Устройство для создания избыточного давления и соответствующий способ - RU2607910C2

Чертежи

Описание

Область техники

Настоящее изобретение относится к области устройств и способов создания избыточного давления и, в частности, к устройству для создания избыточного давления в первом резервуаре посредством криогенной текучей среды, которая содержится во втором резервуаре и вводится в первый резервуар через контур создания избыточного давления после ее нагрева в теплообменнике этого контура создания избыточного давления.

Уровень техники

Устройства этого типа для создания избыточного давления используются, в частности, в области приводов тяги и, более конкретно, в системах подачи компонентов топлива реактивных двигателей, в частности, ракетных двигателей. Так, например, такое устройство для создания избыточного давления используется в главной криогенной ступени космической ракеты-носителя Ариан 5 для создания избыточного давления в резервуаре с жидким кислородом, предназначенным для подачи в главный двигатель Вулкан.

Недостаток таких устройств известного уровня техники для создания избыточного давления, в частности устройства, используемого в главной криогенной ступени, состоит в том, что во втором резервуаре должно создаваться избыточное давление с помощью газа, содержащегося под давлением в других резервуарах. Так, в главной криогенной ступени в резервуаре со сверхкритическим гелием подсистемы жидкого гелия, служащим для создания избыточного давления в резервуаре с жидким кислородом, создается избыточное давление с помощью газообразного гелия, подаваемого из резервуара с газообразным гелием, образующего емкость высокого давления. Эта емкость высокого давления содержит сверхкритический гелий под давлением около 400 бар при температуре окружающей среды. Три четверти гелия, содержащегося в емкости высокого давления, используются для создания избыточного давления в резервуаре со сверхкритическим гелием подсистемы жидкого гелия, остальное подается на клапаны подачи водорода и кислорода в корректирующую систему полярной орбитальной геофизической обсерватории, а также к блоку электроклапанов продувки двигателя и к блоку электроклапанов управления двигателя. Для приведения давления в емкости высокого давления к рабочему давлению ниже 100 бар для него необходима панель расширения и снижения давления. Масса емкости высокого давления вместе с панелью расширения и снижения давления существенно снижает полезную нагрузку ракеты-носителя. Кроме того, панель расширения и снижения давления представляет собой сложный механический компонент, который может снижать надежность ракеты-носителя.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является разработка устройства для создания избыточного давления в первом резервуаре, содержащего по меньшей мере второй резервуар, выполненный с возможностью содержать в себе криогенную текучую среду, и первый контур создания избыточного давления для обеспечения сообщения между вторым резервуаром и первым резервуаром, причем первый контур создания избыточного давления содержит по меньшей мере первый теплообменник для нагрева потока криогенной текучей среды, отводимого от второго резервуара через первый контур создания избыточного давления, при этом устройство обеспечивает создание избыточного давления во втором резервуаре без использования отдельного резервуара для газа под высоким давлением.

По меньшей мере в одном варианте осуществления решение этой задачи достигается благодаря тому, что устройство для создания избыточного давления дополнительно содержит второй контур создания избыточного давления с компрессором, ответвляющийся от первого контура создания избыточного давления и сообщающийся со вторым резервуаром. Таким образом, во втором резервуаре может быть создано избыточное давление без необходимости использования резервуара с газом высокого давления, с помощью текучей среды, отбираемой от второго резервуара и сжимаемой перед обратной инжекцией во второй резервуар.

В частности, криогенная текучая среда может содержаться во втором резервуаре в жидком или сверхкритическом состоянии для того, чтобы испаряться в первом теплообменнике. Согласно первому варианту изобретения, второй контур создания избыточного давления ответвляется от первого контура создания избыточного давления выше по потоку первого теплообменника. При этом устраняется обратный ввод криогенной текучей среды во второй резервуар при слишком высокой температуре.

Однако согласно второму, альтернативному варианту изобретения, второй контур создания избыточного давления ответвляется от первого контура создания избыточного давления ниже по потоку первого теплообменника. При этом используют увеличение теплосодержания криогенной текучей среды в первом теплообменнике для обеспечения создания избыточного давления во втором резервуаре.

