RU2429369C2 - Single- or multi-shaft turbo pump of liquid-propellant rocket engine - Google Patents
Single- or multi-shaft turbo pump of liquid-propellant rocket engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2429369C2 RU2429369C2 RU2008132128/06A RU2008132128A RU2429369C2 RU 2429369 C2 RU2429369 C2 RU 2429369C2 RU 2008132128/06 A RU2008132128/06 A RU 2008132128/06A RU 2008132128 A RU2008132128 A RU 2008132128A RU 2429369 C2 RU2429369 C2 RU 2429369C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- turbine
- shaft
- generator
- stage
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
- Jet Pumps And Other Pumps (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к области машиностроения и, в частности, турбонасосному агрегату жидкостного ракетного двигателя.The invention relates to the field of mechanical engineering and, in particular, to a turbopump unit of a liquid propellant rocket engine.
Предшествующий уровень техникиState of the art
В жидкостных ракетных двигателях широко применяются турбонасосные агрегаты, выполненные как по одновальной схеме, в которой турбины работают на общий вал, приводя одновременно насосы окислителя и горючего, так и по многовальный схеме, при которой каждая турбина приводит свой насос.In liquid rocket engines, turbopump units are widely used, made both according to the single-shaft scheme, in which the turbines work on a common shaft, driving both oxidizer and fuel pumps, and according to the multi-shaft scheme, in which each turbine brings its own pump.
Известен одновальный турбонасосный агрегат жидкостного ракетного двигателя, состоящий из центробежных одноступенчатых насосов окислителя и горючего и осевой двухступенчатой турбины, с разделением между ступенями общего перепада давления (см. американский жидкостной ракетный двигатель F-1, разработанный фирмой Rocketdyne, «Космонавтика» энциклопедия, гл. редактор В.П.Глушко, М.: Советская энциклопедия, с.420, 1995 г.). Это техническое решение принимаем за аналог предлагаемого изобретения.A single-shaft turbo pumping unit of a liquid propellant rocket engine is known, consisting of centrifugal single-stage oxidizer pumps and a fuel and axial two-stage turbine, with a separation between the steps of the total differential pressure (see the American liquid rocket engine F-1, developed by Rocketdyne, "Cosmonautics" encyclopedia, chap. Editor V.P. Glushko, M .: Soviet Encyclopedia, p. 420, 1995). This technical decision is taken as an analogue of the invention.
Недостаток аналога выражается в падении температуры газа между ступенями турбины (между турбинами турбонасосного агрегата двухвальной схемы), что приводит к падению мощности турбины, которое требуется компенсировать увеличением других параметров, таких как расход газа и перепад давления, а также увеличением размеров турбины. Кроме того, это сопровождается и ухудшением характеристик и самого жидкостного ракетного двигателя.The disadvantage of the analogue is expressed in a drop in the gas temperature between the turbine stages (between the turbines of the turbopump unit of the two-shaft scheme), which leads to a drop in the turbine power, which must be compensated by an increase in other parameters, such as gas flow and pressure drop, as well as an increase in turbine size. In addition, this is accompanied by a deterioration in the performance of the liquid propellant rocket engine itself.
Известен также турбонасосный агрегат жидкостного ракетного двигателя, включающий два одновальных турбонасосных агрегата, имеющих насос соответствующего компонента топлива и двухступенчатые турбины. В этой схеме турбонасосного агрегата газ, вырабатываемый газогенератором, используется последовательно для привода турбонасосного агрегата подачи горючего и турбонасосного агрегата подачи окислителя (см. американский жидкостной ракетный двигатель F-1, разработанный фирмой Rocketdyne, «Космонавтика» энциклопедия, гл. редактор В.П.Глушко, М.: Советская энциклопедия, с.420, 1995 г.). Данное техническое решение принимаем за прототип предлагаемого изобретения.Also known is a turbopump unit of a liquid propellant rocket engine, including two single shaft turbopump units having a pump of the corresponding fuel component and two-stage turbines. In this scheme of a turbopump assembly, the gas produced by the gas generator is used sequentially to drive a turbopump fuel supply unit and a turbopump oxidizer supply unit (see the F-1 American liquid rocket engine developed by Rocketdyne Encyclopedia, editor-in-chief V.P. Glushko, Moscow: Soviet Encyclopedia, p. 420, 1995). This technical solution is taken as a prototype of the invention.
