Система гидравлического питания агрегатов автоматики ЖРД Российский патент 2024 года по МПК F02K9/56 

Изобретение относится к ракетной технике, в частности к системам, обеспечивающим подачу рабочей жидкости (топлива) к гидравлическим агрегатам автоматики ЖРД, которые представляют собой совокупность гидравлических устройств, обеспечивающих управление, регулирование и обслуживание ЖРД (например рулевым машинам, управляющими вектором тяги ЖРД).

В качестве источника энергии для привода агрегатов автоматики ЖРД в ракетной технике используются аккумуляторы, автономные газогенераторы, схемы с отбором рабочего тела от ТНА, горячего газа от камер сгорания и т.д. (см. стр. 339 Космонавтика: Энциклопедия /Гл. ред. В.П. Глушко. М.: Советская энциклопедия, 1985 г.).

Известна электрогидравлическая следящая система управления (см. патент RU 2 374 671 C1, МПК G05B 15/00, от 13.08.2008), содержащая электронасосные агрегаты, включающие электродвигатели постоянного тока и объемные насосы, при этом управление подачей насосов осуществляется изменением частоты вращения электродвигателей. Недостатком такой системы питания является худшая удельная мощность (мощность отнесенная к массе) электродвигателей по сравнению, например, с гидравлическим приводом, а также необходимость обеспечения электропитанием насосов (генератором или аккумуляторными батареями), что в конечном счете, ухудшает массогабаритные характеристики системы.

Также известна система управления полетом центрального блока ракеты-носителя «Энергия», в которой для изменения вектора тяги двигателей применены восемь электрогидравлических рулевых приводов (по два на каждый ЖРД). Бортовым источником питания рулевых приводов является агрегат гидравлического питания (АГП). Основными элементами АГП являются: турбопривод, гидробак, плунжерный гидравлический насос переменной производительности, редуктор, кинематически связывающий турбопривод с гидронасосом и понижающий частоту вращения 1:12. Турбопривод в свою очередь состоит из газовой турбины, пневмосистемы с регулятором частоты вращения. Рабочим телом для турбопривода является газообразный водород высокого давления, поступающий из системы маршевого двигателя (cм. Петренко С. А. Системы аэрокосмических аппаратов: учебное пособие / С. А. Петренко, А. Г. Гимадиев, А. Н. Нечаев; Самарский, гос. аэрокосм., ун-т им. С. П. Королева, Волжское КБ Ракетно-космической корпорации "Энергия", — Самара, 2000.).

При использовании в двигательных установках меньшей размерности недостатком данной системы является ее большая масса, габариты и сложность.

Также использование в системах гидравлического питания автоматики ЖРД объемных насосов с регулируемой производительностью приводит к увеличению массы системы, высокой трудоемкости изготовления и стоимости, а также снижает ее надежность.

При использовании в системе гидравлического питания объемных насосов с нерегулируемой производительностью (например, шестеренных), их регулирование производится перепуском топлива с высоким давлением на вход насоса (дросселирование). При дросселировании топлива при перепуске, энергия, затраченная на повышение давления жидкости, теряется, переходя в тепловую и вызывая нагрев топлива.

Использование автоматов разгрузки насосов постоянной производительности также приводит к увеличению массы системы и ее усложнению.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является улучшение массогабаритных характеристик системы подачи рабочей жидкости (топлива) к гидравлическим агрегатам автоматики ЖРД и ее упрощение, повышение надежности и энергетической эффективности системы, а также возможность регулирования давления без потерь энергии на перепуск жидкости.

Для достижения указанного технического результата в системе гидравлического питания агрегатов автоматики ЖРД, содержащей турбонасосный агрегат (ТНА), имеющий топливный насос и газовую турбину, насос объёмного действия, сообщенный своей входной полостью с выходной полостью топливного насоса ТНА, а напорной полостью с отводом топлива к гидравлическим агрегатам автоматики, установлен гидромотор объёмного действия, кинематически связанный с насосом объемного действия, при этом входная полость гидромотора связана гидравлической магистралью с выходной полостью топливного насоса ТНА, выходная полость гидромотора связана гидравлической магистралью с входной полостью топливного насоса ТНА, в гидравлической магистрали, связывающей выходную полость топливного насоса ТНА с входной полостью гидромотора, установлен регулятор давления, содержащий дросселирующее устройство.

