УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГЕНЕРАТИВНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ СВЕРХЗВУКОВОЙ ЧАСТИ СОПЛА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
DEVICE FOR REGENERATIVE COOLING OF LIQUID-PROPELLANT ENGINE SUPERSONIC SECTION

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для охлаждения сверхзвуковой части сопла жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).
Многолетний опыт создания отечественных маршевых ЖРД для первых ступеней ракет-носителей (РН) показывает, что основным способом повышения их эффективности является увеличение давления в камере. При охлаждении камеры компонентом топлива, которое далее сжигается в ней, давление в тракте охлаждения (Рохл) всегда больше давления в камере (Рк). Это связано с тем, что ЖРД является двигателем непрерывного действия (в отличие, например, от циклически действующих двигателей внутреннего сгорания), поэтому для обеспечения непрерывного течения охладителя на участке от входа в тракт охлаждения до огневой полости камеры Рохл должно постоянно превышать Рк на величину суммы гидравлических сопротивлений этого участка (ΔР тракта охлаждения +ΔР смесительной головки +ΔР регуляторов… и т.д.). Уровень давления в камере современных ЖРД достигает 30 МПа, при этом давление в тракте охлаждения достигает значений 45 МПа. В патентах РФ [1,2] указывается, что дальнейшее увеличение давления в тракте охлаждения является опасным, так как может разрушить механические связи между внутренней и наружной оболочками камеры. Особенно острой эта проблема является для двигателей с дожиганием восстановительного газа, камера которых охлаждается горючим.
Для того чтобы снизить давление в тракте охлаждения без снижения Рк, можно отказаться от охлаждения камеры сжигаемыми в ней компонентами топлива. Такой путь предложен в патенте РФ [3] (аналог). В предлагаемом устройстве системы охлаждения камеры, в котором теплоноситель, не являющийся сжигаемым в камере компонентом топлива, циркулирует по замкнутому контуру, содержащему насос, тракт регенеративного охлаждения камеры сгорания (КС), турбину, насос и теплообменник.
В тракте регенеративного охлаждения КС происходит охлаждение стенки камеры, а теплоноситель нагревается, превращаясь в пар. Далее полученный пар срабатывает на турбине, приводящей в действие насос. После турбины теплоноситель подается в теплообменник, где охлаждается или конденсируется за счет теплообмена с хладоносителем. Затем в насосе происходит нагнетание давления теплоносителя и он вновь поступает на вход в тракт регенеративного охлаждения КС. Предложенная система охлаждения позволяет за счет использования промежуточного теплоносителя и его повышенных перепадов давления в тракте регенеративного охлаждения КС интенсифицировать теплоотвод от внутренней стенки КС ЖРД и увеличить уровень давления в КС. Это ведет к увеличению удельного импульса двигателя и повышает плотность топлива. Однако реализация такой схемы охлаждения связана со значительными трудностями. При охлаждении всей камеры целиком для обеспечения приемлемого теплового состояния района критического сечения требуется большой расход теплоносителя и, соответственно, возникают проблемы с массо-габаритными характеристиками теплообменника. Кроме того, высокое гидравлическое сопротивление тракта охлаждения в районе критического сечения ограничивает возможности увязки мощностного баланса между насосом и турбиной теплоносителя. Поэтому при практической реализации предложенной системы охлаждения камеры указанные недостатки могут превысить полученный полезный эффект.
Вместе с тем, уровень риска разрушения связей между оболочками камеры существенно отличается для разных ее участков. В области высоких тепловых потоков (т.е. на блоке камеры, включающем в себя камеру сгорания, входную часть сопла и район критического сечения) количество ребер и, соответственно, количество механических связей между оболочками, создаваемых пайкой по вершинам этих ребер, настолько велико, что является избыточным с точки зрения обеспечения прочности связей между оболочками. И связано это с тем, что количество ребер и их геометрические характеристики выбираются в первую очередь из условий обеспечения надежного охлаждения камеры (максимальное количество тепла, передаваемое боковыми поверхностями ребер в охладитель, обеспечение требуемой скорости движения охладителя), и при этом автоматически обеспечивается необходимая прочность связей между оболочками. Так, по результатам расчетно-экспериментальных исследований уровень давления, разрушающего эти связи, превосходит рабочее давление в тракте охлаждения в несколько раз. Таким образом, давление в тракте охлаждения блока камеры сгорания не является фактором, лимитирующим увеличение Рк. Поэтому охлаждение блока камеры вполне может осуществляться традиционным способом, т.е. компонентом топлива с большим давлением.
