СИСТЕМА ПОДАЧИ КРИОГЕННОГО ШУГООБРАЗНОГО ТОПЛИВА Российский патент 2004 года по МПК F02K9/48 

Изобретение относится к авиационной, космической и криогенной технике и может быть использовано прежде всего в силовых и энергетических установках перспективных авиационно-космических систем, а также при производстве и хранении криогенных продуктов.

Известна система подачи криогенного топлива - жидкого водорода в двигательных установках жидкостных ракетных двигателей, состоящая из бака жидкого водорода, насоса и магистрали подвода жидкого водорода к насосу и камере сгорания двигателя (Кудрявцев В.М. и др. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. - М.: Высшая школа, 1983 г., с. 9-12).

Недостатком данной системы подачи криогенного топлива является то, что она не позволяет использовать в качестве топлива шугообразный водород, применение которого позволит значительно улучшить технико-экономические характеристики силовой установки.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является “Жидкостный ракетный двигатель на криогенном топливе”, патент РФ №2118684 от 06.02.96 г., в котором система подачи жидкого водорода состоит из расходного бака, насоса, потребителя криогенного жидкого топлива с дросселем на входе, всасывающей магистрали, соединяющей бак со входом в насос, и напорной магистрали, соединяющей выход насоса с дросселем.

Основным техническим недостатком данной системы подачи криогенного топлива также является невозможность использовать в качестве горючего шугообразный водород, представляющий собой твердожидкостную смесь жидкого водорода с частицами твердого водорода с характерным размером 2-7 мм. При этом концентрация твердого водорода в шуге может достигать 50%.

Применение шугообразного топлива, например шугообразного водорода указанной концентрации, в качестве топлива для силовых и энергетических установок воздушно-космических систем более предпочтительно, чем применение жидкого водорода. Сохраняя текучесть при содержании твердой фазы в 50% по массе, шугообразный водород обладает по сравнению с жидким водородом следующими преимуществами:

- дополнительным хладорессурсом, способствующим более интенсивному охлаждению элементов летательного аппарата;

- большей на ~10% плотностью и меньшим давлением насыщенных паров, что позволяет увеличить вместимость топливных баков и снизить их массу;

- значительно меньшими потерями водорода от испарения при длительном хранении на борту летательного аппарата, т.к. большая часть теплопритока из окружающей среды расходуется на плавление твердой фазы.

Однако наличие частиц твердого водорода при входе в узкие каналы, например, систем регулирования теплообменных аппаратов и других элементов силовых и энергетических установок является недопустимым. Тепла, выделяющегося в насосе при перекачивании шугообразного водорода, и времени его пребывания в каналах насоса недостаточно для плавления частиц твердого водорода в шуге. В связи с этим возникает реальная необходимость уменьшения размера твердых частиц, вплоть до нуля, для предотвращения их попадания на вход к потребителю в процессе непрерывной его работы на борту летательного аппарата или в наземных установках различного назначения.

Целью предлагаемого технического решения является расширение возможности работы потребителя, например силовой установки на шугообразном криогенном топливе.

Указанная цель достигается тем, что система подачи криогенного шугообразного топлива, которая содержит расходный бак, всасывающую магистраль, насос, напорную магистраль, дроссель и потребитель топлива, снабжена дополнительным дросселем, смесителем и сепаратором для отделения в криогенном шугообразном топливе жидкой фазы от шуги, причем смеситель в системе подачи установлен за расходным баком во всасывающей магистрали и соединен с насосом, а за насосом в напорной магистрали установлен сепаратор, который соединен через патрубок вывода жидкой фазы и дроссель с потребителем топлива, а со смесителем - через патрубок вывода шуги и дополнительный дроссель, образуя при этом замкнутый гидравлический контур циркуляции шуги.

На чертеже изображена схема системы подачи криогенного шугообразного топлива.

Система подачи криогенного шугообразного топлива состоит из расходного бака 1, насоса 2, потребителя 3 топлива, дросселя 4, установленного на входе потребителя 3 топлива, всасывающей магистрали 5, соединяющей расходный бак 1 с насосом 2, напорной магистрали 6, соединяющей насос 2 с дросселем 4, сепаратор 7 для отделения в криогенном шугообразном топливе жидкой фазы от шуги с входным патрубком 8 и выходными патрубками 9 и 10, смесителя 11 с входными патрубками 12, 13 и выходным патрубком 14, и дополнительного дросселя 15, причем входной патрубок 8 сепаратора 7 соединен с выходом насоса 2, выходной патрубок 9 сепаратора 7 соединен с дросселем 4, выходной патрубок 10 сепаратора 7 через дополнительный дроссель 15 соединен с входным патрубком 13 смесителя 11, образуя замкнутый гидравлический контур циркулирующей шуги, а другой входной патрубок 12 смесителя 11 соединен с расходным баком 1 криогенного шугообразного топлива.

Работа предлагаемой системы подачи криогенного шугообразного топлива осуществляется следующим образом.

Для определенности в качестве криогенного шугообразного топлива рассматривается криогенный шугообразный водород.

