СПОСОБ РАБОТЫ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ЗАМКНУТЫМ ПАРОЖИДКОСТНЫМ КОНТУРОМ В СИСТЕМЕ ТУРБОНАСОСНОЙ ПОДАЧИ Российский патент 2003 года по МПК F02K9/48 

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям (ЖРД), конкретно к ЖРД с турбонасосной подачей топлива, состоящего из раздельно хранимых окислителя и горючего; по крайней мере, один из этих топливных компонентов (окислитель) является криогенным.

Известен способ работы ЖРД с замкнутым парожидкостным контуром в системе турбонасосной подачи, при котором рабочий пар для турбины получают из воды с использованием теплоты от продуктов сгорания ракетного топлива, а сработавший пар охлаждают, используя для этого хладоресурс окислителя, и полученный конденсат возвращают в водяной насос: см. патент RU 2155273 С1, 18.08.1999, фиг.1 - прототип изобретения.

Способ работы ЖРД с замкнутым парожидкостным контуром в системе турбонасосной подачи включает рабочий цикл Ренкина, в начале которого получают перегретый пар для совершения необходимой работы на турбине, а в конце цикла отдают поступающему в ЖРД холодному топливу неиспользованную теплоту отработавшего пара с тем, чтобы охладить (сконденсировать) его до степени, гарантирующей бескавитационную работу соответствующего насоса. В конечном счете обеспечивают теплоэнергетический баланс между несколькими функциональными элементами (системами) ЖРД:
- источниками (системой генерирования) теплоты для получения рабочего пара турбины;
- турбонасосным агрегатом (ТНА) для подачи рабочих тел;
- источником холода (системой охлаждения) для конденсации отработавшего турбинного пара.

Функционирование каждого из указанных элементов требует, в свою очередь, соблюдения внутреннего баланса между поступающей и расходуемой энергией. В частности, в ТНА необходимо обеспечить равенство между располагаемой мощностью турбины и суммарной мощностью насосов окислителя, горючего и конденсированного продукта (в нашем случае - воды).

Принципиальным достоинством способа работы ЖРД с замкнутым парожидкостным контуром в системе турбонасосной подачи является отсутствие потерь удельного импульса тяги (I_у) двигателя на привод ТНА, поскольку отработавший (то есть энергетически обесценившийся) пар турбины подают повторно - после конденсации - в рабочий контур, а не выбрасывают из двигателя через выхлопную систему. Благодаря этому величины I_у для двигателя и для камеры (синоним понятия "тяговая камера") совпадают. Это достоинство способа-прототипа сочетается с характерными для него умеренными напорами топливных насосов, что удешевляет разработку и изготовление ЖРД.

При выборе рабочим телом для турбины водяного пара исходят из того, что воду можно греть без опасения диссоциации вплоть до температуры, при которой сохраняется целостность конструкции турбины. Неохлаждаемые газовые турбины, применяемые в современных ЖРД, работают при входной температуре рабочего тела Т_от = 600 - 1100 К. Водяной пар, нагретый до столь высокой температуры, дает большую величину адиабатической работы на турбине (L_ад), а следовательно, обеспечивается высокая мощность турбины при малом расходе водяного пара . Этот малый расход вместе с высокой плотностью водяного конденсата обусловливаeт малые затраты энергии на привод насоса для рабочего тела турбины (свыше 90% мощности которой может расходоваться в полезных целях - на привод топливных насосов). В итоге энергетический баланс ЖРД может достигаться при высоком уровне давления в камере (р_к), которому соответствуют высокие значения параметра I_у. Малая величина облегчает также задачу конденсации пара.

Однако при всех перечисленных достоинствах способа-прототипа с использованием водяного парожидкостного контура при осуществлении этого способа на практике оказывается невозможным в полной мере использовать потенциальную химическую энергию ракетного топлива для получения высоких значений I_у. Этот недостаток предопределен тем, что при реализации известного способа возникает опасность локального замерзания водяного конденсата в процессе его образования на конечном этапе рабочего цикла Ренкина. Эта опасность возникает из-за весьма низкой температуры жидкого кислородного окислителя, которым конденсируют отработавший на турбине пар.

Именно ввиду указанной опасности авторы способа-прототипа предпочли воде аммиак, несмотря на присущее ему ограничение по нагреву (равновесная температура диссоциации аммиака составляет всего 520 К: см. упомянутый патент RU 2155273 С1, 18.08.1999, колонки 10, 11). Тогда же было предложено во избежание замерзания конденсата осуществлять предварительный подогрев криогенного кислородного охладителя продуктами сгорания ракетного топлива. При этом, однако, оставшегося хладоресурса хватает на конденсацию лишь небольшого расхода отработавшего пара, и вследствие такого ограничения по расходу рабочего тела турбины энергетический баланс ЖРД обеспечивается лишь при невысоком давлении в камере (менее 10 МПа). Это обусловливает невысокие значения параметра I_у для способа-прототипа, что лишает его практической целесообразности.