Недостатки прототипа аналогичны недостаткам аналога. Однако прототип обладает улучшенной компоновкой, позволяющей повысить надежность работы турбонасосного агрегата за счет исключения установки уплотнений в полостях между насосами.The disadvantages of the prototype are similar to the disadvantages of the analogue. However, the prototype has an improved layout that improves the reliability of the turbopump due to the exclusion of the installation of seals in the cavities between the pumps.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей настоящего изобретения является повышение энергетических характеристик многоступенчатых турбин турбонасосных агрегатов жидкостного ракетного двигателя за счет восстановления (повышения) температуры газа на входе очередной ступени.The objective of the present invention is to increase the energy characteristics of multi-stage turbines of turbopump units of a liquid rocket engine by restoring (increasing) the gas temperature at the inlet of the next stage.
Эта задача решена за счет того, что в одновальном или многовальном турбонасосном агрегате жидкостного ракетного двигателя, включающем насосы горючего и окислителя, и многоступенчатую турбину (раздельные турбины), работающую (работающие) на газе, получаемом в газогенераторе при сжигании топлива с избытком одного из компонентов, при этом газ с выхода первой ступени турбины (первой турбины) поступает на вход второй ступени турбины (второй турбины), отличающийся тем, что между двумя ступенями турбины (первой и второй турбинами) установлено устройство для подогрева генераторного газа.This problem is solved due to the fact that in a single-shaft or multi-shaft turbopump unit of a liquid propellant rocket engine, including fuel and oxidizer pumps, and a multi-stage turbine (separate turbines), operating (working) on gas received in the gas generator when burning fuel with an excess of one of the components while gas from the exit of the first stage of the turbine (first turbine) enters the input of the second stage of the turbine (second turbine), characterized in that between the two stages of the turbine (first and second turbines) is installed roystvo for heating the gas generator.
Другими отличиями предлагаемого изобретения являются:Other differences of the invention are:
- в качестве устройства для подогрева газа применен дополнительный газогенератор, одним из компонентов топлива которого является генераторный газ, а другим - компонент топлива, обеспечивающий при их сжигании повышение температуры генераторного газа;- an additional gas generator is used as a device for heating gas, one of the fuel components of which is generator gas, and the other is a fuel component, which ensures that the temperature of the generator gas increases during their combustion;
- устройство для подогрева газа выполнено в виде теплообменника, греющим телом которого (теплоносителем) является газ, вырабатываемый газогенератором, а нагреваемым телом является отработанный газ первой ступени турбины (первой турбины);- the device for heating the gas is made in the form of a heat exchanger, the heating body of which (heat carrier) is the gas produced by the gas generator, and the heated body is the exhaust gas of the first stage of the turbine (first turbine);
- число ступеней многоступенчатой турбины равно двум;- the number of stages of a multistage turbine is equal to two;
- число турбин, последовательно соединенных и установленных на автономных валах, равно двум.- the number of turbines connected in series and installed on autonomous shafts is equal to two.
Технический результат заключается в снижении температуры генераторного газа на входе первой ступени турбины (первой турбины) при сохранении мощности турбины турбонасосного агрегата или, при необходимости, в увеличении мощности турбины при сохранении имеющегося уровня температуры генераторного газа.The technical result consists in lowering the temperature of the generator gas at the inlet of the first stage of the turbine (first turbine) while maintaining the turbine power of the turbopump unit or, if necessary, in increasing the turbine power while maintaining the existing temperature of the generator gas.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
На Фиг.1 представлена принципиальная схема одновального турбонасосного агрегата с подогревом газа с помощью дополнительного газогенератора.Figure 1 presents a schematic diagram of a single-shaft turbopump unit with gas heating using an additional gas generator.
