КОМБИНИРОВАННАЯ НАСОСНО-ВЫТЕСНИТЕЛЬНАЯ СХЕМА ПОДАЧИ ЖИДКИХ КОМПОНЕНТОВ ГИДРОРЕАГИРУЮЩЕГО ТОПЛИВА К ПОТРЕБИТЕЛЮ
COMBINED PUMPING-DISPLACEMENT SYSTEM FOR FEED OF HYDROREACTIVE FUEL (HRF) LIQUID COMPONENTS TO CONSUMING HARDWARE

Изобретение относится к области систем подачи топлива к устройствам для сжигания и устройствам для получения продуктов сгорания высокого давления или высокой скорости, использующим в качестве рабочего тела топливную пару «гидрореагирующее горючее (ГРГ) - вода», например к камерам сгорания двигательных и силовых установок и энергоустановок, в частности может использоваться в пропульсивных комплексах подводных и двухсредных аппаратов.
Известны и традиционно используются две основные системы подачи компонентов топлива в жидкостных ракетных двигателях: турбонасосная (насосная) и вытеснительная (см., например, «Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования», Добровольский М.В. М. «Машиностроение». 1968. 396 с.). Данные схемы подачи топлива используются также в других областях, например в двигательных установках подводных или летательных аппаратов.
Известно также изобретение «Турбонасосная система питания жидкостного ракетного двигателя» (RU 2246023 С2, МПК F02K 9/48, опубл. 10.02.2005). Турбонасосная система питания жидкостного ракетного двигателя включает магистрали разноименных топливных компонентов, магистрали газа и газогенератор. Перед основным турбонасосным агрегатом с многоступенчатым насосом топливного компонента и приводной газовой турбиной установлен бустерный турбонасосный агрегат с насосом топливного компонента и приводной одноступенчатой гидротурбиной, питаемой от n-й ступени основного насоса. Рабочий тракт гидротурбины размещен в соединительной магистрали между выходом n-й и входом (n+1)-й ступени основного насоса. Изобретение позволит упростить систему питания и снизить массу жидкостного ракетного двигателя.
Недостатком изобретения является его относительно высокие показатели массы и объема при использовании в области техники, определенной для предлагаемого изобретения.
Известно также изобретение «Система наддува топливных баков (варианты)» (RU 2341675 С2, МПК F02K 9/50, опубл. 20.12.2008). Изобретение относится к космической технике, а точнее к проектированию и эксплуатации реактивных двигательных установок (РДУ) космических летательных аппаратов (КЛА). В систему наддува топливных баков, содержащую баллоны высокого давления, связанные пневмомагистралями с газовыми полостями соответствующих топливных баков горючего и окислителя, и последовательно установленные на пневмомагистралях пускоотсечные клапаны и газовые редукторы, в отличие от прототипа, по первому варианту в нее введено подогревающее устройство, выполненное в виде подключенного к системе терморегулирования многоканального кожухотрубного теплообменника, внутри каждой трубки которого расположено тело-вытеснитель по всей длине трубки с образованием равномерного зазора в кольцевом канале между стенкой трубки и телом-вытеснителем, причем трубки выполнены в виде змеевиков и каналы теплообменника включены в соответствующие контуры пневмомагистралей после газовых редукторов, перед которыми установлены дроссельные устройства, при этом межтрубная полость теплообменника подключена к бортовой системе терморегулирования. По второму варианту в систему наддува топливных баков введено подогревающее устройство, выполненное в виде подключенного к системе терморегулирования многоканального кожухотрубного теплообменника, внутри каждой трубки которого расположено тело-вытеснитель по всей длине трубки с образованием равномерного зазора в кольцевом канале между стенкой трубки и телом-вытеснителем, причем трубки выполнены в виде змеевиков и каналы теплообменника включены в соответствующие контуры пневмомагистралей после дроссельных устройств, установленных перед газовыми редукторами, при этом межтрубная полость теплообменника подключена к бортовой системе терморегулирования. Изобретение обеспечивает повышение эффективности и надежности за счет исключения образования холодного потока газа, входящего в газовые полости топливных баков горючего и окислителя.