Изобретение решает техническую задачу исключения замерзания водяного конденсата при высоком уровне давления в камере.

Поставленная техническая задача решается тем, что в способе работы ЖРД с замкнутым парожидкостным контуром в системе турбонасосной подачи, при котором рабочий пар для турбины получают из воды с использованием теплоты от продуктов сгорания ракетного топлива, а сработавший пар охлаждают, используя для этого хладоресурс окислителя, и полученный конденсат возвращают в водяной насос, согласно изобретению, пар срабатывают до давления 0,6-4,0 МПа.

При осуществлении изобретения ожидается технический результат, совпадающий с сущностью решаемой задачи.

Изобретение поясняется фиг.1 и 2, где представлены:
- на фиг. 1 - функциональная схема ЖРД, выполненного в соответствии с предложенным способом;
- на фиг.2 - графики взаимосвязи для ряда характеристик водяного парожидкостного контура.

Согласно фиг.1, ЖРД содержит создающую тяговое усилие камеру 1 с форсуночной головкой 1А, камерой сгорания 1Б и сверхзвуковым реактивным соплом 1В. Корпус камеры образован двумя соосными оболочками (внешней и внутренней), формирующими тракт 1Г для протока охладителя. Для подачи топлива в двигателе предусмотрен ТНА, который содержит двухступенчатый насос кислородного окислителя (сжиженного кислорода) 2, двухступенчатый насос углеводородного горючего (например, керосина) 3, водяной насос 4 и паровую турбину 5. В целях получения рабочего пара турбины предусмотрен газогенератор 6 со смонтированным на его выходе теплообменником-нагревателем 7; они сообщены газоводом 8 с форсуночной головкой 1А камеры. Таким образом, газогенератор, теплообменник-нагреватель и камера являются участками общего газодинамического канала. Форсуночная головка 6А газогенератора соединена со второй ступенью насоса 2 посредством трубопровода 9 и соединена также со второй ступенью насоса 3 посредством магистрали 10 с размещенным в ней дросселем 11. Форсуночная головка 1А камеры подключена к первой ступени насоса 3 через магистраль 12 с размещенным в ней дросселем 13 и подключена также к первой ступени насоса 2 через магистраль 14 с размещенным в ней теплообменником-конденсатором 15. Магистраль 14 может сообщаться (после теплообменника-конденсатора) посредством трубопровода 14а с предусмотренным в газоводе 8 балластировочным поясом 8а.

Для привода ТНА предусмотрен замкнутый парожидкостный контур водяного рабочего тела, включающий вышеупомянутые насос 4 и турбину 5. Выход водяного насоса сообщен с входом теплообменника-нагревателя 7 двумя параллельными магистралями. Одна из них включает последовательно расположенные трубопровод 16, охлаждающий тракт 1Г камеры и трубопровод 17. Другая магистраль включает трубопровод 18, охлаждающую рубашку 6Б газового тракта 6-7-8, трубопровод 19, теплообменник-экономайзер 20 и трубопровод 21. Его выход вместе с выходом трубопровода 17 подключен к смесителю 22, а тот посредством трубопровода 23 сообщен с входом теплообменника-нагревателя 7. Выход последнего подключен трубопроводом 24 к входу турбины 5. Ее выход сообщен трубопроводом 25 с входом теплообменника-экономайзера 20, выход которого соединен трубопроводом 26 с входом теплообменника-конденсатора 15. Его выход сообщен трубопроводом 27 с входом насоса 4. Таким образом, насос 4 вместе с турбиной 5, теплообменниками 7, 15, 20, охлаждающим трактом 1Г камеры и соответствующими соединительными магистралями образует замкнутый контур для циркуляции водяного рабочего тела, претерпевающего фазовые превращения. В целях регулирования мощности турбины в контуре предусмотрена байпасная паровая магистраль с дросселем 28.

Описанный ЖРД работает следующим образом. Окислитель ракетного топлива (сжиженный кислород) поступает в насос 2, из которого часть жидкости по трубопроводу 9 подают в форсуночную головку 6А газогенератора 6. Туда же по магистрали 10 из насоса 3 подают часть поступающего (керосинового) горючего, которое сгорает в окислителе с избытком последнего. Генерируемый окислительный газ (с начальной температурой порядка 2000 К) поступает в тракт теплообменника-нагревателя 7 и далее по газоводу 8 - в форсуночную головку 1А камеры. Туда же по магистралям 12 и 14 подают из насосов 3 и 2 остальную массу топлива, расходуемого ЖРД. Эту массу дожигают в камере сгорания 1Б окислительным газом, и образующиеся высокотемпературные продукты поступают в реактивное сопло 1В, истекая из которого, создают тягу. При необходимости часть окислителя из насоса 2 после прохождения теплообменника-конденсатора 15 может вводиться по трубопроводу 14а через балластировочный пояс 8а в газовод 8, чем достигается снижение температуры окислительного газа перед его подачей в форсуночную головку 1А.

