СИСТЕМА ПОДАЧИ РАБОЧЕГО ТЕЛА ЯДЕРНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2000 года по МПК F02K11/00 

Изобретение используется при создании летных образцов ядерных ракетных двигателей и ядерных энергодвигательных установок, а также их наземных прототипов при экспериментальной отработке.

Известна система подачи рабочего тела ядерного ракетного двигателя, содержащая турбонасосный агрегат, состоящий из насоса, соединенного своим входным трактом с баком хранения жидкого водорода (рабочего тела), и механически связанной с ним общим валом газовой турбины, рекуператор с тепловоспринимающим и теплоотдающим трактами, основной и охлаждающий тракты реактивного сопла и тракты охлаждения низкотемпературных узлов ядерного реактора, тракты охлаждения низкотемпературных узлов ядерного реактора, тракты охлаждения тепловыделяющих сборок активной зоны, при этом выход насоса через тепловоспринимающий тракт рекуператора соединен с входным трактом газовой турбины и с трактом охлаждения реактивного сопла, а выходной тракт газовой турбины соединен с трактом охлаждения низкотемпературных узлов ядерного реактора и с входным трактом газовой турбины посредством байпасной магистрали с регулирующим клапаном, а к трактам охлаждения низкотемпературных узлов ядерного реактора подключен выход тракта охлаждения реактивного сопла, между выходом трактов охлаждения низкотемпературных узлов ядерного реактора и входом в тракты охлаждения тепловыделяющих сборок активной зоны подключен теплоотдающий тракт рекуператора, выход трактов охлаждения тепловыделяющих сборок активной зоны соединен с входом основного тракта реактивного сопла (AIP Conference Proceedings 324. Twelfth Simposium Space Nuclear Power and Propulsion. Albugergue, NM 1995, pp. 409 - 420).

Техническим результатом, который может быть получен при использовании предлагаемого изобретения, является повышение надежности работы ядерного ракетного двигателя за счет обеспечения возможности изменения температуры рабочего тела на входе в тракты охлаждения ядерного реактора в режимах запуска и выключения ядерного ракетного двигателя.

Получение указанного технического результата обеспечивается следующей совокупностью существенных признаков предлагаемого изобретения: система подачи рабочего тела и охлаждения ядерного ракетного двигателя включает турбонасосный агрегат, состоящий из насоса, соединенного своим входным трактом с баком хранения рабочего тела (жидкого водорода), и механически связанной с ним газовой турбины, а также рекуператор с тепловоспринимающим и теплоотдающим трактами, основной и охлаждающий тракты реактивного сопла и тракты охлаждения части низкотемпературных узлов ядерного реактора, тракты охлаждения тепловыделяющих сборок активной зоны, при этом выход насоса через тепловоспринимающий тракт рекуператора соединен с входным трактом газовой турбины и с трактом охлаждения реактивного сопла, а выходной тракт газовой турбины соединен с трактами охлаждения низкотемпературных узлов ядерного реактора и с входным трактом газовой турбины посредством байпасной магистрали с регулирующим клапаном, а к трактам охлаждения низкотемпературных узлов ядерного реактора подключен выход тракта охлаждения реактивного сопла, между выходом из трактов охлаждения низкотемпературных узлов ядерного реактора и входом в тракты охлаждения тепловыделяющих сборок активной зоны подключен теплоотдающий тракт рекуператора, выход из трактов охлаждения тепловыделяющих сборок активной зоны соединен с входом основного тракта реактивного сопла, при этом система подачи рабочего тела ядерного ракетного двигателя снабжена дополнительной байпасной магистралью с регулирующим клапаном, включенной между входом и выходом тепловоспринимающего тракта рекуператора.

Предлагаемое изобретение изображено схематично на чертеже.

Система подачи рабочего тела ядерного ракетного двигателя включает турбонасосный агрегат, состоящий из насоса 1 для перекачки рабочего тела (жидкого водорода) из расходного бака (не показан) и механически связанной с насосом 1 общим валом 2 газовой турбины 3, рекуператор 4 с тепловоспринимающим 5 и теплоотдающим 6 трактами, основной 7 и охлаждающий 8 тракты реактивного сопла 9, тракты охлаждения 10 низкотемпературных узлов 11 ядерного реактора, тракты охлаждения 12 тепловыделяющих сборок активной зоны 13. Выход насоса 1 через тепловоспринимающий тракт 5 рекуператора 4 соединен с входным трактом газовой турбины 3 и с трактом охлаждения 8 реактивного сопла 9. Выходной тракт газовой турбины 3 соединен с трактами охлаждения 10 низкотемпературных узлов 11 ядерного реактора и с входным трактом газовой турбины 3 посредством байпасной магистрали 14 с регулирующим клапаном 15, к трактам охлаждения 10 низкотемпературных узлов 11 ядерного реактора подключен выход тракта охлаждения 8 реактивного сопла 9, между выходом трактов охлаждения 10 низкотемпературных узлов 11 ядерного реактора и входом трактов охлаждения 12 тепловыделяющих сборок активной зоны 13 подключен теплоотдающий тракт 6 рекуператора 4, выход трактов охлаждения 12 тепловыделяющих сборок активной зоны 13 соединен с входом основного тракта 7 реактивного сопла 9. Между входом и выходом тепловоспринимающего тракта 5 рекуператора 4 включена дополнительная байпасная магистраль 16 с регулирующим клапаном 17.