При обозначении концентрации твердой фазы в шуге (Sт) и давлении (р) нижний цифровой индекс соответствует номерам позиций, обозначенных на схеме.

Шугообразный водород с начальной концентрацией твердой фазы (Sт₁) и массовым расходом (m₁) низконапорной шуги из расходного бака 1 (система наддува бака на схеме не показана) по всасывающей магистрали 5 поступает через входной патрубок 12 в смеситель 11 и после перемешивания с циркулирующей по замкнутому гидравлическому контуру и подаваемой в смеситель 11 через второй входной патрубок 13 смесителя 11 высоконапорной водородной шугой с концентрацией твердой фазы (Sт₁₃) и массовым расходом (m₄) высоконапорной шуги, через выходной патрубок 14 смесителя 11 поступает на вход в насос 2 с массовым расходом (m₂) шуги, при этом

m₂=m₁+m₄,

где m₂ - массовый расход водородной шуги, проходящей через насос 2;

m₁ - массовый расход низконапорной водородной шуги, поступающей из расходного бака 1 на вход в смеситель 11 через патрубок 12;

m₄ - массовый расход высоконапорной водородной шуги, поступающей из сепаратора 7 на вход смесителя 11 через патрубок 10, дополнительный дроссель 15 и патрубок 13.

Из насоса 2 при высоком давлении шугообразный водород с массовым расходом (m₂) через входной патрубок 8 поступает в сепаратор 7 (предполагается, что объемный КПД насоса равен 1,0). Сепаратор 7 сконструирован так, что через выходной патрубок 9 сепаратора 7 на вход к потребителю 3 через дроссель 4 подается жидкий водород с концентрацией твердой фазы Sт₉=0, с требуемыми для нормальной работы потребителя 3 значениями давления р₃ и массового расхода жидкого водорода m₃, при этом

m₃=m₂-m₄,

где m₃ - массовый расход жидкого водорода, подаваемого к потребителю силовой установки;

m₂ - массовый расход водородной шуги, проходящей через насос 2;

m₄ - массовый расход высоконапорной водородной шуги, поступающей из сепаратора 7 на вход смесителя 11 через патрубок 10, дополнительный дроссель 15 и патрубок 13,

а через второй выходной патрубок 10 сепаратора 7 через дроссель 15 поступает с концентрацией твердой фазы Sт₁₃, которая далее подается в смеситель 11, образуя при этом замкнутый гидравлический контур циркуляции шуги.

Принцип работы предлагаемой системы подачи криогенного шугообразного топлива основан на плавлении частиц твердого компонента, в данном случае частиц твердого водорода под действием тепла, выделяющегося за счет гидропотерь при циркуляции шуги по замкнутому гидравлическому контуру, образованному насосом 2, сепаратором 7, дополнительным дросселем 15 и смесителем 11 шуги.

Использование предлагаемой системы подачи криогенного шугообразного топлива позволит непосредственно в процессе работы потребителей различного назначения осуществлять плавление твердых частиц в шуге без применения специальных теплообменных аппаратов или механических дробилок. При этом, как показали основанные на использовании энергетического подхода оценки, проведенные применительно к системе подачи шугообразного водорода, дополнительно затрачиваемая на плавление частиц твердого водорода в замкнутом гидравлическом контуре мощность насоса резко падает с увеличением давления подачи (р₃) на входе потребителя жидкого водорода. При давлении p₃>400·10⁵ Пa для водородной шуги с концентрацией твердой фазы Sт₁=0,5 увеличение мощности насоса подачи шугообразного водорода не превышает 3% мощности насоса при перекачке с тем же массовым расходом жидкого водорода.

Система подачи криогенного шугообразного топлива авиационно-космической системы включает расходный бак, всасывающую магистраль, насос, напорную магистраль и дроссель. Система подачи топлива снабжена дополнительным дросселем, смесителем шуги и сепаратором для отделения в криогенном шугообразном топливе жидкой фазы от шуги. Смеситель шуги установлен за расходным баком во всасывающей магистрали и соединен с насосом. Сепаратор для отделения в криогенном шугообразном топливе жидкой фазы от шуги установлен за насосом в напорной магистрали и соединен с потребителем топлива через патрубок вывода жидкой фазы и дроссель, а со смесителем шуги - через патрубок вывода шуги и дополнительный дроссель, образуя замкнутый гидравлический контур циркуляции шуги. Изобретение позволит расширить возможности работы потребителя на шугообразном криогенном топливе. 1 ил.

Система подачи криогенного шугообразного топлива, содержащая расходный бак, всасывающую магистраль, насос, напорную магистраль, дроссель и потребитель топлива, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным дросселем, смесителем шуги и сепаратором, при этом смеситель шуги установлен за расходным баком, во всасывающей магистрали, и соединен с насосом, а за насосом, в напорной магистрали, установлен сепаратор для отделения в криогенном шугообразном топливе жидкой фазы от шуги, причем сепаратор соединен с потребителем топлива через патрубок вывода жидкой фазы и дроссель, а со смесителем через патрубок вывода шуги и дополнительный дроссель, образуя при этом замкнутый гидравлический контур циркуляции шуги.