Устройство подачи компонентов топлива для жидкостного ракетного двигателя с глубоким дросселированием

Авторы патента:

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к высокооборотным шнекоцентробежным насосам, преимущественно к насосам, к которым предъявляются высокие требования по обеспечению антикавитационных свойств (характеристик) в широком диапазоне регулирования, например к насосам турбонасосных агрегатов дросселируемых жидкостных ракетных двигателей.

Устройство подачи компонентов топлива в жидкостный ракетный двигатель, содержащее турбонасосный агрегат, включающий в себя турбину и насосы, а также установленные на входе в каждый насос, бустерные насосные агрегаты, привод каждого из которых осуществляется парциальной турбиной, газовой или гидравлической, имеющей сопловой аппарат с входным коллектором, при этом вход в каждую турбину гидравлически соединен либо с выходом одного из насосов в случае гидротурбины, либо с газовым трактом, расположенным за турбиной турбонасосного агрегата, в случае газовой турбины, при этом в турбине каждого бустерного насоса установлен дополнительный сопловой аппарат со своим входным коллектором, который трубопроводом с установленным в нем регулирующим устройством гидравлически соединен либо непосредственно с источником рабочего тела, либо с трубопроводом, через который осуществляется гидравлическое соединение входного коллектора основной турбины с источником рабочего тела.

Кроме того, в качестве регулирующих устройств могут быть применены многопозиционный клапан или регулятор давления.

Область техники

Предшествующий уровень техники

В технике известна насосная система подачи компонентов топлива (далее «система подачи») в жидкостный ракетный двигатель (ЖРД), в которой бессрывная работа высокооборотных шнекоцентробежных насосов турбонасосного агрегата (ТНА) обеспечивается с помощью различных вспомогательных (бустерных) насосов, обладающих высокими антикавитационными качествами и установленными перед входом в основные насосы. Бустерные насосы поддерживают давления на входе в основные насосы ТНА, на уровне необходимом для бессрывной работы (см. например Овсянников Б.В., Боровский Б.И. «Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей». - 3-е изд., перераб. и доп. М. Машиностроение, 1986 г. Стр.211-212). Указанную систему принимаем за аналог предлагаемого изобретения.

Недостатком аналога является то, что для упомянутых бустерных насосов не предусматривается регулирование режима их работы, следовательно, напор бустерных насосов необходимо будет определять применительно к режиму работы двигателя, при котором для обеспечения работы насосов потребуется максимальное входное давление. Таким образом, при изменении режима работы двигателя, прежде всего при его дросселировании, напор, развиваемый бустерными насосами, может оказаться не оптимальным для обеспечения работы основных насосов, что приводит к излишним затратам мощности.

В технике известна также насосная система подачи компонентов топлива в жидкостный ракетный двигатель (ЖРД), в которой бессрывная работа высокооборотных шнекоцентробежных насосов турбонасосного агрегата (ТНА) обеспечиваются с помощью вспомогательных (бустерных) насосов, обладающих высокими антикавитационными качествами и установленными перед входом в основные насосы. В качестве бустерных насосов используются лопаточные насосы с приводом от турбин, гидравлических или газовых, встроенных непосредственно в конструкцию бустерных насосов, При этом рабочее тело для турбин отбирается из магистралей двигателя. В случае применения гидравлической турбины, отбор осуществляется с выхода насоса, на входе в который установлен бустерный насос, а в случае применения газовой турбины - из газового тракта, расположенного за турбиной ТНА. При этом параметры рабочего тела турбин, приводящих бустерные насосы, напрямую зависят только от режима работы двигателя, поскольку характеристики (зависимость гидравлического сопротивления от расхода) трубопроводов, по которым на турбины подаются рабочие тела, являются постоянными.

Указанную систему подачи, изображенную на схеме двигателя РД180 (см. «Двигатели 1944-2000: - авиационные, ракетные, морские, промышленные». М. «АКС-Конверсалт», 2000 г., стр.270) принимаем за прототип предлагаемого изобретения.

Недостатком прототипа является то, что изменение параметров рабочих тел, используемых для работы турбин, связанное с изменением режима работы двигателя, приводит к изменению напора, развиваемого бустерными насосами. Так во время дросселировании двигателя уменьшается давление на входе в турбины, приводящие бустерные насосы, а для газовой турбины уменьшается еще и температура. В результате падает частота вращения бустерных насосов и их напор. На режимах же глубокого дросселирования двигателя, падение напора бустерных насосов может оказаться таким, что приведет к снижению давления на входе в насосы до уровня недостаточного для их бессрывной работы, что в свою очередь может привести к падению напора основных насосов до уровня, недопустимого для нормальной работы турбонасосного агрегата в составе двигателя. При этом постоянство характеристик трубопроводов не позволяет скомпенсировать падение напора за счет увеличения мощности турбин, приводящих бустерные насосы.

Раскрытие полезной модели

Техническая задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в обеспечении бессрывной или бескавитационной работы насосов турбонасосного агрегата, входящего в состав системы подачи, при работе на режимах глубокого дросселирования.