Работа системы подачи рабочего тела ядерного ракетного двигателя осуществляется следующим образом.

Рабочее тело в сжиженном виде под низким давлением подается из расходного бака на вход насоса 1, приводимого в действие газовой турбиной 3. Насос 1 обеспечивает подачу рабочего тела непосредственно в тепловоспринимающий тракт 5 рекуператора 4 и на охлаждение реактивного сопла 9. Энергия вращения вала 2 газовой турбины 3 вырабатывается благодаря тому, что на ее вход подается рабочее тело с высокими параметрами - давлением и температурой, причем высокое давление создается насосом 1, а подогрев и испарение рабочего тела происходит в тепловоспринимающем тракте 5 рекуператора 4, передающем рабочему телу тепло, образовавшееся в результате охлаждения низкотемпературных узлов 11 и реактивного сопла 9. Из теплоотдающего тракта 6 рекуператора 4 рабочее тело подается в тепловыделяющие сборки активной зоны 13, где происходит окончательный его разогрев и подача в основной тракт 7 реактивного сопла 9, через которое оно с большой скоростью истекает в окружающее пространство, создавая реактивную тягу ядерного реактивного двигателя.

В режимах запуска и остановки ядерного ракетного двигателя согласование изменяющейся мощности тепловыделения в элементах конструкции ядерного реактора и подачи рабочего тела для их охлаждения осуществляется с помощью регулирующего клапана 15, перераспределяющего расход между газовой турбиной и ее байпасной магистралью 14, что позволяет соответственно изменять производительность насоса 1.

Наличие дополнительной байпасной магистрали 16 с регулирующим клапаном 17 позволяет путем перераспределения расхода между тепловоспринимающим трактом 5 рекуператора 4 и его байпасной магистралью 16 изменять в режимах запуска и остановки ядерного ракетного двигателя отбор тепла в тепловоспринимающий тракт 5 рекуператора 4 и тем самым устанавливать необходимый тепловой режим на входе в блок замедлителя, относящегося к низкотемпературным элементам 11, и на входе в тепловыделяющие сборки активной зоны 13, что особенно важно при работе ядерного реактора на пониженных уровнях мощности, когда из-за малых значений расхода рабочего тела поддержание максимально высокого подогрева в этих элементах конструкции ради экономии на затратах рабочего тела и стремления уменьшить общую массу ядерного ракетного двигателя может возникнуть гидродинамическая неустойчивость течения рабочего тела, а чрезмерное захолаживание рабочим телом, поступающим из теплоотдающего тракта 6 рекуператора 4, входных нагревных секций тепловыделяющих сборок активной зоны 13 может неблагоприятно отразиться на ресурсной работоспособности активной зоны ядерного реактора.

Таким образом, применение указанной дополнительной байпасной магистрали с регулирующим клапаном, позволяя в режимах запуска и выключения ядерного ракетного двигателя изменять температуру рабочего тела в трактах охлаждения ядерного реактора, поддерживает необходимое тепловое состояние входных участков тепловыделяющих сборок и замедлителя в режимах пониженной тепловой мощности, что повышает надежность ядерного ракетного двигателя в переходных режимах.

Система подачи рабочего тела ядерного ракетного двигателя предназначена для использования в ядерных энергодвигательных установках. Она снабжена байпасной магистралью с регулирующим клапаном, включенной между входом и выходом тепловоспринимающего тракта рекуператора, что позволяет в режимах запуска и выключения ядерного ракетного двигателя изменять температуру рабочего тела в трактах охлаждения ядерного реактора и поддерживать необходимое тепловое состояние входных участков тепловыделяющих сборок и замедлителя в режимах пониженной тепловой мощности, что способствует повышению надежности ядерного ракетного двигателя в переходных режимах его работы. 1 ил.

Система подачи рабочего тела ядерного ракетного двигателя, включающая турбонасосный агрегат, состоящий из насоса, соединенного своим входным трактом с баком хранения рабочего тела и механически связанной с ним общим валом газовой турбины, а также рекуператор с тепловоспринимающим и теплоотдающим трактами, основной и охлаждающий тракты реактивного сопла, тракты охлаждения низкотемпературных узлов ядерного реактора, тракты охлаждения тепловыделяющих сборок активной зоны, при этом выход насоса через тепловоспринимающий тракт рекуператора соединен с входным трактом газовой турбины, а выходной тракт газовой турбины соединен с трактами охлаждения низкотемпературных узлов ядерного реактора и с входным трактом газовой турбины посредством байпасной магистрали с регулирующим клапаном, между выходом трактов охлаждения низкотемпературных узлов ядерного реактора и входом в тепловыделяющие сборки активной зоны подключен теплоотдающий тракт рекуператора, выход трактов охлаждения тепловыделяющих сборок активной зоны соединен с входом основного тракта реактивного сопла, отличающаяся тем, что дополнительно включает байпасную магистраль с регулирующим клапаном, включенную между входом и выходом тепловоспринимающего тракта рекуператора, при этом выход насоса соединен с трактом охлаждения реактивного сопла, выход которого подключен к трактам охлаждения низкотемпературных узлов ядерного реактора.