На Фиг.2 представлена принципиальная схема двухвального турбонасосного агрегата с подогревом газа с помощью дополнительного газогенератораFigure 2 presents a schematic diagram of a twin-shaft turbopump unit with gas heating using an additional gas generator
На Фиг.3 представлена принципиальная схема одновального турбонасосного агрегата с подогревом газа в теплообменнике.Figure 3 presents a schematic diagram of a single-shaft turbopump unit with gas heating in the heat exchanger.
На Фиг.4 представлена T-S (температура-энтропия) диаграмма, иллюстрирующая термодинамику процессов, происходящих в турбине, при исходном варианте (процесс ED) и при предлагаемом изобретении (процесс ABCD).Figure 4 presents the T-S (temperature-entropy) diagram illustrating the thermodynamics of the processes occurring in the turbine, with the original version (process ED) and with the present invention (process ABCD).
Пример осуществления изобретенияAn example embodiment of the invention
Турбонасосный агрегат 1 (Фиг.1) выполнен по одновальной схеме. Он включает соосно установленные насос горючего 2 с подкачивающей ступенью 3, насос окислителя 4, газовую турбину 5 с первой и второй ступенями 6 и 7. Своим питающим коллектором 8 турбина 5 подключена к газогенератору 9, а выходным коллектором 10 - к форсуночной головке камеры двигателя (не показано).Turbopump unit 1 (Figure 1) is made according to a single-shaft scheme. It includes a coaxially mounted
Питание газогенератора 9 жидким горючим и окислителем осуществляется от высоконапорных магистралей 11 и 12, которые подсоединены к подкачивающей ступени 3 насоса горючего 2 и к выходу насоса окислителя 4 соответственно. Выходной коллектор первой ступени 6 турбины 5 соединен газоводом 13 со второй ступенью 7 турбины 5. В этом газоводе установлено устройство 14 для нагрева генераторного газа. В качестве этого устройства применен дополнительный газогенератор 15, одним из компонентов топлива которого является генераторный газ (газ с избытком окислителя), а другим - компонент топлива - горючее, обеспечивающий при их сжигании повышение температуры генераторного газа. Подвод горючего в дополнительный газогенератор 15 осуществляется от магистрали 16.The
В другом варианте (Фиг.2) турбонасосный агрегат 1 выполнен по двухвальной схеме, при этом турбина 17 приводит насос окислителя 4, а турбина 18 - насос горючего 2. В газоводе 13, соединяющим турбины 17 и 18, также установлен дополнительный газогенератор 15. Выход из коллектора турбины 18 соединен с входом в форсуночную головку (не показано).In another embodiment (Figure 2), the turbopump unit 1 is made according to a two-shaft scheme, with the
В следующем варианте (Фиг.3) исполнения одновального турбонасосного агрегата для нагрева генераторного газа применен теплообменник 19, который установлен в газоводе 13, соединяющим ступени 6 и 7 турбины 5. Греющим телом теплообменника 19 является генераторный газ, вырабатываемый газогенератором 15, а нагреваемым телом является отработанный генераторный газ первой ступени турбины 5. При этом температура генераторного газа на выходе из газогенератора 15 должна быть больше температуры газа на входе в первую ступень 6 турбины 5 на величину, обеспечивающую работу теплообменника 19.In a further embodiment (FIG. 3), a single-shaft turbopump assembly for heating the generator gas uses a