Отличительные признаки, а именно: установка гидромотора объёмного действия, кинематически связанного с насосом объемного действия, при этом входная полость гидромотора связана гидравлической магистралью с выходной полостью топливного насоса ТНА, выходная полость гидромотора связана гидравлической магистралью с входной полостью топливного насоса ТНА, позволяет улучшить массогабаритные характеристики системы и повысить ее надежность за счет исключения:

– турбопривода объемного насоса, выполненного в виде отдельного механизма,

– механической передачи от турбопривода к объемному насосу,

– редуктора, расположенного между турбоприводом и объемным насосом и предназначенного для снижения частоты вращения насоса.

Кроме того объемный гидромотор имеет больший КПД по сравнению с гидравлической турбиной, запитанной от высоконапорного насоса ТНА, т.к. при высоком перепаде давлений гидротурбина получается малорасходной с низкой быстроходностью, что приводит к парциальности рабочего колеса гидротурбины.

Также использование в гидравлической магистрали, связывающей выходную полость топливного насоса ТНА с входной полостью гидромотора, регулятора давления, содержащего дросселирующее устройство, позволяет осуществлять регулирование давления на выходе из объемного насоса без потерь энергии на перепуск рабочей жидкости.

Предложенная система гидравлического питания агрегатов автоматики ЖРД представлена на чертеже и описана ниже.

Система содержит турбонасосный агрегат (ТНА) 1, с насосом 2 и газовой турбиной 3, входной полостью 4, выходной полостью 5, каналом отвода 6 топлива в двигатель.

Система также содержит гидроприводной насос 7 с гидромотором 8, насосом питания 9 с магистралью отвода топлива 10. Гидромотор 8 и насос 9 кинематически связаны между собой, например рессорой 11. Входная полость гидромотора 8 связана с выходной полостью 5 гидравлической магистралью 12, выходная полость гидромотора 8 связана с входной полостью 4 гидравлической магистралью 13.

В качестве гидромотора 8 и насоса подачи 9 возможно использование гидромашин шестеренного типа, как наиболее простых. Также принципиально возможно использование других типов объемных гидравлических машин, например, плунжерных.

В гидравлической магистрали 12 установлен регулятор расхода 14 с дросселирующим устройством 15, управляющим золотником 16, чувствительным элементом в виде иглы 17, магистралью подвода гидравлической команды 18, жиклером 19. Игла 17 гидравлически связана с магистралью 10 каналом 20.

Гидравлическая магистраль 21 связывает полость 5 с входной полостью насоса 9.

Элементы системы изображены на чертеже в рабочем положении. Стрелками показано направление движения топлива (рабочей жидкости) в топливных магистралях и каналах системы, а также газа в турбине 3 ТНА.

Система работает следующим образом.

Из топливной системы летательного аппарата топливо (например, керосин) поступает во входную полость 4 насоса 2, который приводится во вращение турбиной 3. Топливо с высоким давлением из полости 5 по каналу 6 подается в камеру сгорания двигателя (на чертеже не показана). Также топливо с высоким давлением подается по гидравлической магистрали 12 к входной полости гидромотора 8, а по каналу 21 к входной полости насоса 9. Топливом, поступающим от ТНА 1, гидромотор 8 приводится во вращение и в свою очередь приводит во вращение кинематически связанный с ним рессорой 11 насос 9. По магистрали 10 топливо подается к гидравлическим агрегатам автоматики ЖРД (на чертеже не показаны). Отвод топлива из гидромотора 8 по магистрали 13 производится в полость 4.

Давление топлива в магистрали 10 зависит от частоты вращения гидроприводного насоса 7, которое определяется объемным расходом топлива в гидравлической магистрали 12. Расходом топлива в гидравлической магистрали связывающей ТНА 1 и входную полость гидромотора 8 управляет регулятор расхода 14, который изменяет площадь проходного сечения дросселирующего устройства 15. Одним из возможных вариантов управления положением дросселирующего устройства 15 является сервомотор, в управляемую полость которого через жиклер 19 подводится топливо из выходной полости 5 насоса 2. Топливо из управляемой полости сервомотора отводится через управляющий золотник 16.

