, 13 основного и вспомогательного ТНА выход водородного насоса 12 вспомогательного ТНА соединен трубопроводом со входом охлаждающего тракта 16 камеры, а выход охлаждающего тракта 17 камеры - с головкой газогенератора (фиг. 2). Турбина 9 водородного бустерного насосного агрегата соединена трубопроводами своим входом с выходом газогенератора 2, а выходом - с головкой 14 камеры. Водород после водородного насоса 12 вспомогательного ТНА подводится ко входу охлаждающего тракта 16 камеры. После охлаждающего тракта камеры 1 водород поступает через выход охлаждающего тракта 17 камеры к головке 15 газогенератора. Газ на турбину 9 водородного бустерного насосного агрегата подводится из газогенератора 2. После турбины 9 водородного бустерного насосного агрегата газ отводится в головку 14 камеры. При заданной тяге двигателя расход водорода через головку газогенератора, а следовательно, и расход газа через турбины ТНА увеличен на величину расхода водорода через охлаждающий тракт камеры. Для привода турбины водородного бустерного насосного агрегата используется высокотемпературный газ, подводимый из газогенератора, из-за чего уменьшен расход газа на привод турбины водородного бустерного насосного агрегата и на такую же величину расход газа на привод турбины вспомогательного ТНА. Благодаря этому за счет увеличения давления водородными насосами основного и вспомогательного ТНА реализовано повышение давления в камере до 250 МПа. Повышенное давление в камере обеспечивает улучшенные энергомассовые характеристики двигателя.

Для улучшения антикавитационных качеств главного кислородного насоса за счет уменьшения расхода через него к вспомогательному ТНА присоединен параллельный кислородный насос 18 (фиг. 3). Параллельный кислородный насос имеет общий вал со вспомогательным ТНА. Вход этого насоса соединен трубопроводом с выходом насоса кислородного бустерного насосного агрегата, выход насоса соединен трубопроводом с головкой 14 камеры. Кислород в камеру 1 подается главным кислородным насосом 5 и параллельным кислородным насосом 18. При заданной тяге двигателя уменьшен расход кислорода через главный кислородный насос 5 основного ТНА за счет подачи в двигатель части кислорода параллельным насосом 18 вспомогательного ТНА. Уменьшение расхода кислорода через главный кислородный насос обеспечивает улучшение его антикавитационных качеств. Благодаря этому уменьшен напор насоса кислородного бустерного насосного агрегата, что снижает затраты мощности на привод этого насоса и улучшает энергомассовые характеристики двигателя.

Двигатель предназначен для использования в области ракетостроения. Он содержит камеру, газогенератор, основной и вспомогательный турбонасосные агрегаты, кислородный и водородный бустерные насосные агрегаты. Основной турбонасосный агрегат содержит установленные на общем валу главный кислородный насос, дополнительный кислородный насос, водородный насос и турбину. Вспомогательный турбонасосный агрегат содержит установленные на общем валу водородный насос и турбину. Главный кислородный насос соединен трубопроводом с головкой камеры. Дополнительный насос своим выходом соединен трубопроводами с головкой газогенератора и со входом гидравлической турбины кислородного бустерного насосного агрегата. Выход водородного насоса основного турбонасосного агрегата соединен с головкой газогенератора. Входы и выходы турбин основного и вспомогательного агрегатов соединены трубопроводами соответственно с выходом газогенератора и с головкой камеры. Выходы насосов кислородного и водородного бустерных насосных агрегатов соединены со входом соответствующих насосов основного и вспомогательного турбонасосных агрегатов. Для увеличения мощности турбин основного и вспомогательного агрегатов выход водородного насоса вспомогательного агрегата соединен с головкой камеры. Для повышения давления в камере с использованием для привода турбин водорода, протекающего через охлаждающий тракт камеры, выход водородного насоса вспомогательного агрегата соединен трубопроводом со входом охлаждающего тракта камеры, выход охлаждающего тракта камеры - с головкой газогенератора. Для улучшения антикавитационных качеств главного кислородного насоса на валу вспомогательного агрегата установлен параллельный кислородный насос. Использование изобретения улучшает энергомассовые характеристики двигательной установки с кислородно-водородными двигателями за счет увеличения тяги двигателей. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Кислородно-водородный жидкостный ракетный двигатель с дожиганием газа после турбины, содержащий камеру с входом и выходом охлаждающего тракта, газогенератор, кислородный и водородный бустерные насосные агрегаты, основной турбонасосный агрегат с установленными на одном валу турбиной, водородным насосом, дополнительным кислородным насосом и главным кислородным насосом, соединенным трубопроводом с головкой камеры, выход турбины, соединенный трубопроводом с головкой камеры, выход водородного насоса, соединенный с головкой газогенератора, выход дополнительного кислородного насоса, соединенный трубопроводом с головкой газогенератора, и выходы насосов кислородного и водородного бустерных насосных агрегатов, соединенные с входом соответственно главного кислородного и водородного насосов основного турбонасосного агрегата, отличающийся тем, что он снабжен вспомогательным турбонасосным агрегатом с установленными на одном валу водородным насосом и турбиной, вход турбины которого соединен трубопроводом с выходом газогенератора, выход - с головкой камеры, вход водородного насоса вспомогательного турбонасосного агрегата соединен трубопроводом с выходом насоса водородного бустерного насосного агрегата. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что выход водородного насоса вспомогательного турбонасосного агрегата соединен трубопроводом с головкой газогенератора. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что выход водородного насоса вспомогательного турбонасосного агрегата соединен трубопроводом с входом охлаждающего тракта камеры, выход охлаждающего тракта камеры - с головкой газогенератора, турбина водородного бустерного насосного агрегата соединена трубопроводами своим входом с выходом газогенератора, а выходом - с головкой камеры. 4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что на валу вспомогательного турбонасосного агрегата установлен параллельный кислородный насос, который соединен трубопроводами своим входом с выходом насоса кислородного бустерного насосного агрегата, а выходом - с головкой камеры.