Работа устройстваDevice operation
Сжиженный окислитель (кислород) самотеком поступает в насос 4, из которого по высоконапорной магистрали 12 подается в газогенератор 15. Жидкое горючее (керосин) также самотеком поступает из подкачивающей ступени насоса 3 по высоконапорной магистрали 11 в газогенератор 15. В результате сжигания компонентов топлива в газогенераторе 15 образуется генераторный газ, который поступает в первую ступень 6 турбины 5 (Фиг.1 и Фиг.3) или турбину 17 (Фиг.2), затем входит в газовод 13, где он нагревается в дополнительном газогенераторе 15 (Фиг.1 и Фиг.2) или в теплообменнике 19 (Фиг.3), после чего поступает во вторую ступень 7 турбины 5 (Фиг.1 и Фиг.3) или турбину 18 (Фиг.2) и приводит во вращение насосы горючего 2 и окислителя 4 через общий вал (Фиг.1 и Фиг.3) или два вала (Фиг.2).The liquefied oxidizer (oxygen) by gravity enters the pump 4, from which it is supplied through the high-
На Фиг.4 представлена T-S диаграмма, показывающая прирост температуры рабочего газа между двумя ступенями турбины. Как показано на Фиг.4 двухступенчатый процесс ABCD с промежуточным восстановлением температуры рабочего газа за счет изобарного нагрева (участок ВС) позволяет получить работу (сумму разниц энтальпий начала и конца процессов на участках АВ и CD), равную или близкую работе исходного одноступенчатого процесса ED (разнице энтальпий начала и конца процесса ED) при существенно меньшей температуре на входе в турбину и, соответственно, на выходе из газогенератора.Fig. 4 is a T-S diagram showing an increase in working gas temperature between two stages of a turbine. As shown in Fig. 4, the two-stage ABCD process with intermediate recovery of the working gas temperature due to isobaric heating (section BC) allows one to obtain work (the sum of the differences in the enthalpies of the beginning and end of the processes in sections AB and CD) equal to or close to the operation of the initial single-stage process ED ( the difference in the enthalpies of the beginning and end of the ED process) at a significantly lower temperature at the turbine inlet and, accordingly, at the outlet of the gas generator.
Таким образом, введение промежуточного подогрева газа между ступенями турбины (между двумя последовательно работающими турбинами, например в точке процесса расширения газа, делящей пополам суммарный перепад давления в двухступенчатой турбине (турбинах)) позволяет уменьшить температуру газа на входе турбины на 8-10% по отношению к входной температуре без промежуточного подогрева.Thus, the introduction of intermediate gas heating between the turbine stages (between two sequentially operating turbines, for example, at the point of gas expansion process, halving the total pressure drop in a two-stage turbine (s)) allows reducing the gas temperature at the turbine inlet by 8-10% with respect to to the inlet temperature without intermediate heating.
Такое снижение температуры позволяет в ряде случаев обеспечить требования норм прочности и гарантировать реализацию заданных режимов работы и запасов работоспособности жидкостных ракетных двигателей.Such a decrease in temperature makes it possible in some cases to ensure the requirements of strength standards and to guarantee the implementation of predetermined operating modes and operational reserves of liquid-propellant rocket engines.