По-другому обстоит дело в сверхзвуковой части сопла. Тепловые потоки в сверхзвуковой части сопла существенно меньше, чем в блоке камеры. Это приводит к тому, что к системе охлаждения предъявляются гораздо менее жесткие требования и поэтому количество ребер определяется, в основном, только лишь соображениями достаточной прочности связей между оболочками и достаточной жесткостью огневой стенки между ребрами. Однако при высоких давлениях в тракте охлаждения весьма сложно обеспечить большие запасы по прочности сверхзвуковой части сопла. Это связано со значительными габаритными размерами по сравнению с блоком камеры. Так, например, если тракт охлаждения сверхзвуковой части сопла выполнять с шагом оребрения близким к шагу ребер в критическом сечении, сопло получится недопустимо тяжелым. Также можно отметить трудоемкость и сложность изготовления паяных сопел, наличие плохо прогнозируемых нагрузок (например, вибрационных) - все это повышает риск разрушения сопел, особенно в условиях сверхвысоких давлений в тракте охлаждения.
В связи с этим, при создании современных ЖРД с высоким давлением в камере, особенно для нижних ступеней РН, целесообразно снижать давление в тракте охлаждения не во всей камере (как это делается в аналоге [3]), а только в наименее прочной ее части - в сверхзвуковой части сопла.
В работе [4] (прототип) предложена схема кислородно-метанового ЖРД с дожиганием восстановительного генераторного газа, в которой блок камеры охлаждается горючим с высоким давлением, поступающим далее в газогенератор, турбину и смесительную головку камеры, а сверхзвуковая часть сопла охлаждается аммиаком низкого давления, циркулирующим по замкнутому контуру, и имеет свой, независимый от системы подачи компонентов топлива турбонасосный агрегат. Пары аммиака после охлаждения сопла вращают турбину, далее ожижаются в теплообменнике (хладагент - расход жидкого кислорода, сжигаемый в камере) и сжимаются насосом, после чего опять поступают в тракт охлаждения сопла. Привод насоса осуществляется турбиной, вращаемой разогретыми после тракта охлаждения парами аммиака. При этом давление в аммиачном контуре существенно ниже, даже чем давление в камере. Предложенный способ реализации указанной выше идеи снижения давления охладителя не во всем тракте охлаждения камеры, а только в сверхзвуковой части сопла имеет следующие недостатки:
- необоснованно сужена область применения предлагаемой схемы охлаждения (кислородно-метановый ЖРД с дожиганием восстановительного генераторного газа) - такая схема может использоваться для любого ЖРД с высоким давлением в камере;
- выбор в качестве теплоносителя для контура охлаждения аммиака, а в качестве хладагента жидкого кислорода может привести к замерзанию аммиака и закупорке теплообменника.
Кроме того, с точки зрения теплового состояния предлагаемая схема работает только на стационарном режиме. На момент запуска двигателя аммиак не прогрет, нагнетающий насос не вращается, поэтому отсутствует циркуляция теплоносителя по контуру охлаждения сверхзвуковой части сопла. Соответственно, отсутствует и охлаждение, что практически мгновенно приведет к перегреву стенки и к ее прогару.
Задачей предлагаемого изобретения является создание работоспособного на переходных и стационарных режимах работы устройства охлаждения сверхзвуковой части сопла с низким уровнем давления охладителя (Рохл << Рк), что должно обеспечить возможность создания высокоэкономичных ЖРД с повышенным давлением в камере, с одновременным упрощением изготовления сопел и повышением их надежности.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройстве для регенеративного охлаждения сверхзвуковой части сопла ЖРД, включающем бак теплоносителя с клапаном и контур циркуляции теплоносителя, состоящий из тракта охлаждения сверхзвуковой части сопла, турбины, теплообменника, насоса и соединяющих их магистралей, в контуре циркуляции теплоносителя на магистрали, соединяющей выход тракта охлаждения сверхзвуковой части сопла с входом турбины, установлен обратный клапан, а бак теплоносителя с клапаном присоединен к этой магистрали на участке между обратным клапаном и турбиной, кроме этого на участке магистрали между выходом тракта охлаждения сверхзвуковой части сопла и обратным клапаном подключен выхлопной патрубок с клапаном или ресивер.
