СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКОМ С СЕТЬЮ ПАРАЛЛЕЛЬНО СОЕДИНЕННЫХ ТОПЛИВНЫХ КАНАЛОВ
FLOW CONTROL SYSTEM WITH A NETWORK OF PARALLEL CONNECTED FUEL CHANNELS

Уровень техники
Жидкостные реактивные ракетные двигатели могут содержать исполнительное устройство управления вектором тяги для задания направления тяги двигателя. Исполнительное устройство управления вектором тяги приводят в действие гидравлически, посредством топлива (т.е., топливной гидравлики), отбираемого из канала подачи топлива в главную камеру сгорания. Топливо, которое гидравлически приводит в действие исполнительное устройство управления вектором тяги, затем направляют обратно в главный канал подачи топлива. Соответственно, исполнительное устройство управления вектором тяги при работе изменяет поток топлива в главном канале подачи топлива в главную камеру сгорания, что, в свою очередь, меняет соотношение смеси топливо/окислитель в главной камере сгорания или требует использования регуляторов и аппаратуры для коррекции потока окислителя.
Раскрытие изобретения
Система управления потоком в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения содержит сеть топливных каналов, содержащую первую и вторую части сети, расположенные друг относительно друга с возможностью параллельного протекания по ним потоков. В первой части сети размещено топливное гидравлическое устройство. Работа топливного гидравлического устройства изменяет поток через первую часть сети. В сети топливных каналов размещена потокоограничивающая диафрагма. Потокоограничивающая диафрагма размещена последовательно относительно топливного гидравлического устройства и выше по потоку от него. Потокоограничивающая диафрагма выполнена с возможностью формирования перепада давлений, зависящего от потока через первую часть сети. Во второй части сети размещен клапан управления потоком. Клапан управления потоком выполнен с возможностью управления потоком через вторую часть сети в зависимости от перепада давлений на потокоограничивающей диафрагме.
В еще одном варианте реализации любого из вышеописанных вариантов осуществления изобретения указанное топливное гидравлическое устройство представляет собой клапан управления тягой.
В еще одном варианте реализации любого из вышеописанных вариантов осуществления изобретения клапан управления потоком содержит порт давления, открывающийся в сеть топливных каналов выше по потоку от потокоограничивающей диафрагмы. Порт давления функционально соединяет сеть топливных каналов с клапанным элементом клапана управления потоком.
В еще одном варианте реализации любого из вышеописанных вариантов осуществления изобретения вторая часть сети содержит обходной канал, а клапанный элемент выполнен с возможностью перемещения в обходном канале посредством указанного порта давления и указанного перепада давлений для управления потоком через обходной канал.
В еще одном варианте реализации любого из вышеописанных вариантов осуществления изобретения клапан управления потоком смещен в открытое положение, разрешающее поток через вторую часть сети.
В еще одном варианте реализации любого из вышеописанных вариантов осуществления изобретения клапан управления потоком содержит смещающий элемент, клапанный элемент и силовой поршень.
В еще одном варианте реализации любого из вышеописанных вариантов осуществления изобретения клапан управления потоком содержит порт давления, открывающийся в сеть топливных каналов выше по потоку от потокоограничивающей диафрагмы. Порт давления функционально соединяет сеть топливных каналов с силовым поршнем.
В еще одном варианте реализации любого из вышеописанных вариантов осуществления изобретения сеть топливных каналов содержит общий канал, расположенный ниже по потоку от первой и второй частей сети, объединяющий первую и вторую части сети.
Система управления потоком по п. 8, дополнительно содержащая насос, впуск которого соединен с общим каналом.
Система управления потоком по п. 9, дополнительно содержащая камеру сгорания и канал подачи топлива, соединяющий выпуск насоса с камерой сгорания.
В еще одном варианте реализации любого из вышеописанных вариантов осуществления изобретения сеть топливных каналов содержит отводной канал, отходящий от канала подачи топлива. Отводной канал соединен с первой и второй частями сети.
В еще одном варианте реализации любого из вышеописанных вариантов осуществления изобретения отводной канал содержит регулятор давления.
В еще одном варианте реализации любого из вышеописанных вариантов осуществления изобретения сеть топливных каналов содержит по меньшей мере один канал балансировки давления, функционально соединяющий полость смещающего элемента клапана управления потоком с участком в сети топливных каналов, находящимся между потокоограничивающей диафрагмой и топливным гидравлическим устройством.