Золотник 16 находится в равновесии, когда сила от пружины и сила от давления гидравлической команды, подведенной по магистрали 18, равны силе от давления топлива, действующего на иглу 17. К игле 17 давление топлива подводится по каналу 20 от магистрали 10.

Когда давление за насосом 9 становится меньше заданной величины, то сумма сил от пружины и давления гидравлической команды, действующие на левый торец золотника 16, становятся больше, чем сила от иглы 17, действующей на правый торец золотника 16. Золотник 16 перемещается вправо и увеличивает расход жидкости, сливаемой из управляемой полости сервомотора в гидравлическую магистраль 13. Давление в управляемой полости сервомотора падает, и он перемещается, увеличивая площадь проходного сечения дросселирующего устройства 15. При этом расход топлива в магистрали 12 возрастает, частота вращения насоса 9 увеличивается, что в свою очередь приводит к повышению давления топлива в выходной полости насоса 9 и в гидравлически связанных с ней магистрали 10 и канале 20.

Когда давление за насосом 9 становится больше заданной величины, то сумма сил от пружины и давления гидравлической команды, действующие на левый торец золотника 16, становятся меньше, чем сила от иглы 17, действующей на правый торец золотника 16. Золотник 16 перемещается влево и уменьшает расход жидкости, сливаемой из управляемой полости сервомотора в гидравлическую магистраль 13. Давление в управляемой полости сервомотора возрастает, и он перемещается, уменьшая площадь проходного сечения дросселирующего устройства 15. При этом расход топлива в магистрали 12 падает, частота вращения насоса 9 уменьшается, что в свою очередь приводит к снижению давления топлива в выходной полости насоса 9 и в гидравлически связанных с ней магистрали 10 и канале 20.

При необходимости, управление величиной давления топлива, используемого для питания агрегатов автоматики ЖРД, в зависимости от режима полета летательного аппарата производится изменением давления гидравлической команды, подведенной по магистрали 18. Управление величиной давления гидравлической команды, подведенной по магистрали 18, может осуществляться, например, бортовой электронной системой управления с помощью электрогидропреобразователя (на чертеже не показаны). Если необходимости в управлении давлением топлива нет, магистраль 18 может быть гидравлически соединена с магистралью 13. Тем самым в пружинную полость управляющего золотника 16 будет подведено давление из входной полости 4. При этом избыточное давление топлива в магистрали 10 (относительно давления во входной полости 4) будет близким к постоянному.

Таким образом, предложенная система обеспечивает надежную подачу рабочей жидкости (топлива) для питания агрегатов автоматики ЖРД и энергетически эффективное управление давлением подаваемого топлива.

Изобретение относится к ракетной технике, в частности к системам, обеспечивающим подачу рабочей жидкости (топлива) к гидравлическим агрегатам автоматики ЖРД (например, рулевым машинам, управляющим вектором тяги ЖРД). Выход и вход топливного насоса ТНА гидравлически связаны с гидромотором объемного действия. Гидромотор кинематически связан с насосом объемного действия, подающим рабочую жидкость к гидравлическим агрегатам. В гидравлической магистрали, связывающей выходную полость топливного насоса ТНА с входной полостью гидромотора, установлен регулятор давления, содержащий дросселирующее устройство. Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является улучшение массогабаритных характеристик, упрощение, повышение надежности и энергетической эффективности, а также возможность регулирования давления без потерь энергии на перепуск жидкости. 1 ил.

Система гидравлического питания агрегатов автоматики ЖРД, содержащая турбонасосный агрегат (ТНА), имеющий топливный насос и газовую турбину, насос объемного действия, сообщенный своей входной полостью с выходной полостью топливного насоса ТНА, а напорной полостью с отводом топлива к гидравлическим агрегатам автоматики, отличающаяся тем, что в системе установлен гидромотор объемного действия, кинематически связанный с насосом объемного действия, при этом входная полость гидромотора связана гидравлической магистралью с выходной полостью топливного насоса ТНА, выходная полость гидромотора связана гидравлической магистралью с входной полостью топливного насоса ТНА, в гидравлической магистрали, связывающей выходную полость топливного насоса ТНА с входной полостью гидромотора, установлен регулятор давления, содержащий дросселирующее устройство.