Наличие обратного клапана и введения выхлопного патрубка с клапаном или ресивера в контур циркуляции теплоносителя позволяют обеспечить надежную работу камеры на стационарном режиме малым расходом теплоносителя, который циркулирует по замкнутому контуру, включающему в себя насос теплоносителя, тракт охлаждения сверхзвуковой части сопла, обратный клапан, турбину, приводящую во вращение насос теплоносителя и теплообменник. На режиме запуска двигателя в случае подключения на участке магистрали между выходом тракта охлаждения сверхзвуковой части сопла и обратным клапаном выхлопного патрубка с клапаном теплоноситель течет по разомкнутому контуру, включающему пусковой бак с запасом теплоносителя, клапан, турбину, теплообменник, насос теплоносителя, тракт охлаждения сверхзвуковой части сопла и выхлопной патрубок с установленным на нем клапаном. На режиме запуска двигателя, при подключении на этом участке магистрали ресивера теплоноситель с самого начала циркулирует по замкнутому контуру. Очевидно, что выхлопной патрубок имеет меньшую массу, чем ресивер, однако при использовании патрубка происходит расходование теплоносителя, что может перекрыть его весовые преимущества. По-видимому, целесообразность использования выхлопного патрубка с клапаном или ресивера будет определяться прежде всего циклограммой запуска двигателя. Так, для двигателей с «пушечным» запуском предпочтительным является более энергичное охлаждение сопла в ходе запуска, т.е. использование выхлопного патрубка, а для двигателей, запускаемых достаточно плавно через промежуточную ступень тяги, предпочтительным является использование ресивера.
Низкое давление в контуре циркуляции теплоносителя прежде всего обеспечивается тем, что отсутствует необходимость подачи охладителя в смесительную головку камеры и, кроме того, охлаждение сверхзвуковой части сопла не требует больших скоростей течения охладителя и, соответственно, высокого давления в охлаждающем тракте для компенсации гидравлических потерь. При использовании предлагаемого устройства регенеративного охлаждения, например, в составе двигателя первой ступени с Рк=17 МПа максимальное давление теплоносителя не превысит 5 МПа. Это позволит создавать ЖРД с высоким давлением в камере, но без увеличения риска разрушения сверхзвуковой части сопла. Кроме того, такой уровень давления охладителя позволит отказаться от паяно-фрезерованной конструкции тракта охлаждения сверхзвуковой части сопла и вернуться к конструкции, в которой внутренняя и наружная оболочки соединяются точечной сваркой в местах локальных выштамповок в наружной оболочке. Это позволит снять существующие на настоящий момент ограничения, накладываемые на габариты сопла размерами использующихся в промышленности вакуумных печей, и существенно снизит трудоемкость изготовления сопел.
Предложенное устройство для регенеративного охлаждения сверхзвуковой части сопла ЖРД поясняется представленными схемами Фиг.1 и Фиг.2. На Фиг.1 изображено устройство для регенеративного охлаждения сверхзвуковой части сопла ЖРД с подключением на участке магистрали между выходом тракта охлаждения сверхзвуковой части сопла и обратным клапаном выхлопного патрубка, оснащенного клапаном. На Фиг.2 - устройство с подключением на этом участке магистрали ресивера.
Устройство для регенеративного охлаждения сверхзвуковой части сопла ЖРД (Фиг.1, Фиг.2) включает в себя бак теплоносителя 1 с клапаном 2, турбину 3, теплообменник 4, насос 5, тракт охлаждения сверхзвуковой части сопла 6, общий вал турбины и насоса 7, обратный клапан 8, клапан 9 выхлопного патрубка и ресивер 10.