Это достигается тем, что в устройстве подачи компонентов топлива в жидкостный ракетный двигатель, содержащем турбонасосный агрегат, включающий в себя турбину и насосы, а также установленные на входе в каждый насос, бустерные насосные агрегаты, привод каждого из которых осуществляется парциальной турбиной, газовой или гидравлической, имеющей сопловой аппарат с входным коллектором, при этом вход в каждую турбину гидравлически соединен либо с выходом одного из насосов в случае гидротурбины, либо с газовым трактом, расположенным за турбиной турбонасосного агрегата, в случае газовой турбины, при этом в турбине каждого бустерного насоса установлен дополнительный сопловой аппарат со своим входным коллектором, который трубопроводом с установленным в нем регулирующим устройством гидравлически соединен либо непосредственно с источником рабочего тела, либо с трубопроводом, через который осуществляется гидравлическое соединение входного коллектора основной турбины с источником рабочего тела.

Кроме того, в качестве регулирующего устройства может быть применен многопозиционный клапан или регулятор давления.

Полученный технический результат заключается в обеспечении бессрывной или бескавитационной работы насосов турбонасосного агрегата на режимах глубокого дросселирования с помощью дополнительного повышения давления на входе в насосы, при уменьшении режима работы двигателя ниже заданного уровня, за счет форсирования бустерных насосов.

В принципе, возможен и другой вариант решения задачи, более простой технологически, поскольку не требует введения дополнительных элементов в конструкцию турбины, но с существенно меньшим диапазоном регулирования, заключается в том, что в трубопроводах, через которые осуществляется гидравлическое соединение входных коллекторов турбин с источниками рабочего тела, установлены регулирующие устройства, обеспечивающие при дросселировании двигателя ниже определенного режима изменение (уменьшение) сопротивления трубопроводов, а при обратном форсировании двигателя выше того же предела, восстановление прежнего уровня сопротивления. Уменьшение сопротивления трубопроводов приводит к повышению давления рабочего тела на входе в турбины, увеличению частоты вращения и повышению напора бустерных насосов. Изменение сопротивления трубопроводов может быть как непрерывным, так и ступенчатым, а регулирующие устройства будут представлять собой, соответственно, либо регуляторы давления, либо многопозиционные клапаны.

Краткое описание чертежей.

На фиг.1 представлено устройство насосной системы подачи с дополнительными сопловыми аппаратами в турбинах бустерных насосов, гидравлически соединенными с трубопроводами подвода рабочего тела на основные турбины бустерных насосов через регулирующие устройства.

На фиг.2 представлена схема насосной системы подачи с регулируемым сопротивлением трубопроводов, подающих рабочие тела во входные коллекторы турбин бустерных насосов.

Пример реализации полезной модели

Устройство подачи по фиг.1, содержащее турбонасосный агрегат 1, включающий в себя турбину 2 и насосы 3 и 4, а также установленные перед насосами бустерные насосы 5 и 6, привод каждого из которых осуществляется турбиной, газовой 7 или гидравлической 8, каждая из которых имеет сопловой аппарат 9 или 10 с входным коллектором 11 или 12. Входные коллекторы 11 и 12 гидравлически соединены трубопроводами 13 и 14 с источниками рабочего тела. При этом отбор рабочего тела для газовой турбины 7 осуществляется по трубопроводу 13 из газового тракта 15, расположенного за турбиной 2 турбонасосного агрегата 1, а для гидротурбины 8 - по трубопроводу 14 с выхода насоса 4, перед которым установлен бустерный насос 6.

В турбинах 7 и 8 установлены дополнительные сопловые аппараты 16 и 17, с входными коллекторами 18 и 19, которые трубопроводами 20 и 21 с установленными в них регулирующими устройствами 22 и 23 гидравлически соединены либо непосредственно с источником рабочего тела турбины, либо с трубопроводом 13 или 14, через который осуществляется гидравлическое соединение входных коллекторов 11 и 12 турбин 7 и 8 с источником рабочего тела.

При дросселировании двигателя ниже заданного режима регулирующие устройства 22 и 23 срабатывают, подключая трубопроводы 20 и 21 к источникам рабочего тела, обеспечивая тем самым подачу рабочего тела во входные коллекторы 18 и 19 дополнительных сопловых аппаратов 16 и 17, что приводит к увеличению мощности турбин, форсированию бустерных насосов, увеличению их напора и повышению давления на входе в основные насосы. При обратном форсировании двигателя выше того же предела, регулирующие устройства 22 и 23 отключают трубопроводы 20 и 21 и, соответственно дополнительные сопловые аппараты 16 и 17 от источников рабочего тела.

Устройство подачи по фиг.2, содержащее турбонасосный агрегат 1, включающий в себя турбину 2 и насосы 3 и 4, а также установленные перед насосами бустерные насосы 5 и 6, привод каждого из которых осуществляется турбиной, газовой 7 или гидравлической 8, каждая из которых имеет сопловой аппарат 9 или 10 с входным коллектором 11 или 12. Входные коллекторы 11 и 12 гидравлически соединены трубопроводами 13 и 14 с источниками рабочего тела. При этом отбор рабочего тела для газовой турбины 7 осуществляется по трубопроводу 13 из газового тракта 15, расположенного за турбиной 2 турбонасосного агрегата 1, а для гидротурбины 8 - по трубопроводу 14 с выхода насоса 4, перед которым установлен бустерный насос 6.

