способ работы жрд (варианты)
Классы МПК: | F02K9/82 посредством впрыска вторичной жидкой или газообразной среды в газообразные продукты истечения ракетного двигателя |
Автор(ы): | Фролов Л.Ф., Ларионов А.А., Слесарев Д.Ф. |
Патентообладатель(и): | Федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский центр им.М.В.Келдыша" |
Приоритеты: |
подача заявки:
1997-07-03 публикация патента:
20.08.1998 |
Способ работы ЖРД и его варианты, относящиеся к ракетно-космической технике, заключаются в подаче небольшой части окислительного генераторного газа на высокоперепадную, многоступенчатую турбину, а затем в закритическую часть сопла, где организуют дожигание в нем восстановительного пристеночного слоя газов, созданного выше по потоку в камере сгорания и в сопле. При этом основную часть расхода окислительного газа направляют на низкоперепадную турбину и затем через смесительную головку - в камеру сгорания. На соответствующую высокоперепадную многоступенчатую турбину возможно направлять и небольшой расход восстановительного генераторного газа, полученный из части расхода горючего, а затем его подают в закритическую часть сопла в виде завесы в сечении или в сечениях, предшествующих сечению или сечениям ввода в сопло окислительного генераторного газа. Также возможно при одном из вариантов способа в районе сечения сопла, выбранном для осуществления отрыва газового потока от стенки, ввод в газовый поток через один или несколько поясов вдува необходимого для инициирования и регулирования отрыва окислительного генераторного газа, вдув которого регулируют по распределению расхода между поясами и суммарному расходу. Такое осуществление способа работы ЖРД и его вариантов приводит к увеличению термического КПД и удельного импульса. 5 с. и 1 з.п. ф-лы, 10 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10
Формула изобретения
1. Способ работы ЖРД, включающий подачу окислительного генераторного газа на турбину, отличающийся тем, что окислительный генераторный газ, полученный из всего расхода окислителя, поступающего в двигатель, используют на двух типах турбин, при этом основную часть расхода окислительного генераторного газа направляют на низкоперепадную турбину и затем через смесительную головку подают в камеру сгорания, а оставшуюся меньшую часть расхода окислительного генераторного газа направляют на многоступенчатую высокоперепадную турбину и затем подают в закритическую часть сопла, где организуют дожигание в ней восстановительного пристеночного слоя газов, созданного выше по потоку в камере сгорания и сопле. 2. Способ работы ЖРД, включающий подачу окислительного генераторного газа на турбину, отличающийся тем, что окислительный генераторный газ, полученный из всего расхода окислителя, поступающего в двигатель, используют на двух типах турбин, при этом основную часть расхода окислительного генераторного газа направляют на низкоперепадную турбину и затем через смесительную головку подают в камеру сгорания, а оставшуюся меньшую часть расхода окислительного генераторного газа и небольшой расход восстановительного генераторного газа, полученный из части расхода горючего, поступающего в двигатель, направляют на соответствующие многоступенчатые высокоперепадные турбины и затем оба этих генераторных газа подают в закритическую часть сопла, при этом восстановительный генераторный газ вводят в сопло в виде завесы в сечении или в сечениях, предшествующих сечению или сечениям ввода в сопло окислительного генераторного газа, с помощью которого организуют дожигание восстановительного генераторного газа, отработавшего на высокоперепадной турбине, и восстановительного пристеночного слоя газов, созданного выше по потоку в камере сгорания и сопле. 3. Способ работы ЖРД, включающий подачу окислительного генераторного газа на турбину, отличающийся тем, что небольшой расход окислительного генераторного газа, полученный из части расхода окислителя, поступающего в двигатель, направляют на многоступенчатую высокоперепадную турбину, затем подают в закритическую часть сопла, где организуют дожигание в нем восстановительного пристеночного слоя газов, созданного выше по потоку в камере сгорания и сопле. 4. Способ работы ЖРД, включающий подачу окислительного генераторного газа на турбину, отличающийся тем, что небольшой расход окислительного генераторного газа, полученный из части расхода окислителя, поступающего в двигатель, и небольшой расход восстановительного генераторного газа, полученного из части расхода горючего, поступающего в двигатель, направляют на соответствующие многоступенчатые высокоперепадные турбины, а затем подают в закритическую часть сопла, при этом восстановительный генераторный газ вводят в сопло в виде завесы в сечении или в сечениях, предшествующих сечению или сечениям ввода в сопло окислительного генераторного газа, с помощью которого организуют дожигание восстановительного генераторного газа, отработавшего на высокоперепадной турбине, и восстановительного пристеночного слоя газов, созданного выше по потоку в камере сгорания и сопле. 