Ракетный двигатель в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения содержит камеру сгорания, насос с впуском насоса и выпуском насоса, канал подачи, соединяющий выпуск насоса с камерой сгорания, и сеть топливных каналов. Сеть топливных каналов содержит первую и вторую части сети, расположенные друг относительно друга с возможностью параллельного протекания по ним потоков, и отводной канал от указанного канала подачи. Отводной канал соединен с первой и второй частями сети. Ниже по потоку от первой и второй частей сети размещен общий канал, в котором первая и вторая части сети объединяются. Общий канал соединен с впуском насоса. В первой части сети размещено исполнительное устройство топливного гидравлического клапана управления тягой. Работа исполнительного устройства топливного гидравлического клапана управления тягой изменяет поток через первую часть сети. Последовательно относительно исполнительного устройства топливного гидравлического клапана управления тягой и выше по потоку от него размещена потокоограничивающая диафрагма. Потокоограничивающая диафрагма выполнена с возможностью формирования перепада давлений, зависящего от потока через первую часть сети. Во второй части сети размещен клапан управления потоком. Клапан управления потоком выполнен с возможностью управления потоком через вторую часть сети в зависимости от перепада давлений на потокоограничивающей диафрагме.
В еще одном варианте реализации любого из вышеописанных вариантов осуществления изобретения сеть топливных каналов выполнена с возможностью обеспечения постоянного потока из отводного канала в общий канал, не зависящего от вариаций потока через исполнительное устройство топливного гидравлического клапана управления тягой в первой части сети.
Краткое описание чертежей
Различные отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными специалисту в данной области техники из нижеследующего подробного раскрытия. Чертежи, сопровождающие подробное раскрытие, могут быть кратко описаны следующим образом.
Фиг. 1 иллюстрирует ракетный двигатель с примером системы управления потоком.
Фиг. 2 иллюстрирует ракетный двигатель с еще одним примером системы управления потоком.
Осуществление изобретения
Фиг. 1 схематично иллюстрирует пример ракетного двигателя 20, например, жидкостного реактивного ракетного двигателя, содержащего систему 22 управления потоком. Как будет показано, система 22 управления потоком дает возможность работы топливного гидравлического устройства со снижением или исключением нестабильностей потока топлива в камеру сгорания.
Как показано, ракетный двигатель 20 содержит камеру 24 сгорания и насос 26, содержащий впуск 26а насоса и выпуск 26b насоса. Канал 28 подачи топлива соединяет выпуск 26b насоса с камерой 24 сгорания. Камера 24 сгорания также соединена с каналом 30 подачи окислителя, принимающим окислитель из источника окислителя (не показан). Впуск 26а насоса соединен с каналом 32 подачи топлива, принимающим топливо из источника топлива (не показан). Как может быть понятно, ракетный двигатель 20 может содержать общеизвестные и поэтому здесь не описываемые дополнительные компоненты, связанные с функционированием ракетного двигателя 20.
Система 22 управления потоком содержит сеть 34 топливных каналов. Сеть 34 топливных каналов содержит первую часть 36 сети и вторую часть 38 сети. Первая и вторая части 36/38 сети расположены друг относительно друга с возможностью параллельного протекания по ним потоков. Например, как предусмотрено в настоящем изобретении, расположение с параллельным протеканием потоков обеспечивает более одного маршрута прохождения через сеть 34 топливных каналов.
Система 22 управления потоком также содержит топливное гидравлическое устройство 40, размещенное в первой части 36 сети. Работа топливного гидравлического устройства 40 (топливная гидравлическая нагрузка) может приводить, например, к изменению потока топлива через первую часть 36 сети. В одном примере топливным гидравлическим устройством 40 является исполнительное устройство управления вектором тяги, выполненное с возможностью шарнирного поворота двигателя. При работе исполнительного устройства управления вектором тяги топливо течет через первую часть 36 сети. При полностью бездействующем исполнительном устройстве управления вектором тяги поток через первую часть 36 сети снижен или отсутствует. Также могут иметь место промежуточные уровни работы исполнительного устройства управления вектором тяги и, соответственно, промежуточные уровни потока топлива через первую часть 36 сети.