Для обеспечения возможности запуска компрессора, в определенных вариантах заявленного устройства оно может дополнительно содержать турбину для приведения в действие компрессора. Однако в альтернативном случае устройство для создания избыточного давления может содержать другой вид двигателя, например электродвигатель для приведения в действие компрессора.

Изобретение относится также к системе подачи в реактивный двигатель по меньшей мере первого жидкого компонента топлива, содержащей по меньшей мере первый резервуар, выполненный с возможностью содержать в себе первый жидкий компонент топлива, и устройство для создания избыточного давления в первом резервуаре, содержащее по меньшей мере второй резервуар, выполненный с возможностью содержать в себе криогенную текучую среду, и первый контур создания избыточного давления для обеспечения сообщения между вторым резервуаром и первым резервуаром. Этот первый контур создания избыточного давления содержит по меньшей мере первый теплообменник для нагрева потока криогенной текучей среды, отводимого от второго резервуара через первый контур создания избыточного давления. Устройство для создания избыточного давления содержит также второй контур создания избыточного давления с компрессором, который обеспечивает сообщение первого контура создания избыточного давления со вторым резервуаром выше по потоку первого теплообменника. В частности, реактивный двигатель может быть ракетным двигателем. Если компрессор запускается турбиной, она может приводиться в действие, например, расширением компонента топлива, нагретого в теплообменнике, связанном с камерой тяги и/или с соплом ракетного двигателя.

Во избежание химической реакции с первым компонентом топлива криогенная текучая среда во втором резервуаре является инертной текучей средой, например, гелием. Альтернативно могут использоваться другие инертные текучие среды, такие как азот. Если первая криогенная текучая среда инертна, она может не только обеспечивать создание избыточного давления в первом резервуаре, но и также служить для продувки различных каналов и органов двигателя для устранения риска взрыва.

В частности, первый жидкий компонент топлива может быть окислителем и/или криогенной жидкостью с более высокой точкой конденсации, чем криогенная текучая среда во втором резервуаре. В частности, первый жидкий компонент топлива может быть жидким кислородом.

Далее, в некоторых вариантах осуществления система подачи топлива может дополнительно содержать по меньшей мере один турбонасос для перекачивания по меньшей мере первого жидкого компонента топлива и генератор горячих газов для приведения в действие по меньшей мере одного турбонасоса, причем первый теплообменник предназначен для нагрева потока криогенной текучей среды, отводимой из второго резервуара, теплом, генерируемым генератором горячих газов, в частности теплом, отбираемым от горячих газов, например, на выходе турбонасоса. При этом можно использовать по меньшей мере часть этого остаточного тепла (которое иначе было бы потеряно) для нагрева потока криогенной жидкости, отводимой из второго резервуара.

Изобретение относится также к способу создания избыточного давления в первом резервуаре, в котором поток криогенной текучей среды отбирают от второго резервуара через первый контур создания избыточного давления и нагревают по меньшей мере в первом теплообменнике, причем первую часть этого нагретого потока далее вводят в первый резервуар для создания в нем избыточного давления. По меньшей мере, в одном варианте изобретения вторую часть нагретого потока отводят от первого контура создания избыточного давления через второй контур создания избыточного давления, сжимают выше по потоку теплообменника с помощью компрессора второго контура создания избыточного давления и вводят во второй резервуар для создания избыточного давления во втором резервуаре.

Краткий перечень чертежей

Далее изобретение и его преимущества подробно пояснены со ссылкой на прилагаемые чертежи на примере конкретного варианта выполнения, не имеющего ограничительного характера. На чертежах:

фиг. 1 изображает схему системы подачи жидких компонентов топлива реактивного двигателя, соответствующей известному уровню техники;

фиг. 2 изображает схему системы подачи жидких компонентов топлива реактивного двигателя, соответствующей первому варианту изобретения;

фиг. 3 изображает схему системы подачи жидких компонентов топлива реактивного двигателя, соответствующей второму варианту изобретения;

фиг. 4 схематично изображает фрагмент устройства, соответствующего как первому, так и второму вариантам изобретения.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 показана схема системы 101 подачи жидких компонентов топлива реактивного двигателя, соответствующая известному уровню техники и, более конкретно, главному двигателю типа Вулкан в главной криогенной ступени космической ракеты-носителя типа Ариан 5.