Циркулирующее в замкнутом контуре водяное рабочее тело распределяют после насоса 4 по двум параллельным магистралям. Часть общего расхода воды подают по трубопроводу 16 в охлаждающий тракт 1Г камеры, где при нагревании жидкость обращают в пар, который поступает по трубопроводу 17 в смеситель 22. Туда же поступает остальная часть водяного рабочего тела, перекачиваемого насосом 4. Эту часть подают насосом по трубопроводу 18 в охлаждающую рубашку 6Б газового тракта 6-7-8 и далее по трубопроводу 19 в теплообменник-экономайзер 20. Здесь поступающую воду дополнительно нагревают отработавшим паром турбины 5 (см. ниже), после чего по трубопроводу 21 направляют в смеситель 22. Из него общая масса водяного рабочего тела поступает по трубопроводу 23 в тракт теплообменника-нагревателя 7. Полученный в нем перегретый пар подают по трубопроводу 24 на турбину 5, приводящую насосы 2, 3, 4. Пар срабатывают на турбине до давления 0,6-4,0 МПа, после чего подают по трубопроводу 25 в теплообменник-экономайзер 20. Здесь отработавший пар отдает часть своей теплоты свежему рабочему телу, и затем пар по трубопроводу 26 подают в теплообменник-конденсатор 15. Здесь за счет теплообмена с жидким кислородным окислителем пар обращают в жидкость, и полученный водяной конденсат по трубопроводу 27 сбрасывают на вход насоса 4. Далее описанный цикл водяного рабочего тела повторяется.

Регулирование ЖРД осуществляют воздействием на дроссели 11, 13 и 28. Первый из них обеспечивает температурную настройку газогенератора 6. Воздействием на второй дроссель достигается синхронное опорожнение топливных баков в летательном аппарате с ЖРД. Третий дроссель используют для настройки и регулирования тяги.

Сущность изобретения не исчерпывается приведенной на фиг.1 схемой; в конкретных случаях могут использоваться другие частные технические решения:
- отработавший пар турбины можно охлаждать не только окислителем, но и горючим ракетного топлива;
- количество рабочих колес в насосах и турбине может быть различным;
- теплообменник-экономайзер (20) может не понадобиться;
- не обязательным является дополнительный к камере источник теплоты для нагрева рабочего тела турбины; на фиг.1 этот дополнительный источник выполнен в виде окислительного газогенератора (6); в случае генерирования восстановительного газа он может разбавляться в газоводе (8) жидким горючим и т.д.

Проблема замерзания водяного конденсата решена в изобретении путем оптимизации используемого цикла Ренкина по величине давления на выходе турбины (р_2Т). На фиг. 2 показано как влияет этот параметр на следующие важные характеристики:
- относительный расход водяного рабочего тела в парожидкостном контуре (m_отн);
- относительная рабочая поверхность теплообменника-конденсатора (s_отн) противоточной схемы;
- минимальная температура стенки теплообменника-конденсатора со стороны водяного рабочего тела (t_ст).

Прежде чем комментировать представленные графики напомним, что обеспечение энергобаланса системы подачи является лишь одним из условий функционирования ЖРД с замкнутым парожидкостным контуром. Другим необходимым условием является достаточность и практическая возможность использования хладоресурса топлива для конденсации отработавшего пара турбины с возвратом полученного водяного конденсата в рабочий цикл. В общем случае основной хладоресурс топлива сосредоточен в криогенном кислородном окислителе, имеющем на выходе из насоса температуру ≈100 К. Первейшим критическим фактором в технической реализации рассматриваемого способа оказывается теплообменник-конденсатор, размеры и масса которого могут достигать неприемлемых величин. Этот агрегат в общем случае содержит три рабочих участка: охлаждения перегретого водяного пара до температуры насыщения или начала конденсации (участок 1), собственно конденсации (участок 2) и охлаждения конденсата для обеспечения бескавитационной работы водяного насоса (участок 3).