5. Способ по пп.1 - 4, отличающийся тем, что все горючее, кроме той его части, которую используют для проточного охлаждения стенок камеры сгорания и сопла и для получения окислительного генераторного газа, подают в восстановительный газогенератор и полученный восстановительный генераторный газ, за исклчючением той его части, которую используют для работы на высокоперепадной турбине, подают на низкоперепадную турбину, а затем подают в камеру сгорания, при этом часть расхода, необходимого для завесного охлаждения стенок камеры сгорания и района критического сечения сопла, подают через соответствующие пояса завесы, а остальную его часть подают через смесительную головку вместе с горючим, поступающим из тракта охлаждения. 6. Способ работы ЖРД, включающий подачу окислительного генераторного газа на турбину, отличающийся тем, что в районе сечения сопла, выбранном для осуществления отрыва газового потока от стенки, в газовый поток через один или несколько поясов вдува вводят необходимый для инициирования и регулирования отрыва окислительный генераторный газ, вдув которого по мере подъема ракеты регулируют по распределению расхода между поясами и суммарную расходу и полностью или почти полностью прекращают после подъема ракеты на высоту, на которой давление в донной области ракеты становится близким к расчетному давлению газов на срезе сопла.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к жидкостным ракетным двигателям. В современных маршевых ЖРД в кинетическую энергию потока продуктов сгорания топлива, т.е. с получением полезного эффекта - реактивной силы тяги, перерабатывается не более 60-70% химической энергии реактивных топлив. При этом превращение химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов сгорания в процессе смешения компонентов топлива, их горения и истечения продуктов горения в совершенных двигателях завершается практически на 99-99,5%. Таким образом, недоиспользованные 30-40% химической энергии топлива представляют собой в основном тепловую энергию выбрасываемой из двигателя струи продуктов сгорания, и для того, чтобы преобразовать существенную часть этой недоиспользуемой пока энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи необходимо существенно увеличить термический коэффициент полезного действия (КПД) ЖРД. На фиг. 1 приведена зависимость термического КПД (![способ работы жрд (варианты), патент № 2117813](/images/patents/354/2117163/951.gif)
![способ работы жрд (варианты), патент № 2117813](/images/patents/354/2117163/951.gif)
- американский двигатель F-1, работающий по открытой схеме на компонентах топлива O2+керосин, с вдувом в закритическую часть сопла отработавшего на высокоперепадной турбине восстановительного генераторного газа;
- французский двигатель Vulkan, работающий по открытой схеме на топливе H2+O2, с вдувом в закритическую часть сопла двух газов - отработавшего на высокоперепадных турбинах восстановительного генераторного газа и небольшого расхода водорода, использованного для проточного охлаждения трубчатой секции закритической части сопла;
- американский двигатель SSME, работающий по закрытой схеме на топливе H2+O2, с низкоперепадной турбиной в системе подачи топлива, приводимой в движение восстановительным генераторным газом, полученным из той части расхода горючего, которая не участвует в обеспечении проточного охлаждения стенок камеры сгорания и сопла;
- российский четырехкамерный двигатель РД-170, работающий на топливе O2+керосин, с низкоперепадной турбиной в системе подачи топлива, приводимой в движение окислительным генераторным газом, полученным из всего расхода окислителя, поступающего в двигатель. Для последнего из описываемых ниже вариантов предлагаемого способа сравнительно близким аналогом является неоднократно рассматриваемый в литературе способ отрыва потока газов от стенки в сопле с изломом контура в сечении, выбранном для инициирования отрыва газового потока от стенки сопла. Наиболее близким аналогом (прототипом) для описываемых ниже новых типов схем двигателей, реализующих варианты предлагаемого способа работы ЖРД, является двигатель РД-170, в котором в качестве рабочего тела турбины используется окислительный генераторный газ, а система охлаждения камеры сгорания и сопла основана на применении интенсивного завесного охлаждения, без которого невозможно создание высоконадежных и высокоэкономичных ЖРД высокого давления. Целью данного изобретения является разработка нового способа работы ЖРД (в вариантах), на основе которого могут быть созданы такие новые типы схем ЖРД, которые позволяли бы при использовании существующих материалов и освоенных технологических процессов производства достигать существенно более высоких значений давлений в камере сгорания и применять существенно более низкие значения давления на срезе сопла, чем значения этих параметров, применяемые в современных типах ЖРД, что, как отмечалось выше, является единственным способом дальнейшего развития ЖРД по пути существенного увеличения их термического КПД и удельного импульса. В описываемых ниже новых типах схем ЖРД используются положительные принципы работы указанных выше схем современных ЖРД и по возможности нивелируются их отрицательные черты и свойства. При этом от схемы ЖРД с замкнутой системой подачи топлива берется, прежде всего, принцип дожигания отработавшего на турбине генераторного газа, а также принцип применения низкоперепадных турбин, а от схемы ЖРД с открытой системой подачи топлива берется принцип использования в турбонасосной системе подачи топлива высокоперепадных турбин, на которых в качестве рабочего тела используется сравнительно небольшой расход генераторного газа, полученный из сравнительно небольшой части расхода топлива. Совмещение этих, вообще говоря, противоположных друг другу принципов становится возможным в рассматриваемых новых типах схем ЖРД благодаря использованию в турбонасосной системе подачи топлива в качестве одного из рабочих тел, а в некоторых случаях единственного рабочего тела окислительного генераторного газа, который весь или частично после работы на турбине подается в закритическую часть сопла, где используется для двух целей:
- во-первых, для дожигания в пристенной области сопла и восстановительного пристеночного слоя, создаваемого в камере сгорания и в сопле для их внутреннего, завесного охлаждения, и восстановительного генераторного газа, сбрасываемого в закритическую часть сопла после работы на высокоперепадных турбинах;
- во-вторых, для инициирования и регулирования отрыва газового потока в перерасширенной по отношению к давлению окружающей среды части сопла с целью уменьшения отрицательного тягового усилия на эту часть сопла, возникающего при безотрывном течении газового потока в сопле двигателя в период его работы в плотных слоях атмосферы. Конечно, дожигание в закритической части сопла происходит с существенно меньшим термическим КПД, чем дожигание генераторного газа в камере сгорания, но, как это видно из графика, приведенного на фиг.1, например, при реально еще вполне возможном падении давления за зоной основного тепловыделения в слое дожигания в 30-50 раз термический КПД для преобразования выделенной при таком дожигании тепловой энергии в кинетическую энергию может составлять до 60-70% от значения этого КПД в случае дожигания генераторного газа в камере сгорания с падением давления в газовой струе в 500-1000 раз. Эта несколько меньшая величина термического КПД дожигания для сравнительно небольшого расхода топлива, дожигаемого в закритической части сопла, по сравнению с гипотетическим дожиганием в камере сгорания, многократно окупается открывающейся при этом возможностью повышения удельного импульса, обусловленного весьма значительным, даже в рамках допустимых современными материалами и современными технологиями, повышением отношения давлений в камере сгорания и на срезе сопла с соответствующим повышением термического КПД для основной (до 90 -95%) части общего расхода топлива, сгорающего в двигателе. Кроме указанного повышения удельного импульса, связанного с повышением термического КПД для основной части расхода топлива, подача в закритическую часть сопла окислительного генераторного газа и дожигание в нем восстановительного пристеночного слоя газов, созданного выше по потоку в камере сгорания и в сопле, не только компенсирует сравнительно низкий удельный импульс этого пристеночного слоя, но и увеличивает общее соотношение компонентов в топливе и соответственно увеличивает среднюю плотность топлива, а следовательно, позволяет уменьшить вес баков ракеты. Увеличение соотношения компонентов в топливе происходит также и в связи с тем, что при увеличении давления в камере сгорания и степени падения давления газов в сопле, оптимальное в отношении удельного импульса значение соотношения компонентов в топливе приближается к его стехиометрическому значению. Необходимо отметить, что вторая из указанных выше функций окислительного генераторного газа, вдуваемого в закритическую часть сопла, заключающаяся в инициировании и регулировании отрыва газового потока в перерасширенной части сопла, может быть выполнена только при подаче в сопло через специальный пояс или пояса вдува именно окислительного генераторного газа. При использовании для этой цели восстановительного генераторного газа в зоне отрыва возникает область, как правило, неустойчивого горения с интенсивными пульсациями давления, способными в ряде случаев вызвать разрушение сопла. Предлагаемые варианты способа работы ЖРД поясняются представленными на фиг. 1-10 графиками и принципиальными схемами соответствующих им типов ЖРД. На фиг. 1 приведены в зависимости от отношения давлений в камере сгорания (Pk) и на срезе сопла (Pa) значения величины термического КПД
![способ работы жрд (варианты), патент № 2117813](/images/patents/354/2117813/2117813-2t.gif)
и относительной величины скорости истечения
![способ работы жрд (варианты), патент № 2117813](/images/patents/354/2117813/2117813-3t.gif)
где
Wmax - скорость истечения, отвечающая значению
![способ работы жрд (варианты), патент № 2117813](/images/patents/354/2117813/2117813-4t.gif)
![способ работы жрд (варианты), патент № 2117813](/images/patents/354/2117813/2117813-5t.gif)
![способ работы жрд (варианты), патент № 2117813](/images/patents/354/2117813/2117813-6t.gif)
![способ работы жрд (варианты), патент № 2117813](/images/patents/354/2117163/951.gif)
![способ работы жрд (варианты), патент № 2117813](/images/patents/354/2117813/2117813-7t.gif)
Класс F02K9/82 посредством впрыска вторичной жидкой или газообразной среды в газообразные продукты истечения ракетного двигателя