Система 101 подачи топлива содержит первый резервуар 102, содержащий кислород - или, в более общем плане, окислитель, - в жидком состоянии в качестве первого компонента топлива, второй резервуар 103, содержащий сверхкритический гелий для создания избыточного давления в первом резервуаре, третий резервуар 104, содержащий газообразный гелий под высоким давлением для создания избыточного давления во втором резервуаре, и четвертый резервуар 105, содержащий водород, - или, в более общем плане, восстановитель, - в жидком состоянии в качестве второго компонента топлива. Система 101 подачи топлива содержит также контур 111 подачи кислорода в камеру 109 тяги и контур 112 подачи водорода в камеру 109 тяги, а также газогенератор 106, соединенный с выходами насосов 107b, 108b для его питания водородом и кислородом.

Контур 111 подачи окислителя содержит первый турбонасос 107, соединенный с газогенератором 106 для получения горячих газов для приведения в действие турбины 107а, которая приводит в действие насос 107b для подачи кислорода в камеру 109 тяги. Контур 112 подачи восстановителя содержит второй турбонасос 108, соединенный с газогенератором 106 также для получения горячих газов от газогенератора 106 для приведения в действие турбины 108а, которая приводит в действие насос 108b для подачи восстановителя в камеру 109 тяги.

Система 101 подачи топлива содержит также первый контур 113 создания избыточного давления, соединяющий второй резервуар 103 с первым резервуаром 102, и второй контур 114 создания избыточного давления, соединяющий третий резервуар 104 со вторым резервуаром 103 для создания избыточного давления во втором резервуаре 103. Первый контур 113 создания избыточного давления содержит первый теплообменник 115 для нагрева и испарения сверхкритического гелия, отводимого от второго резервуара 103, посредством тепла от горячих газов на выходе турбины 107а первого турбонасоса 107.

Контур 116 принудительного отбора отходит от первого контура 113 создания избыточного давления на выходе первого теплообменника 115. Этот контур 116 отбора позволяет подавать газообразный гелий в комплекс подсистем, требующих газообразного гелия, таких как системы продувки гелием.

Второй контур 114 создания избыточного давления содержит панель 118 расширения и снижения давления для регулирования пропускания газообразного гелия в двух направлениях. Второй контур 114 создания избыточного давления соединен со вторым резервуаром 103 через блок 119 водородных электроклапанов, управляющий клапаном 120 подачи водорода для управления контуром 112 подачи водорода. Кроме того, между панелью 118 расширения и снижения давления и блоком 119 водородных электроклапанов второй контур 114 создания избыточного давления содержит ответвления для питания различных блоков электроклапанов. Блок 121 кислородных электроклапанов служит для управления клапаном 130 подачи кислорода для управления контуром 111 подачи кислорода. Блок 122 электроклапанов служит для управления клапанами промывки и продувки. И, наконец, блок 123 электроклапанов служит для управления кислородным клапаном 124 камеры тяги, управляющим подачей кислорода в камеру 109 тяги, водородным клапаном 125 камеры тяги, управляющим подачей водорода в камеру 109 тяги, кислородным клапаном 126 газогенератора, управляющим подачей кислорода в газогенератор 106, и водородным клапаном 127 газогенератора, управляющим подачей водорода в газогенератор 106.