Недостатком этого изобретения является организация вытеснения компонентов топлива газовым телом - в силу значительно меньшей плотности по сравнению с вытесняемым жидким компонентом, центры тяжести баков компонентов значительно меняют свое положение в процессе работы двигательной установки, что в итоге отрицательно влияет на управляемость и устойчивость аппарата. Кроме того, данная системе подразумевает наличие в составе системы (на борту аппарата) емкостей с газовым вытесняющим телом, что увеличивает объем и массу всей конструкции в целом.
Общим недостатком указанных аналогов является сложность в обеспечении многорежимности работы двигательной установки, то есть изменения и поддержания необходимых параметров работы. Для этого необходимо введение в состав системы органов согласования расходов окислителя и горючего, что отрицательно сказывается на массе, занимаемом объеме и надежности установки в целом.
В качестве прототипа выбрана схема подачи для установки на топливе алюминий - морская вода, описанная в книге «Гидродинамика и энергетика подводных аппаратов» (Грейнер Л., Гидродинамика и энергетика подводных аппаратов, перевод на русский язык, Ленинград, «Судостроение», 1978, 384 с.) на стр. 233: «Алюминий размещается в отсеке, представляющем собой резервуар высокого давления, наружная стенка которого служит оболочкой торпеды. Алюминий нагнетается в камеру сгорания под давлением забортной воды, которая подается по трубопроводу, проходящему через алюминиевую шашку в переднюю часть отсека горючего. Камера сгорания, где происходит реакция алюминия с водой, выполнена как одно целое с корпусом отсека горючего и является его кормовой оконечностью, передняя часть которой соприкасается с горючим. В установившемся режиме теплота передается от камеры сгорания к горючему в зоне контакта для образования расплавленного алюминия, который затем в жидком виде поступает в камеру сгорания…». Изображение описанной схемы представлено на рис. 5.11 на стр. 233. Также на стр. 236 дается описание стандартной энергетической установки, использующейся для сравнения характеристик топлив: «Газообразные продукты сгорания, находящиеся под высоким давлением, приводят во вращение турбину, которая через редуктор вращает гребной вал и водяной насос. Водяной насос подает воду в камеру сгорания и создает необходимое давление в отсеке горючего».
Недостатком этой схемы является то, что для переноса тепла от камеры сгорания к горючему необходимо выполнение их в виде единой конструкции, что не всегда уместно по разным причинам, например, по вопросам балансировки аппарата, в составе которого используется данная схема. Кроме того, турбина привода насоса окислителя работает в условиях высокотемпературного потока продуктов реакции, имеющих высокое давление, а также содержащих твердые частицы, в данном случае окислы алюминия. Это накладывает повышенные требования надежности, жаростойкости, износостойкости и прочности к используемой турбине, что ведет к усложнению и удорожанию конструкции.
Вышеуказанные недостатки устраняются в предлагаемом изобретении. Задачей предлагаемого изобретения является организация процесса подачи жидких компонентов гидрореагирующего топлива (ГРТ) к потребителю (например, реактору или камере сгорания), обеспечивающего снижение массы системы подачи и занимаемого ею объема в целом, снижение затрат энергии на подачу и подготовку к подаче ГРГ к потребителю, улучшение управляемости и устойчивости подводных аппаратов и двухсредных аппаратов, в случае использования в их составе предлагаемого изобретения, упрощающего обеспечение многорежимности работы двигательной установки, пропульсивного комплекса или других силовых установок и энергоустановок, в составе которых используется предлагаемое изобретение, а также упрощающего и удешевляющего конструкцию системы подачи в целом. Поставленные задачи достигаются следующим:
- снижение массы системы подачи и занимаемого ею объема - за счет отсутствия в составе изобретения отдельного насоса или бака с вытесняющим телом для подачи горючего (жидкого ГРГ) к потребителю, в отличие от традиционной насосной системы подачи. Вытеснение ГРГ производится окислителем (водой);
