RU2451202C1 - Method of augmenting liquid-propellant rocket engine thrust and liquid-propellant rocket engine - Google Patents
Method of augmenting liquid-propellant rocket engine thrust and liquid-propellant rocket engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2451202C1 RU2451202C1 RU2011116795/06A RU2011116795A RU2451202C1 RU 2451202 C1 RU2451202 C1 RU 2451202C1 RU 2011116795/06 A RU2011116795/06 A RU 2011116795/06A RU 2011116795 A RU2011116795 A RU 2011116795A RU 2451202 C1 RU2451202 C1 RU 2451202C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- turbine
- rocket engine
- combustion chamber
- fuel
- liquid
- Prior art date
Links
Landscapes
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области ракетного двигателестроения, ориентированного на космические транспортные системы.The present invention relates to the field of rocket propulsion, focused on space transport systems.
Одним из требований, предъявляемых к жидкостному ракетному двигателю (ЖРД), является требование по обеспечению возможности управления величиной тяги в процессе полета ракеты, в том числе, в сторону ее увеличения (т.е. форсирования). Реализация процесса изменения тяги ЖРД происходит через изменение расхода топлива через камеру сгорания, которое, в свою очередь, достигается изменением давления подачи топлива. Последнее достигается для ЖРД, оснащенных турбонасосной системой подачи топлива, посредством изменения частоты вращения ротора турбонасосного агрегата (ТНА) за счет изменения мощности турбины.One of the requirements for a liquid propellant rocket engine (LRE) is the requirement to provide the ability to control the magnitude of the thrust during the flight of the rocket, including upward (i.e., forcing). The process of changing the thrust of the rocket engine takes place through a change in fuel consumption through the combustion chamber, which, in turn, is achieved by changing the pressure of the fuel supply. The latter is achieved for liquid propellant engines equipped with a turbopump fuel supply system by changing the rotor speed of the turbopump assembly (TNA) by changing the turbine power.
Известны два способа изменения мощности турбины ТНА при регулировании тяги ЖРД: путем изменения температуры газа перед турбиной и путем изменения массового расхода газа.There are two known methods for changing the power of a TNA turbine when regulating the thrust of a rocket engine: by changing the temperature of the gas in front of the turbine and by changing the mass flow of gas.
По первому способу обычно управляются двигатели, имеющие в своем составе двухкомпонентный газогенератор для выработки рабочего тела турбины (см. схему в книге Т.М.Мелькумова и др. «Ракетные двигатели», М.: «Машиностроение», 1968, стр.11, рис.1.5), а по второй схеме - двигатели, у которых рабочее тело турбины вырабатывается путем испарения и нагрева одного из компонентов ракетного топлива в охлаждающем тракте (рубашке) камеры сгорания (см. схему американского ЖРД РЛ-10 (RL-10), энциклопедия «Космонавтика», М.: «Советская энциклопедия», 1985, стр.337 - прототип).According to the first method, engines are usually controlled, which include a two-component gas generator to generate a turbine working fluid (see the scheme in the book of T. M. Melkumov et al. "Rocket Engines", M .: "Mechanical Engineering", 1968, p. 11, Fig. 1.5), and according to the second scheme - engines in which the turbine working body is produced by evaporation and heating of one of the components of rocket fuel in the cooling path (jacket) of the combustion chamber (see the diagram of the American rocket engine RL-10 (RL-10), Encyclopedia "Cosmonautics", M .: "Soviet Encyclopedia", 1985, p. 337 - prototypes P).