Система 101 подачи топлива содержит также в контуре 112 подачи водорода между вторым турбонасосом 108 и распылительной головкой 110 камеры 109 тяги второй теплообменник 128, называемый регенеративным теплообменником, служащий для охлаждения стенок камеры 109 тяги. Кроме того, в системе 101 подачи топлива третий контур 129 создания избыточного давления соединяет контур 112 подачи на выходе второго теплообменника 121 с четвертым резервуаром 105 для создания в нем избыточного давления с помощью водорода, испаренного во втором теплообменнике 128, до его отвода от контура 112 подачи водорода.

В этой известной из уровня техники системе 101 подачи топлива использование гелия под высоким давлением (около 400 бар) в третьем резервуаре 104, образующем емкость высокого давления объемом около 400 л для создания избыточного давления во втором резервуаре 103, связано с недостатком значительной общей массы, что снижает полезную нагрузку ракеты-носителя. Так, третий резервуар 104 имеет массу около 100 кг, к которой добавляется дополнительная масса панели 118 расширения и снижения давления, необходимая для снижения давления источника газообразного гелия в резервуаре 104 до давления использования ниже 100 бар.

На фиг. 2 показана система 1 подачи топлива в соответствии с первым вариантом изобретения, которая обеспечивает снижение массы и сложности по сравнению с известной системой. Система 1 подачи топлива содержит первый резервуар 2, содержащий жидкий кислород в качестве первого компонента топлива, второй резервуар 3, содержащий сверхкритический гелий для создания избыточного давления в первом резервуаре, третий резервуар 4, содержащий газообразный гелий, и четвертый резервуар 5, содержащий жидкий водород в качестве второго компонента топлива. Система 1 подачи топлива содержит также контур 11 подачи кислорода в камеру 9 тяги и контур 12 подачи водорода в камеру 9 тяги, а также газогенератор 6, соединенный с выходами насосов 7b, 8b для его питания водородом и кислородом.

Контур 11 подачи кислорода содержит первый турбонасос 7, соединенный с газогенератором 6 для получения горячих газов для запуска турбины 7а, которая приводит в действие насос 7b для подачи кислорода в камеру 9 тяги. Контур 12 подачи водорода содержит второй турбонасос 8, соединенный с газогенератором 6 также для получения горячих газов от газогенератора 6 для запуска турбины 8а, которая приводит в действие насос 8b для подачи водорода в камеру 109 тяги.

Система 1 подачи топлива содержит также первый контур 13 создания избыточного давления, соединяющий второй резервуар 3 с первым резервуаром 2. Первый контур 13 создания избыточного давления содержит первый теплообменник 15 для нагрева и испарения сверхкритического гелия, отводимого от второго резервуара 3, посредством тепла горячих газов на выходе турбины 7а первого турбонасоса 7. Второй контур 14 создания избыточного давления, ответвляющийся от первого контура 13 выше по потоку первого теплообменника 15, возвращается ко второму резервуару 3 и служит для создания в нем избыточного давления. Для этого второй контур 14 создания избыточного давления содержит турбокомпрессор 31, компрессор 31b которого служит для сжатия объема сверхкритического гелия, отводимого от первого контура 13 создания избыточного давления, для его обратного впрыска во второй резервуар 3. Контур 16 принудительного отбора отходит от первого контура 13 создания избыточного давления на выходе первого теплообменника 15. Этот контур 16 отбора позволяет подавать газообразный гелий в комплекс подсистем, требующих газообразного гелия, таких как системы продувки гелием.

Система 1 подачи топлива содержит также в контуре 12 подачи водорода между вторым турбонасосом 8 и распылительной головкой 10 камеры 9 тяги второй теплообменник 28, называемый регенеративным теплообменником, служащий для охлаждения стенок камеры 9 тяги. Кроме того, в системе 1 подачи топлива третий контур 29 создания избыточного давления соединяет контур 12 подачи на выходе второго теплообменника 28 с четвертым резервуаром 5 для создания в нем избыточного давления с помощью водорода, испаренного во втором теплообменнике 28, до его отвода от контура 12 подачи водорода. Контур 29 подачи водорода проходит через турбину 31а турбокомпрессора 31 ниже по потоку от второго теплообменника 28 таким образом, что частичное падение давления водорода, испаренного во втором теплообменнике 28, запускает турбину 31а для приведения в действие компрессора 31b, с которым она соединена.