Система 22 управления потоком дополнительно содержит потокоограничивающую диафрагму 42, размещенную в сети 34 топливных каналов последовательно относительно топливного гидравлического устройства 40 и выше по потоку от него. Потокоограничивающая диафрагма 42 представляет собой диафрагму, имеющую меньший размер поперечного сечения по сравнению с поперечным сечением сети 34 топливных каналов выше по потоку и ниже по потоку от потокоограничивающей диафрагмы 42. Потокоограничивающая диафрагма 42, которую также можно рассматривать в качестве чувствительной диафрагмы, выполнена с возможностью формирования перепада давлений (ΔP), меняющегося в зависимости от потока через первую часть 36 сети.
Перепад давлений (ΔP) представляет собой разность давления топлива между участком выше по потоку от потокоограничивающей диафрагмы 42 и участком ниже по потоку от потокоограничивающей диафрагмы 42. Как правило, эти участки находятся непосредственно выше по потоку и ниже по потоку от потокоограничивающей диафрагмы 42. Например, когда топливо проходит через потокоограничивающую диафрагму 42, течение топлива ограничивается потокоограничивающей диафрагмой 42. При сужении потока топлива и его прохождении через потокоограничивающую диафрагму 42 скорость потока топлива увеличивается, а давление уменьшается, в результате чего на потокоограничивающей диафрагме 42 возникает перепад ΔP давлений. Перепад ΔP давлений меняется пропорционально массовому расходу топлива через потокоограничивающую диафрагму 42.
Система 22 управления потоком также содержит клапан 44 управления потоком, размещенный во второй части 38 сети. Клапан 44 управления потоком в данном проиллюстрированном примере содержит клапанный элемент 46 и смещающий элемент 48, например, пружину, размещенную в полости 50 смещающего элемента. Смещающий элемент 48 служит для смещения клапанного элемента 46 в открытое положение в отношении потока через вторую часть 38 сети. Например, вторая часть 38 сети содержит обходной канал 52, а клапанный элемент 46 (например, золотник) может двигаться в обходном канале 52 для управления потоком топлива через обходной канал 52.
Клапан 44 управления потоком также содержит порт 54 давления, открывающийся в сеть 34 топливных каналов выше по потоку от потокоограничивающей диафрагмы 42. Порт 54 давления функционально соединяет сеть 34 топливных каналов с клапанным элементом 46. Как показано, сеть 34 топливных каналов также содержит по меньшей мере один канал балансировки давления 56, функционально соединяющий полость 50 смещающего элемента клапана 44 управления потоком с участком в сети 34 топливных каналов, находящимся между потокоограничивающей диафрагмой 42 и топливным гидравлическим устройством 40.
Первая и вторая части 36/38 сети соединяются в общем канале 58. Общий канал 58 соединяет первую и вторую части 36/38 сети с впуском 26а насоса. Сеть 34 топливных каналов содержит отводной канал 60 от канала 28 подачи топлива. Хотя в данном примере отводной канал 60 отходит от канала 28 подачи топлива, отводной канал 60 и, соответственно, система 22 управления потоком могут отходить от другой части канала 28 подачи топлива или могут располагаться в другом месте системы подачи топлива.
Сеть 34 топливных каналов в сочетании с насосом 26 и каналом 28 подачи топлива образует контур топливной цепи, создающий обходной поток топлива в камеру сгорания 24. Отводной канал 60 соединен с первой и второй частями 36/38 сети. В данном примере отводной канал 60 содержит регулятор 62 давления, служащий для обеспечения постоянного давления топлива, поступающего в сеть 34 топливных каналов из канала 28 подачи топлива. Соответственно, при работе насос 26 подает топливо через канал 28 подачи топлива. Часть топлива из канала 28 подачи топлива течет в камеру 24 сгорания, а другая часть топлива через отводной канал 60 поступает в сеть 34 топливных каналов. Топливо, текущее в сети 34 топливных каналов, через общий канал 58 и впуск 26а насоса возвращается в насос 26.