Предлагаемый новый способ форсирования ЖРД по тяге применим к ЖРД, у которых рабочее тело турбины (или одной из турбин, например, ЖРД по патенту РФ №2352804 - прототип) вырабатывается путем испарения одного из компонентов ракетного топлива. Особенностью ЖРД, принятого за прототип, является то, что температура паров испарившегося в рубашке камеры сгорания компонента топлива, формируемая детерминированной величиной теплосъема (при фиксированном сочетании площади теплоотдающей поверхности и массового расхода компонента топлива через охлаждающий тракт), невелика (450-500К). Эта температура значительно ниже допустимого уровня по условию обеспечения работоспособности турбины (до 1200К) и, что существенно, не поддается изменению в процессе работы двигателя простыми средствами регулирования. В силу сказанного расходный способ регулирования мощности такой турбины (посредством регулирования перепуска части газа мимо турбины) является вынужденным и, практически, единственным доступным способом. Отсюда вытекают и недостатки этого способа: снижение номинальной мощности турбины (пропорционально доле перепускаемого мимо турбины газа) и невозможность реализации высокого уровня форсирования в случаеThe proposed new method of forcing thrust rocket engines is applicable to rocket engines in which the working fluid of a turbine (or one of the turbines, for example, a rocket engine according to RF patent No. 2352804 is a prototype) is produced by evaporation of one of the components of rocket fuel. A feature of the liquid propellant rocket engine adopted for the prototype is that the temperature of the vapor of the fuel component vaporized in the jacket of the combustion chamber formed by the deterministic heat removal value (for a fixed combination of the heat-transfer surface area and the mass flow rate of the fuel component through the cooling path) is low (450-500K). This temperature is much lower than the permissible level under the condition of ensuring the turbine operability (up to 1200K) and, which is essential, can not be changed during operation of the engine by simple means of regulation. In view of the foregoing, the expenditure method for regulating the power of such a turbine (by regulating the bypass of a part of the gas past the turbine) is a forced and practically the only available method. Hence the disadvantages of this method: a decrease in the nominal power of the turbine (in proportion to the proportion of gas bypassed by the turbine) and the inability to realize a high level of forcing in the case of
возникновения аварийной ситуации при старте или полете ракеты (например, при отказе одного двигателя в четырехдвигательной установке при старте ракеты для экстренного увода последней от стартовых сооружений необходимо форсирование каждого из оставшихся трех двигателей до уровня 133% номинальной тяги).an emergency situation during the launch or flight of a rocket (for example, if one engine fails in a four-engine installation when a rocket starts, in order to urgently withdraw the last from the launch facilities, it is necessary to force each of the remaining three engines to the level of 133% of the nominal thrust).
Целью данного изобретения является существенное расширение диапазона форсирования по тяге жидкостного ракетного двигателя при одновременном увеличении номинальной мощности турбины.The aim of the present invention is to significantly expand the thrust boosting range of a liquid propellant rocket engine while increasing the turbine's rated power.
Данная цель достигается тем, что способ форсирования по тяге жидкостного ракетного двигателя, содержащего газовую турбину, приводимую в действие паром одного из компонентов топлива, образованным в охлаждающем тракте камеры сгорания, основанный на увеличении температуры газа перед турбиной, согласно изобретению в поток пара перед подачей его на турбину впрыскивают дозированное количество другого компонента топлива и поджигают образовавшуюся топливную смесь.This goal is achieved in that a thrust-boosting method for a liquid propellant rocket engine containing a gas turbine driven by steam of one of the fuel components formed in the cooling path of the combustion chamber, based on increasing the temperature of the gas in front of the turbine, according to the invention, into the steam stream before feeding it a metered amount of another fuel component is injected onto the turbine and the resulting fuel mixture is ignited.
При этом становится возможным исключить на номинальном режиме работы двигателя паразитный перепуск части газа мимо турбины, а также существенно расширить диапазон форсирования за счет увеличения верхней границы температуры газа перед турбиной - до 1200К вместо (450-500)К. Последнее преимущество реализуется и для двигателей, у которых имеется две турбины, одна из которых питается газом, вырабатываемым двухкомпонентным газогенератором, а другая - паром одного из компонентов топлива (например, ЖРД по патенту №2352804).At the same time, it becomes possible to eliminate the parasitic bypass of a part of the gas past the turbine in the nominal engine operating mode, and also significantly expand the boosting range by increasing the upper limit of the gas temperature in front of the turbine to 1200K instead of (450-500) K. The latter advantage is also realized for engines that have two turbines, one of which is fed with gas produced by a two-component gas generator, and the other with steam from one of the fuel components (for example, the LRE according to patent No. 2352804).