Сложный характер графиков на фиг.2 обусловлен действием ряда противоречивых факторов. В частности:
- со снижением р_2T при сохранении начального давления (то есть с увеличением срабатываемого перепада давлений на турбине π_т) возрастает работа L_ад с сопутствующим снижением , и температура отработавшего пара (Т_2T) снижается, что выгодно для габаритно-массовых характеристик теплообменника-конденсатора; но соответственно снижается и температура водяного конденсата (), выше которой нельзя нагреть охлаждающий кислород (сокращается располагаемый хладоресурс криогенного окислителя);
- повышение параметра T_от благоприятно сказывается на тепловом балансе системы охлаждения вследствие снижения , однако получаемый выигрыш снижается из-за того, что температура отработавшего пара (T_2T) отдаляется от кривой начала конденсации;
- для снижения затрат энергии на привод водяного насоса и особенно для улучшения теплового баланса системы охлаждения необходимо снижать , однако со снижением этого параметра падают кпд водяного насоса и кпд турбины;
- с увеличением величины π_т при неизменном параметре р_2T величина L_ад возрастает лишь до некоторого предела, после чего уменьшается; кроме того, возрастают затраты мощности на водяной насос и снижается кпд турбины (вследствие повышения начальной плотности пара и возможного появления в турбинном тракте конденсированной фазы).

Графики на фиг. 2 определяют диапазон р_2T=0,6-4,0 МПа как наиболее целесообразный для работы ЖРД с циклом Ренкина на водяном паре:
- указанному диапазону р_2T соответствуют положительные значения параметра t_ст, что позволяет не опасаться замерзания водяного конденсата при охлаждении отработавшего пара турбины;
- в указанном диапазоне р_2T располагаются минимальные значения параметра s_отн, то есть достигаются наилучшие габаритные (а следовательно, и массовые) показатели теплообменника-конденсатора.

Оптимальный диапазон р_2T=0,6 - 4,0 МПа соответствует работе водяного насоса в области небольшого или даже отрицательного дополнительного (сверх давления насыщенного пара) кавитационного подпора на входе в насос. При этом входные значения абсолютного давления рабочего тела и температуры могут значительно превышать обычные для насосов величины.

Уменьшение р_2T относительно указанного диапазона (р_2T<0,6 МПа) нежелательно по двум причинам: во-первых, падает температура , что грозит замерзанием конденсата, и во-вторых, снижается располагаемый хладоресурс жидкого окислителя, что приводит к быстрому возрастанию габаритов и массы теплообменника-конденсатора, а вскоре и к невозможности его реализации. Увеличение p_2T относительно указанного диапазона (р_2T>4,0 МПа) также нежелательно ввиду возрастания , что приводит к чрезмерному увеличению габаритов и массы теплообменника-конденсатора и других функциональных элементов парожидкостного контура.

При выборе конкретного значения p_2T в рамках указанного диапазона должно учитываться, в частности, и то обстоятельство, что при меньших значениях π_т высокий кпд турбины достигается при меньшем числе ступеней, что упрощает и облегчает конструкцию турбины и всего ТНА.

Как иллюстрируется примером ниже, соблюдение оговоренного диапазона p_2T обеспечивает также достижение высокого уровня р_к.

Пример осуществления изобретения: ЖРД на топливе кислород - керосин с тягой 1,5 МН:
расход окислителя через двигатель - 350 кг/с;
расход горючего через двигатель - 135 кг/с;
расход воды в замкнутом контуре - 55 кг/с;
температура пара на входе/выходе турбины - 1000 К/650 К;
давление пара на входе/выходе турбины - 31/2,45 МПа;
вода поступает в насос с давлением 2,0 МПа при температуре 210^oС;
рабочая поверхность теплообменника-конденсатора 55 м² при массе конструкции 250 кг;
минимальная температура стенки теплообменника-конденсатора со стороны водяного рабочего тела 50^oС;
p_к = 30 МПа.

Полученное в конкретном примере значение t_cт = 50^oС исключает замерзание водяного конденсата, а реализуемое значение р_к = 30 МПа втрое превышает этот параметр для способа-прототипа. Итак, ожидаемый технический результат подтвержден.

По способу работы жидкостного ракетного двигателя с замкнутым парожидкостным контуром в системе турбонасосной подачи рабочий пар для турбины получают из воды с использованием теплоты от продуктов сгорания ракетного топлива. Пар срабатывают до давления 0,6-4,0 МПа. Сработавший пар охлаждают, используя для этого хладоресурс окислителя, и полученный конденсат возвращают в водяной насос. Изобретение позволяет исключить замерзание водяного конденсата при высоком уровне давления в камере. 2 ил.

Способ работы жидкостного ракетного двигателя с замкнутым парожидкостным контуром в системе турбонасосной подачи, при котором рабочий пар для турбины получают из воды с использованием теплоты от продуктов сгорания ракетного топлива, а сработавший пар охлаждают, используя для этого хладоресурс окислителя, и полученный конденсат возвращают в водяной насос, отличающийся тем, что пар срабатывают до давления 0,6-4,0 МПа.