Промышленное применениеIndustrial application
Предлагаемый турбонасосный агрегат готов для применения в ракетной технике и, в частности, в жидкостных ракетных двигателях.The proposed turbopump unit is ready for use in rocket technology and, in particular, in liquid rocket engines.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008132128/06A RU2429369C2 (en) | 2008-08-06 | 2008-08-06 | Single- or multi-shaft turbo pump of liquid-propellant rocket engine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008132128/06A RU2429369C2 (en) | 2008-08-06 | 2008-08-06 | Single- or multi-shaft turbo pump of liquid-propellant rocket engine |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008132128A RU2008132128A (en) | 2010-02-20 |
| RU2429369C2 true RU2429369C2 (en) | 2011-09-20 |
Family
ID=42126553
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008132128/06A RU2429369C2 (en) | 2008-08-06 | 2008-08-06 | Single- or multi-shaft turbo pump of liquid-propellant rocket engine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2429369C2 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4589253A (en) * | 1984-04-16 | 1986-05-20 | Rockwell International Corporation | Pre-regenerated staged-combustion rocket engine |
| DE3506826A1 (en) * | 1985-02-27 | 1986-08-28 | Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, 8012 Ottobrunn | Method for the operation of a liquid-fuelled rocket engine and rocket engine for implementing the method |
| RU2246023C2 (en) * | 2002-12-04 | 2005-02-10 | Бахмутов Аркадий Алексеевич | Turbo-pump supply system for liquid-propellant rocket engine |
| RU2302548C1 (en) * | 2006-04-10 | 2007-07-10 | Николай Борисович Болотин | Turbopump set of liquid-propellant rocket engine |
-
2008
- 2008-08-06 RU RU2008132128/06A patent/RU2429369C2/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4589253A (en) * | 1984-04-16 | 1986-05-20 | Rockwell International Corporation | Pre-regenerated staged-combustion rocket engine |
| DE3506826A1 (en) * | 1985-02-27 | 1986-08-28 | Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, 8012 Ottobrunn | Method for the operation of a liquid-fuelled rocket engine and rocket engine for implementing the method |
| FR2577996A1 (en) * | 1985-02-27 | 1986-08-29 | Messerschmitt Boelkow Blohm | Operating rocket fuelled by liquid hydrogen and oxygen |
| RU2246023C2 (en) * | 2002-12-04 | 2005-02-10 | Бахмутов Аркадий Алексеевич | Turbo-pump supply system for liquid-propellant rocket engine |
| RU2302548C1 (en) * | 2006-04-10 | 2007-07-10 | Николай Борисович Болотин | Turbopump set of liquid-propellant rocket engine |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Жидкостной ракетный двигатель F-1, разработанный фирмой Rocketdyne, "Космонавтика", энциклопедия, гл. ред. В.П.Глушко. - М.: Советская энциклопедия, 1995, с.420. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008132128A (en) | 2010-02-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10584614B2 (en) | Waste heat recovery simple cycle system and method | |
| US20100000217A1 (en) | Turbine engine with interstage heat | |
| US20130255271A1 (en) | Fuel Supply System | |
| WO2001031181A1 (en) | Gas turbine cooling system | |
| WO2005003533A2 (en) | High compression gas turbine with superheat enhancement | |
| JP2006083857A (en) | High thrust gas turbine engine with improved core system | |
| WO2008038497A1 (en) | Gas turbine | |
| US20100043388A1 (en) | Gas turbine engine arrangement | |
| CN105986899B (en) | Power generation system having compressor creating excess air flow and turboexpander utilizing same | |
| EP3741972A1 (en) | Turbojet engine for hypersonic vehicle | |
| JP2008267385A (en) | Expander cycle rocket engine and method for operating expander cycle rocket engine | |
| RU2352804C1 (en) | Liquid propellant jet engine | |
| RU2376483C1 (en) | Nuclear gas turbine engine with afterburning | |
| JP2006084171A (en) | Cooling system for gas turbine engine with improved core system | |
| RU2429369C2 (en) | Single- or multi-shaft turbo pump of liquid-propellant rocket engine | |
| CN116291873B (en) | A gas turbine with a secondary combustion detonation combustion chamber | |
| US8407981B1 (en) | Johnson Sexton cycle rocket engine | |
| RU2334115C1 (en) | Double-stage gas turbine engine | |
| RU2389887C1 (en) | Combined nuclear boost aircraft engine | |
| RU2539315C1 (en) | Liquid-propellant rocket engine turbopump unit | |
| RU37774U1 (en) | LIQUID ROCKET ENGINE WITH TURBO PUMP SUPPLY OF TWO-COMPONENT OXYGEN-HYDROCARBON FUEL | |
| CN116085112B (en) | Gas turbine based on supercharging heat exchanger and control method thereof | |
| CN116104645B (en) | Gas turbine system of distributed detonation combustor | |
| RU2391525C1 (en) | Combined nuclear boost aircraft engine | |
| RU2349775C1 (en) | Nuclear gas-turbine aviation engine |