Данный способ особенно легко и эффективно может быть реализован в жидкостном ракетном двигателе, содержащем камеру сгорания с трактом охлаждения и форсуночной головкой, насос горючего, насос окислителя и турбину, сообщенную входом с охлаждаемым трактом камеры сгорания, при этом в трубопровод, соединяющий тракт охлаждения камеры и турбину, вмонтировано устройство, содержащее диффузор и форсунку. Устройство содержит воспламенитель и стабилизатор пламени, у которого в соответствии с принципиальной схемой имеется возможность отбора и впрыска второго компонента без необходимости применения дополнительного насоса для повышения напора впрыскиваемого компонента (например, на двигателе по патенту №2352804). Суть предлагаемого способа и его реализации на двигателе иллюстрируется схемой на фиг.1, где приняты следующие обозначения:This method is particularly easy and effective can be implemented in a liquid-propellant rocket engine containing a combustion chamber with a cooling path and a nozzle head, a fuel pump, an oxidizer pump and a turbine communicated by an inlet with a cooled path of the combustion chamber, while in a pipeline connecting the cooling path of the chamber and a turbine, a device comprising a diffuser and a nozzle is mounted. The device contains an igniter and a flame stabilizer, in which, in accordance with the circuit diagram, it is possible to select and inject the second component without the need for an additional pump to increase the pressure of the injected component (for example, on the engine according to patent No. 2352804). The essence of the proposed method and its implementation on the engine is illustrated by the diagram in figure 1, where the following notation:
1 - магистраль подвода окислителя;1 - oxidizer supply line;
2 - магистраль подвода горючего;2 - fuel supply line;
3 - насос окислителя;3 - oxidizer pump;
4 - насос горючего;4 - fuel pump;
5 - турбина окислительная;5 - oxidizing turbine;
6 - турбина восстановительная;6 - recovery turbine;
7 - газогенератор окислительный;7 - oxidizing gas generator;
8 - регулятор расхода горючего в газогенератор;8 - regulator of fuel consumption in the gas generator;
9 - дроссель горючего;9 - a fuel throttle;
10 - камера сгорания;10 - combustion chamber;
11 - трубопровод подачи пара горючего на восстановительную турбину;11 - a pipeline for supplying fuel vapor to a recovery turbine;
12 - диффузор;12 - diffuser;
13 - форсунка (распылитель);13 - nozzle (sprayer);
14 - стабилизатор пламени;14 - flame stabilizer;
15 - воспламенитель;15 - igniter;
16 - трубопровод отбора окислительного газа для впрыска в поток пара горючего;16 - pipeline for the selection of oxidizing gas for injection into the stream of fuel vapor;
17 - клапан пуско-отсечной.17 - start-up valve.
Работа двигателя с использованием предлагаемого способа форсирования происходит следующим образом.The engine using the proposed method of forcing is as follows.
После запуска двигатель работает на основном режиме и может регулироваться по соотношению компонентов с помощью дросселя 9, а также по тяге в небольшом диапазоне с помощью регулятора расхода 8 путем изменения соотношения компонентов в газогенераторе 7, которое, в свою очередь, изменяет температуру газа, подаваемого на окислительную турбину 5. Поскольку турбина 5 работает на газе с большим содержанием свободного кислорода, существует, исходя из опасности возгорания элементов конструкции турбины и трубопроводов, ограничение по максимальной температуре газа (обычно на уровне 850-900К). В связи с этим диапазон возможного форсирования двигателя с помощью регулятора 8 ограничен указанной температурой. При форсировании тяги до предельно высокого уровня открывается клапан 17, и окислительный газ по трубопроводу 16 поступает в устройство (форсажную камеру), установленное в трубопроводе 11, где, распыляясь в диффузоре 12 с помощью форсунки 13, смешивается с парами горючего, образуя топливную смесь, которая самовоспламеняется либо принудительно поджигается с помощью воспламенителя 15. Пламя стабилизируется с помощью стабилизатора пламени 14. Производительность форсунки 13 настраивается на определенный расход окислительного газа, исходя из необходимости получения нужного приращения мощности турбины 6 при форсировании. При необходимости прекращения форсирования отсекают подачу компонента через трубопровод 16 закрытием клапана 17. Двигатель возвращается на исходный режим работы.After starting, the engine operates in the main mode and can be adjusted by the ratio of components using the throttle 9, as well as by thrust in a small range using the flow regulator 8 by changing the ratio of components in the gas generator 7, which, in turn, changes the temperature of the gas supplied to oxidizing turbine 5. Since turbine 5 runs on gas with a high content of free oxygen, there is a limit on the maximum the gas temperature (typically at 850-900K level). In this regard, the range of possible engine boosting with the help of controller 8 is limited by the indicated temperature. When the thrust is forced to an extremely high level, the valve 17 opens, and the oxidizing gas passes through the pipe 16 to the device (afterburner) installed in the pipe 11, where, being sprayed in the diffuser 12 using the nozzle 13, it is mixed with fuel vapor, forming a fuel mixture, which spontaneously ignites or is forced to be ignited by means of an igniter 15. The flame is stabilized by a flame stabilizer 14. The productivity of the nozzle 13 is adjusted to a certain flow rate of oxidizing gas, based on the required It is necessary to obtain the required power increase of the turbine 6 during forcing. If it is necessary to stop forcing, the component supply is cut off through the pipeline 16 by closing the valve 17. The engine returns to the initial operation mode.