Система 22 управления потоком дает возможность топливу течь, когда это необходимо, в топливное гидравлическое устройство 40 без изменения потока топлива в канале 28 подачи топлива в камеру 24 сгорания. Когда топливному гидравлическому устройству 40 требуется меньший поток или поток вообще не требуется, топливо вместо топливного гидравлического устройства 40 может течь через вторую часть 38 сети. Таким образом, вариация потока топлива в топливное гидравлическое устройство 40 не влияет на суммарный, постоянный поток через систему 22 управления потоком или на поток через канал 28 подачи топлива в камеру сгорания 24.
В указанной связи есть по меньшей мере два функциональных состояния, в которых топливо течет через систему 22 управления потоком. В первом состоянии топливное гидравлическое устройство 40 неактивно, т.е., бездействует, и поток топлива через первую часть 36 сети небольшой или отсутствует. В первом состоянии большая часть топлива или все топливо течет через вторую часть 38 сети.
Во втором состоянии топливное гидравлическое устройство 40 активно и потому создает потребность в потоке топлива в первой части 36 сети. Во втором состоянии большая часть топлива или все топливо может течь через первую часть 36 сети и топливное гидравлическое устройство 40, а через вторую часть 38 сети течет меньше топлива или топливо не течет. Однако независимо от состояния суммарный поток топлива через систему 22 управления потоком является постоянным. Могут также иметь место промежуточные уровни работы топливного гидравлического устройства 40 и, соответственно, промежуточные уровни потока топлива через первую часть 36 сети.
Клапанный элемент 46 нормально смещен смещающим элементом 48 клапана 44 управления потоком в открытое положение, чтобы при неактивном топливном гидравлическом устройстве 40 без выполнения каких-либо действий топливо могло течь через обходной канал 52 в общий канал 58. Однако на положение клапанного элемента 46 влияет перепад АР давлений на потокоограничивающей диафрагме 42. Например, когда большая часть топлива или все топливо течет через потокоограничивающую диафрагму 42 в топливное гидравлическое устройство 40 и через общий канал 58 во впуск 26а насоса, перепад ЛР давлений является высоким.
Когда большая часть топлива или все топливо течет через вторую часть 38 сети, поток топлива через первую часть 36 сети отсутствует или является небольшим (поскольку топливное гидравлическое устройство 40 неактивно), и перепад ΔP давлений равен нулю или, по меньшей мере, является более низким, чем пороговое давление, достаточно высокое для приведения клапанного элемента 46 в действие против действия смещающего элемента 48. В этом случае, поскольку клапанный элемент 46 смещен в открытое положение, топливо может обходить первую часть 36 сети и течь через вторую часть 38 сети в общий канал 58 и насос 26.
Когда есть потребность в течении топлива в первой части 36 сети в связи с работой топливного гидравлического устройства 40, перепад ΔP давлений на потокоограничивающей диафрагме 42 увеличивается. Перепад ΔP давлений вызывает увеличение давления вблизи порта давления 54 с, как правило, уменьшением давления за клапанным элементом 46 в полости 50 смещающего элемента посредством канала 56 балансировки давления. Увеличение давления вблизи порта 54 давления используется для приведение клапанного элемента 46 в действие против смещающей силы смещающего элемента 48 с целью закрывания или частичного закрывания обходного канала 52. В этом случае через обходной канал 52 становится возможным только сниженный поток или течение закрывается совсем, но в то же время становится возможным поток через первую часть 36 сети и топливное гидравлическое устройство 40. Поскольку порт 54 давления размещен ниже по потоку от регулятора 62 давления, других вариаций потока топлива в сети 34 топливных каналов, кроме перепада ΔP давлений, действующей на клапанный элемент 46, нет.
Как можно понять, положение клапанного элемента 46 зависит от перепада ΔP давлений и смещающей силы смещающего элемента 48. Иными словами, при промежуточном перепаде ΔP давлений клапанный элемент 46 может частично закрываться, давая возможность протекания части топлива через обходной канал 52 и протекания части топлива через топливное гидравлическое устройство 40. Таким образом, поток через первую часть 36 сети обратно пропорционален потоку через вторую часть 38 сети так, что в итоге поток в общий канал 58 является постоянным.