- снижение затрат энергии на подачу и подготовку к подаче ГРГ к потребителю - за счет вытеснения жидкого ГРГ окислителем (вода), подаваемым в полость бака для вытесняющего тела из системы охлаждения потребителя (например, охлаждающего тракта реактора или камеры сгорания), то есть компонент вытеснения (окислитель) имеет высокую температуру. Таким образом, вытесняя жидкое ГРГ из бака, окислитель перед этим нагревает его, плавя, в случае если ГРГ находится в твердом агрегатном состоянии, и снижает его вязкость, что снижает в целом затраты энергии на подачу и подготовку к подаче ГРГ к потребителю;
- улучшение управляемости и устойчивости аппарата - в отличие от аналога, где вытеснение компонентов производится газовым телом, вытеснение жидкого ГРГ осуществляется нагретой водой, чья плотность ближе к плотности жидкого ГРГ по сравнению с газовым вытесняющим телом, соответственно, по мере вытеснения жидкого ГРГ из бака, его объем заполняет вода, и изменение положения центра тяжести бака с ГРГ и, как следствие, аппарата, по отношению к центру давления аппарата уменьшается. Кроме того, за счет отсутствия необходимости выполнять бак горючего заодно с потребителем, в силу передачи тепла с помощью вытесняющего компонента, проходящему по системе охлаждения потребителя, а не за счет теплопроводности общей стенки, как у прототипа, становится возможным разнести их в объеме аппарата или конструкции объекта, в котором используется изобретение, с целью оптимального расположения центра тяжести всей конструкции;
- упрощение обеспечения многорежимности работы установки - за счет возможности регулирования расходов компонентов ГРТ посредством прямой зависимости расхода ГРГ от расхода вытесняющей воды, в отличие от аналогов, где для этих целей необходимо введение дополнительных органов и агрегатов согласования расходов компонентов.
- упрощение и удешевление конструкции системы подачи в целом - за счет работы турбины привода насоса окислителя от перегретого пара, поступающего из системы охлаждения потребителя. Таким образом, снижаются требования к прочности, износостойкости и жаростойкости турбины, так как в отличие от прототипа, где в качестве рабочего тела для турбины используется высокотемпературный поток продуктов реакции компонентов топлива, имеющий высокое давление и содержащий твердые частицы (окислы алюминия), перегретый пар имеет меньшую температуру и не содержит твердых частиц, способных разрушить лопатки турбины. Также упрощение системы подачи является следствием отсутствия в составе изобретения отдельного насоса или бака с вытесняющим телом для подачи горючего к потребителю.
Изобретение предназначено для организации подачи жидких компонентов топливной пары «ГРГ - вода» к потребителю (например, реактору или камере сгорания) в энергоустановках и двигательных и силовых установках, в частности в пропульсивных комплексах подводных и двухсредных аппаратов. Предпочтительно использование изобретения в установках, имеющих доступ к большим ресурсам воды (реки, водоемы, моря и т.д.), в результате чего не является необходимым введение в состав установки емкости с запасом воды и вода может подаваться в установку непосредственно из такого ресурса, например в двигательных установках подводных аппаратов, где вода может отбираться из-за борта аппарата.
На фиг. 1 и фиг. 2 приведены принципиальные изображения комбинированной насосно-вытеснительной схемы подачи жидких компонентов ГРТ, отличающиеся способом привода турбины (изображения носят иллюстративный характер и не ограничивают объема прав совокупности существенных признаков). В качестве потребителя компонентов ГРТ на фиг. 1 и фиг. 2 представлен реактор.
Сущность изобретения: комбинированная насосно-вытеснительная схема подачи жидких компонентов ГРТ к потребителю, включающая в состав бак с ГРГ 1, герметично разделенный на полость с ГРГ и полость для вытесняющего тела посредством сильфона, мешка или иной подвижной или эластичной перегородки 2, насос окислителя (вода) 3, турбину 4 привода насоса окислителя и потребитель с системой охлаждения (в данном конкретном случае реактор 5 с охлаждающим трактом 6), а также соединительные магистрали и магистрали подвода и отвода компонентов, клапаны и регулирующие и управляющие органы, использует окислитель (вода) в качестве тела для вытеснения жидкого ГРГ из бака. В одном варианте (представлен на фиг. 1), турбина приводится во вращение потоком продуктов реакции компонентов ГРТ из реактора. Во втором варианте (представлен на фиг. 2), турбина приводится во вращение перегретым паром, получаемым вводом воды в тракт охлаждения реактора.