При необходимости использования жидкого окислителя для реализации данного способа форсирования трубопровод 16 вместо подключения к выходному патрубку газогенератора 7 подключают к трубопроводу после насоса окислителя 3. Таким образом, относительно простыми конструктивными средствами по-новому решается задача форсирования тяги ЖРД с приобретением положительного эффекта - существенного расширения диапазона возможного форсирования по отношению к прототипу при одновременном увеличении номинальной мощности турбин. Использование данного изобретения позволит повысить безопасность ракет-носителей на старте и в полете за счет реализации идеологии горячего резервирования тяги многоблочной двигательной установки (эта идеология предполагает высокий уровень форсирования исправно работающих двигателей при отказе одного или нескольких двигателей).If it is necessary to use a liquid oxidizer to implement this method of forcing, the pipeline 16, instead of connecting to the outlet pipe of the gas generator 7, is connected to the pipeline after the oxidizer pump 3. Thus, the relatively simple structural means solve the problem of boosting the thrust of the rocket engine with a positive effect - a significant expansion of the range possible boost in relation to the prototype while increasing the rated power of the turbines. The use of this invention will improve the safety of launch vehicles at launch and in flight due to the implementation of the ideology of hot standby thrust of a multi-unit propulsion system (this ideology assumes a high level of forcing of properly functioning engines in case of failure of one or more engines).
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011116795/06A RU2451202C1 (en) | 2011-04-27 | 2011-04-27 | Method of augmenting liquid-propellant rocket engine thrust and liquid-propellant rocket engine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011116795/06A RU2451202C1 (en) | 2011-04-27 | 2011-04-27 | Method of augmenting liquid-propellant rocket engine thrust and liquid-propellant rocket engine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2451202C1 true RU2451202C1 (en) | 2012-05-20 |
Family
ID=46230806
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011116795/06A RU2451202C1 (en) | 2011-04-27 | 2011-04-27 | Method of augmenting liquid-propellant rocket engine thrust and liquid-propellant rocket engine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2451202C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2532454C1 (en) * | 2013-07-26 | 2014-11-10 | Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" | Method of liquid propellant rocket engine boosting by thrust and liquid propellant rocket engine |
RU2789943C1 (en) * | 2022-06-21 | 2023-02-14 | Владимир Федорович Петрищев | Liquid rocket engine with accessor |
CN117823297A (en) * | 2023-03-27 | 2024-04-05 | 海南太空科技有限公司 | Liquid rocket ignition method |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2524938A1 (en) * | 1982-04-08 | 1983-10-14 | Centre Nat Etd Spatiales | METHOD FOR REGULATING THE MIXING RATIO OF PROPERGOLS FOR A LIQUID PROPERGOLS ENGINE BY MEASURING FLOW RATES AND REGULATORS FOR ITS IMPLEMENTATION |
DE3328117A1 (en) * | 1983-08-04 | 1985-02-14 | Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, 8012 Ottobrunn | Method for the operation of a bypass flow rocket engine |
US4998410A (en) * | 1989-09-05 | 1991-03-12 | Rockwell International Corporation | Hybrid staged combustion-expander topping cycle engine |
RU37774U1 (en) * | 2002-11-14 | 2004-05-10 | Бахмутов Аркадий Алексеевич | LIQUID ROCKET ENGINE WITH TURBO PUMP SUPPLY OF TWO-COMPONENT OXYGEN-HYDROCARBON FUEL |
RU2282046C2 (en) * | 2003-06-11 | 2006-08-20 | ОАО "НПО Энергомаш им. акад. В.П. Глушко" | Methods to adjust and control parameters of articles, particularly, liquid-propellant rocket engine |
RU2352804C1 (en) * | 2007-12-06 | 2009-04-20 | Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" | Liquid propellant jet engine |
-
2011