Размер клапанного элемента 46 и размер смещающего элемента 48 могут подбирать с учетом размера потокоограничивающей диафрагмы 42 таким образом, чтобы клапан 44 управления потоком работал в пределах фактического диапазона перепадов давления, создаваемых потокоограничивающей диафрагмой 42. Этот диапазон перепадов давления может простираться от нуля или от значения вблизи нуля (при отсутствии потока через первую часть 36 сети вследствие неактивности топливного гидравлического устройства 40) до наибольшего перепада давлений (при полном потоке через первую часть 36 сети вследствие полного открывания топливного гидравлического устройства 40). Дополнительно, клапан 44 управления потоком могут настраивать на требуемое соотношение потоков между первой и второй частями 36/38 сети. Например, клапан 44 управления потоком могут настраивать на действие в пределах линейного участка реакции пружины смещающего элемента 48, в результате чего поток распределяется между первой и второй частями 36/38 сети в линейной пропорции. Следует отметить, что клапан 44 управления потоком реагирует на перепад АР давлений пассивно, без использования электронных сигналов управления. Поэтому нет необходимости в сложных операциях управления и электронных схемах.
Поток топлива через систему 22 управления потоком для приведения в действие топливного гидравлического устройства 40 может составлять относительно небольшую долю потока (главного) насоса 26. Влияние нестабильности потока топлива на соотношение смеси топливо/окислитель может быть меньшим в показанной конфигурации, чем если бы поток топлива через систему 22 управления потоком отбирался от подпиточного насоса в камеру предсгорания или газогенератор. Подпиточный насос может быть выполнен с возможностью создания дополнительного постоянного потока топлива. Поскольку давление на выпуске подпиточного насоса при типовом уровне мощности дроссельно регулируемого двигателя (например, 40%) относительно высоко (по сравнению с давлением на выпуске главного насоса), размер исполнительного устройства для управления вектором тяги может быть снижен по сравнению со случаем работы этого исполнительного устройства от более низкого давления на выпуске главного насоса. При использовании постоянного потока топлива движение исполнительного устройства управления вектором тяги не будет оказывать влияния на тягу двигателя или соотношение компонентов смеси. Более того, посредством управления топливными клапанами камеры предсгорания, газогенератора или главной камеры сгорания на основании положения дроссельного клапана можно точно задавать тягу двигателя или соотношение компонентов смеси.
Фиг. 2 иллюстрирует еще один пример ракетного двигателя 20 и системы 122 управления потоком. Система 122 управления потоком аналогична системе 22 управления потоком, за исключением того, что клапан 144 управления потоком содержит силовой поршень 170. Силовой поршень 170 размещен соосно с расположенным рядом клапанным элементом 46, но физически не соединен с клапанным элементом 46. Силовой поршень 170 функционально соединен с портом 54 давления, в результате чего перепад АР давлений воздействует на силовой поршень 170. В этой связи эффективную площадь силового поршня 170, на которую воздействует перепад АР давлений, могут настраивать так, чтобы на клапанный элемент 46 оказывалось воздействие против смещающей силы, создаваемой смещающим элементом 48. Например, размер силового поршня 170 могут подбирать так, чтобы при наибольшем потоке топлива через первую часть 36 сети в топливное гидравлическое устройство 40 перепад ΔP давлений на потокорегулирующей диафрагме 42 была достаточной для перемещения клапанного элемента 46 в полностью закрытое положение. При такой конфигурации силовой поршень 170, по сути, увеличивает силу воздействия, создаваемую перепадом АР давлений, чтобы клапанный элемент 46 мог функционировать и в тех случаях, когда самого по себе наибольшего перепада ΔP давлений недостаточно для воздействия на клапанный элемент 46 против действия смещающего элемента 48.
Несмотря на то, что в проиллюстрированных примерах показано сочетание отличительных признаков, не все из них требуется комбинировать для реализации преимуществ различных вариантов осуществления настоящего изобретения. Иными словами, система, спроектированная в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, не обязательно должна содержать все отличительные признаки, показанные на каком-либо одном из чертежей, или все части, схематично показанные на чертежах. Кроме того, выбранные отличительные признаки одного варианта осуществления могут быть скомбинированы с выбранными отличительными признаками других вариантов осуществления.
Вышеприведенное раскрытие является по своей сути иллюстративным, а не ограничивающим. Специалисту в данной области техники могут стать очевидными разновидности и модификации раскрытых примеров, не обязательно отклоняющиеся от настоящего раскрытия. Объем юридической защиты, предоставляемой настоящему изобретению, может определяться только путем изучения нижеприведенной формулы изобретения.