В трубопроводах 13 и 14 установлены регулирующие устройства 24 и 25, которые при дросселировании двигателя ниже заданного режима изменяют (уменьшают) сопротивления трубопроводов 13 и 14, тем самым снижая потери в трубопроводах, что в свою очередь приводит к некоторому повышению давления во входных коллекторах 11 и 12 т.е. на входе в сопловые аппараты, форсированию бустерных насосов, увеличению их напора и повышению давления на входе в основные насосы. При обратном форсировании двигателя выше того же предела, регулирующие устройства 24 и 25 восстанавливают прежний уровень сопротивления трубопроводов 13 и 14. Изменение сопротивления трубопроводов 13 и 14 может быть как непрерывным, так и ступенчатым, а регулирующие устройства 24 и 25 будут представлять собой, соответственно, либо регуляторы давления, либо многопозиционные клапаны.

Работа устройства.

В варианте, изображенном на фиг.1, при дросселировании двигателя ниже режима, на котором напор, создаваемый бустерными насосами 5 и 6, становится недостаточным для обеспечения бескавитационной работы насосов 3 и 4 или величина падения напора насосов 3 и 4 в результате кавитации становится неприемлемой для работы турбонасосного агрегата в составе двигателя, регулирующие устройства 22 и 23 срабатывают, подключая трубопроводы 20 и 21 к источникам рабочего тела, обеспечивая тем самым подачу рабочего тела во входные коллекторы 18 и 19 дополнительных сопловых аппаратов 16 и 17, что приводит к увеличению мощности турбин, форсированию бустерных насосов, увеличению их напора и повышению давления на входе в основные насосы. При обратном форсировании двигателя выше того же предела, регулирующие устройства 22 и 23 отключают трубопроводы 20 и 21 и, соответственно дополнительные сопловые аппараты 15 и 16 от источников рабочего тела.

В варианте, изображенном на фиг.2, при дросселировании двигателя ниже режима, на котором напор, создаваемый бустерными насосами, становится недостаточным для обеспечения бескавитационной работы насосов 3 и 4 или величина падения напора насосов 3 и 4 в результате кавитации становится неприемлемой для работы турбонасосного агрегата в составе двигателя, регулирующие устройства 24 и 25 срабатывают и изменяют (уменьшают) сопротивления трубопроводов 13 и 14, тем самым снижая потери в трубопроводах, что в свою очередь приводит к некоторому повышению давления во входных коллекторах 11 и 12 т.е. на входе в сопловые аппараты, форсированию бустерных насосов, увеличению их напора и повышению давления на входе в основные насосы. При обратном форсировании двигателя выше того же предела, регулирующие устройства 24 и 25 восстанавливают прежний уровень сопротивления трубопроводов 13 и 14. Изменение сопротивления трубопроводов 13 и 14 может быть как непрерывным, так и ступенчатым, а регулирующие устройства 24 и 25 будут представлять собой, соответственно, либо регуляторы давления, либо многопозиционные клапаны.

Режим, ниже которого регулирующие устройства включаются в работу, а также необходимая величина форсирования бустерных насосов определяются расчетным путем на этапе проектирования и подтверждаются в ходе экспериментальной отработке двигателя.

Время выдачи команды на включение регулирующих устройств определяется либо по моменту достижения заранее рассчитанного режима, либо по показаниям датчиков, измеряющих параметры компонента на входе в насос.

Промышленная применимость

Полезная модель может использоваться в системах подачи компонентов жидкостных ракетных двигателей, предназначенных для работы в широком диапазоне регулирования, прежде всего с глубоким дросселированием и имеющих в своем составе бустерные насосы, привод которых обеспечивается турбинами, работающими на рабочих телах, отбираемых из магистралей двигателя, а также при использовании компонентов, не допускающих работу основных насосов на режимах с кавитацией, например при работе на жидкостях с большим количеством растворенных газов.

1. Устройство подачи компонентов топлива в жидкостный ракетный двигатель, содержащее турбонасосный агрегат, включающий в себя турбину и насосы, а также установленные на входе в каждый насос, бустерные насосные агрегаты, привод каждого из которых осуществляется парциальной турбиной, газовой или гидравлической, имеющей сопловой аппарат с входным коллектором, при этом вход в каждую турбину гидравлически соединен либо с выходом одного из насосов в случае гидротурбины, либо с газовым трактом, расположенным за турбиной турбонасосного агрегата, в случае газовой турбины, отличающееся тем, что в турбине каждого бустерного насоса установлен дополнительный сопловой аппарат со своим входным коллектором, который трубопроводом с установленным в нем регулирующим устройством гидравлически соединен либо непосредственно с источником рабочего тела, либо с трубопроводом, через который осуществляется гидравлическое соединение входного коллектора основной турбины с источником рабочего тела.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве регулирующего устройства установлен многопозиционный клапан.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве регулирующего устройства установлен регулятор давления.