- 2011-04-27 RU RU2011116795/06A patent/RU2451202C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2524938A1 (en) * | 1982-04-08 | 1983-10-14 | Centre Nat Etd Spatiales | METHOD FOR REGULATING THE MIXING RATIO OF PROPERGOLS FOR A LIQUID PROPERGOLS ENGINE BY MEASURING FLOW RATES AND REGULATORS FOR ITS IMPLEMENTATION |
DE3328117A1 (en) * | 1983-08-04 | 1985-02-14 | Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, 8012 Ottobrunn | Method for the operation of a bypass flow rocket engine |
US4998410A (en) * | 1989-09-05 | 1991-03-12 | Rockwell International Corporation | Hybrid staged combustion-expander topping cycle engine |
RU37774U1 (en) * | 2002-11-14 | 2004-05-10 | Бахмутов Аркадий Алексеевич | LIQUID ROCKET ENGINE WITH TURBO PUMP SUPPLY OF TWO-COMPONENT OXYGEN-HYDROCARBON FUEL |
RU2282046C2 (en) * | 2003-06-11 | 2006-08-20 | ОАО "НПО Энергомаш им. акад. В.П. Глушко" | Methods to adjust and control parameters of articles, particularly, liquid-propellant rocket engine |
RU2352804C1 (en) * | 2007-12-06 | 2009-04-20 | Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" | Liquid propellant jet engine |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ЖРД РЛ-10 (-10), Энциклопедия «Космонавтика». - М.: Советская энциклопедия, 1985, с.337. * |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2532454C1 (en) * | 2013-07-26 | 2014-11-10 | Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" | Method of liquid propellant rocket engine boosting by thrust and liquid propellant rocket engine |
RU2789943C1 (en) * | 2022-06-21 | 2023-02-14 | Владимир Федорович Петрищев | Liquid rocket engine with accessor |
CN117823297A (en) * | 2023-03-27 | 2024-04-05 | 海南太空科技有限公司 | Liquid rocket ignition method |
RU2813564C1 (en) * | 2023-07-31 | 2024-02-13 | Владимир Федорович Петрищев | Method of operation of liquid-propellant engine with afterburner |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2158839C2 (en) | Liquid-propellant rocket reheat engine | |
JP4531015B2 (en) | Booster rocket engine using gaseous hydrocarbons in catalytic cracking gas generator cycle | |
US3597923A (en) | Rocket propulsion system | |
US9523311B2 (en) | Method of operating a gas turbine, and gas turbine with water injection | |
EP3447274B1 (en) | Electric power-assisted liquid-propellant rocket propulsion system | |
JP2007205353A (en) | Device and method for starting ramjet/scramjet engine | |
JP2016500789A (en) | Method and apparatus for supplying rocket engine | |
US11131461B2 (en) | Effervescent atomizing structure and method of operation for rotating detonation propulsion system | |
RU2451202C1 (en) | Method of augmenting liquid-propellant rocket engine thrust and liquid-propellant rocket engine | |
RU2302547C1 (en) | Liquid-propellant rocket engine | |
US2992527A (en) | Reaction motor power plant with auxiliary power producing means | |
RU2300657C1 (en) | Liquid-propellant rocket engine | |
RU2065068C1 (en) | Experimental liquid-propellant reheat engine | |
US2929201A (en) | Turbo jet engines as regards reheat | |
WO2016039993A1 (en) | Liquid propellant rocket engine with afterburner combustor | |
RU2728931C1 (en) | Method of bench joint tests of continuous-detonation afterburner integrated into turbojet engine circuit | |
RU2386845C2 (en) | Method to operate oxygen-kerosine liquid-propellant rocket engines and fuel composition therefor | |
Martin et al. | Preliminary Performance Data of an 18kN Ablatively Cooled, Blowdown Liquid Rocket Engine. | |
RU2095608C1 (en) | Liquid-propellant rocket engine | |
RU2532454C1 (en) | Method of liquid propellant rocket engine boosting by thrust and liquid propellant rocket engine | |
RU2287076C1 (en) | Engine plant of hypersonic craft | |
RU2381152C1 (en) | Multi-stage carrier rocket with nuclear rocket engines | |
RU2495273C1 (en) | Liquid propellant rocket engine | |
RU2789943C1 (en) | Liquid rocket engine with accessor | |
RU158449U1 (en) | LIQUID ROCKET ENGINE WITHOUT BURNING THE GENERAL GAS |