Предлагаемое устройство (Фиг.1) функционирует следующим образом. В баке 1 под давлением содержится теплоноситель. После запуска двигателя открываются клапаны 2, 9 и теплоноситель начинает поступать из бака теплоносителя 1 в магистраль между обратным клапаном 8 и турбиной 3. При этом обратный клапан 8 закрыт, поэтому теплоноситель движется в направлении турбины 3, попадает на лопатки ее рабочего колеса и начинает раскручивать турбину 3, через общий вал 7 начинает работать насос 5. После турбины теплоноситель проходит через теплообменник, насос и попадает в тракт охлаждения сверхзвуковой части сопла 6 и охлаждает начинающую прогреваться стенку сопла, затем теплоноситель сбрасывается через выхлопной патрубок с открытым клапаном 9 в атмосферу или в выхлопную струю двигателя. Движение теплоносителя в момент запуска по описанному выше разомкнутому контуру осуществляется за счет того, что давление в баке 1 выше атмосферного. Вследствие заполнения магистралей контура системы охлаждения теплоносителем из бака 1 из них вытесняется первичная среда, содержавшаяся там до открытия клапана 2. Далее, в определенный момент времени происходит закрытие клапанов 2, 9. Общий вал 7 с расположенными на нем турбиной 3 и насосом 5 продолжает вращаться по инерции (подобно маховику). Насос 5 за счет запасенной механической энергии продолжает нагнетать теплоноситель в магистрали, расположенные между насосом 5 и обратным клапаном 8, и одновременно с этим продолжает высасывать теплоноситель из магистралей на участке, содержащем турбину 3 и теплообменник 4. При этом давление на участке, содержащем тракт охлаждения сверхзвуковой части сопла, растет, а на участке, содержащем турбину 3 и теплообменник 4, падает. Указанные тенденции изменения давлений усиливаются понижением температуры теплоносителя в теплообменнике и повышением его температуры в прогревшемся тракте охлаждения сверхзвуковой части сопла. В результате возникает заданный перепад давлений на обратном клапане 8, он открывается, возникает замкнутый контур циркуляции теплоносителя, после чего система охлаждения выходит на стационарный режим. На стационарном режиме работы теплоноситель охлаждает стенку сверхзвуковой части сопла, превращаясь при этом в пар, далее полученный пар «срабатывает» на турбине 3 и поступает в теплообменник 4, где, передавая тепловую энергию хладагенту, сам ожижается и поступает в насос 5, сжимается в нем и снова подается в тракт охлаждения сверхзвуковой части сопла 6. В качестве хладагента в теплообменнике используется один из компонентов топлива. Таким образом, на стационарном режиме работы подведенное к теплоносителю в тракте охлаждения тепло частично превращается на турбине в механическую энергию, вращающую насос, а неиспользованное на турбине тепло передается в теплообменнике хладагенту, который, являясь компонентом топлива, далее поступает в камеру и сгорает.
В устройстве для регенеративного охлаждения сверхзвуковой части сопла (Фиг.2) отсутствует выхлопной патрубок с клапаном - вместо него устанавливается ресивер 10. На стационарном режиме предложенное устройство охлаждения работает точно так же, как и рассмотренное выше (Фиг.1). Отличия имеются в процедуре запуска. Устройство охлаждения с самого начала представляет собой замкнутый контур, заполненный парами теплоносителя низкого давления. После открытия клапана 2 движение теплоносителя по контуру возникает не за счет стравливания теплоносителя из бака теплоносителя 1 в атмосферу, а за счет заполнения емкости ресивера 10. В остальном процесс запуска не отличается от рассмотренного выше.
При использовании в качестве хладагента криогенного компонента топлива в качестве теплоносителя может использоваться вещество с температурой затвердевания ниже, чем температура хладагента в теплообменнике, что исключит возможность замерзания теплоносителя, например хладагент - жидкий кислород, теплоноситель - метан. Преимуществом предложенного устройства для регенеративного охлаждения сверхзвуковой части сопла является то, что появляется возможность выбора для сопла более эффективного охладителя, не входящего в состав топлива. В настоящее время в рамках Федеральной космической программы ведется проработка двигателей, выполненных по схеме с дожиганием восстановительного газа. Также в России недавно создан действующий кислородно-метановый двигатель-демонстратор С5.86 с дожиганием восстановительного газа. Предлагаемое устройство может существенно повысить надежность двигателей такого типа.
Источники информации
1. Патент РФ №2166661 "Способ работы жидкостного ракетного двигателя с турбонасосной подачей кислородно-метанового топлива", опубл. 10.05.2001.
2. Патент РФ №2209993 "Способ работы жидкостного ракетного двигателя с турбонасосной подачей кислородно-метанового топлива", опубл. 10.08.2003.
3. Патент РФ №2205288, "Система охлаждения камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя", опубл. 27.05.2003.
4. Д.Ф.Слесарев, В.И.Тарарышкин и др. "Особенности организации охлаждения сопел маршевых ЖРД, выполненных по схеме с дожиганием восстановительного генераторного газа", опубл. журнал «Полет», №7,2011.