Комбинированная насосно-вытеснительная схема подачи жидких компонентов ГРТ к потребителю работает следующим образом:
Вода подается с помощью насоса окислителя 3 в систему охлаждения потребителя (в данном конкретном случае охлаждающий тракт 6 реактора 5). В первом варианте (фиг. 1), проходя по охлаждающему тракту 6, вода нагревается, охлаждая реактор 5, и часть ее подается в реактор 5 для последующей реакции с жидким ГРГ, а вторая часть направляется в полость для вытесняющего тела бака ГРГ 1, нагревая ГРГ и через перегородку 2 вытесняя жидкое ГРГ в реактор 5. Поступающие в реактор 5 жидкое ГРГ и вода вступают в реакцию, образуя высокотемпературный поток продуктов реакции. Турбина 4 приводится во вращение продуктами реакции компонентов ГРТ, образовавшимися в реакторе 5, и приводит в действие насос окислителя 3.
Второй вариант (фиг. 2) отличается от первого тем, что насос окислителя 3 имеет привод от турбины 4, которая приводится во вращение перегретым водяным паром, поступающим из системы охлаждения потребителя (в данном конкретном случае из тракта охлаждения 6 реактора 5). После турбины 4 сработавший водяной пар может быть направлен в реактор 5 для последующей реакции с жидким ГРГ, а может сбрасываться в окружающую среду или использоваться для других целей. В случае введения сработавшего на турбине 4 водяного пара в реактор 5, в зависимости от параметров водяного пара (главным образом температура), возможна необходимость введения в систему подачи теплообменника (на фиг. 2 не указан) для снижения температуры пара (например, до температуры конденсации и ниже). В качестве хладагента может быть использована вода в магистрали окислителя.
Предпочтительно использование изобретения в пропульсивных установках и энергоустановках подводных и двухсредных аппаратов. В этом случае в первом варианте после турбины сработавшие продукты реакции могут подаваться на реактивное сопло для создания реактивной тяги, либо на другой потребитель. Турбина может также являться приводом винта или другого движителя или потребителя, тогда сработавший на турбине поток продуктов реакции может сбрасываться в окружающую среду или использоваться для других целей (например, для дополнительного подогрева ГРГ в баке). Во втором варианте продукты реакции компонентов ГРТ после реактора подаются на двигатель аппарата (например, на турбину привода движителя (винта)), либо на реактивное сопло для создания реактивной тяги, либо на другой потребитель. Привод винта или другого движителя или потребителя, помимо насоса окислителя, от турбины 4 в этом варианте видится малоцелесообразным в силу меньшей работоспособности водяного пара в сравнении с продуктами реакции компонентов ГРТ. Второй вариант видится более целесообразным при организации реактивного движения аппарата по сравнению с первым вариантом.
В силу прямой зависимости расхода ГРГ от расхода вытесняющей его воды, становится возможным регулировать расход ГРГ путем изменения расхода воды.
Для обеспечения лучшего теплообмена между вытесняющим окислителем и ГРГ в баке, возможно использование в качестве дополнительной поверхности теплообмена стенок бака путем организации полости, образованной двойными стенками бака, наружных или внутренних каналов или иных полостей, ограничивающие поверхности которых хотя бы частично контактируют с ГРГ в баке. В описанные полости организуется доступ вытесняющей нагретой воды и за счет увеличения площади поверхности теплообмена ускоряется процесс прогрева ГРГ в баке перед подачей его к потребителю.
Также возможен вариант организации подачи вытесняющего ГРГ тела (воды) в обход системы охлаждения потребителя, то есть без относительно значительного повышения его температуры, если ГРГ не нуждается в нагреве. Данный вариант приведет к упрощению системы в целом при прочих равных условиях.
Конкретные схемы инициации работы (запуска) предлагаемой схемы подачи в данном изобретении не рассматриваются и являются предметом отдельного рассмотрения.
Предлагаемое изобретение позволяет добиться снижения массы системы подачи и уменьшения занимаемого ею объема по сравнению с традиционными системами подачи и аналогами при прочих равных условиях; снижения затрат энергии на подачу и подготовку к подаче ГРГ к потребителю (например, реактору или камере сгорания); упрощения обеспечения многорежимности работы силовых и двигательных установок или иных энергоустановок, в частности пропульсивных комплексов в составе подводных аппаратов или двухсредных аппаратов; обеспечения лучших и более стабильных управляемости и устойчивости подводных или двухсредных аппаратов, в составе которых используется изобретение; а также упрощения и удешевления конструкции системы подачи в целом.