Третий резервуар 4 соединен с блоком 19 водородных электроклапанов, блоком 21 кислородных электроклапанов и блоком 23 электроклапанов продувки для подачи к ним газообразного гелия под давлением. Как и в решении известного уровня техники, блок 19 водородных электроклапанов служит для управления клапаном 20 подачи водорода для управления контуром 12 подачи водорода, а блок 21 кислородных электроклапанов служит для управления клапаном 22 подачи кислорода для управления контуром 11 подачи кислорода. Блок 23 электроклапанов служит для управления клапанами промывки и продувки. И, наконец, кислородный клапан 24 камеры тяги, управляющий подачей кислорода в камеру 9 тяги, водородный клапан 25 камеры тяги, управляющий подачей водорода в камеру 9 тяги, кислородный клапан 26 газогенератора, управляющий подачей кислорода в газогенератор 6, и водородный клапан 27 газогенератора, управляющий подачей водорода в газогенератор 6, являются клапанами с непосредственным электрическим управлением, и это позволяет обойтись без блока электрокпапанов управления, используемого в решении известного уровня техники, что еще больше снижает потребность в сжатом гелии и, соответственно, снижает необходимую емкость третьего резервуара 4.

В этом частном варианте изобретения можно также использовать турбокомпрессор 31 ограниченных габаритов, а следовательно, и ограниченной массы для замены емкости высокого давления, которая в решении известного уровня техники образована резервуаром 104 газообразного гелия под высоким давлением при температуре окружающей среды, требующим при всем функционировании использования панели 118 расширения и снижения давления для снижения давления газообразного гелия до приемлемого рабочего давления. Так, например, резервуар 104 в сравнительном примере по фиг. 1, имеющий объем около 400 л, давление около 400 бар и массу около 100 кг, может быть заменен, вместе с панелью 118 расширения и снижения давления, турбокомпрессором массой меньше 20 кг.

В данном частном варианте изобретения турбокомпрессор 31 приводится в действие расширением небольшого потока газообразного водорода, поступающего на турбину 31а, причем сам этот поток водорода забирается от теплообменника 28, называемого регенеративным теплообменником, который служит для охлаждения стенок камеры 9 тяги. Компрессор 31b сжимает малый поток сверхкритического гелия, менее 50 г/с от второго резервуара 3, отводимый от первого контура 13 создания избыточного давления через второй контур 14 создания избыточного давления. На выходе компрессора 31b этот поток сверхкритического гелия достигает достаточного термодинамического состояния с давлением выше 30 бар и температурой выше 20 K для того, чтобы обеспечить создание избыточного давления во втором резервуаре 3 и поддерживать это давление несмотря на большой расход сверхкритического гелия из второго резервуара 3 для создания избыточного давления в первом резервуаре 2 и питания принудительного отвода.

В этом частном варианте изобретения достаточно использование третьего резервуара 4, содержащего небольшое количество газообразного гелия (например, емкостью меньше 100 л) под более низким давлением (например, под давлением ниже 100 бар) и при температуре окружающей среды, чтобы питать блок 21 кислородных электроклапанов и блок 22 электроклапанов продувки. При этом масса этого третьего резервуара 4, образующего емкость низкого давления, значительно ниже массы емкости высокого давления в решениях известного уровня техники. В этом примере осуществления устранение блока (119) водородных электроклапанов и блока (123) электроклапанов способствует снижению общей массы на величину порядка 100 кг по отношению к сравнительному примеру по фиг. 1.

В первом варианте изобретения для того, чтобы оптимизировать создание избыточного давления во втором резервуаре 3, второй контур 14 создания избыточного давления может проходить через теплообменник ниже по потоку от компрессора 31b, чтобы дополнительно повысить температуру криогенной текучей среды перед ее обратным впрыском во второй резервуар 3.

Во втором варианте изобретения, показанном на фиг. 3, в котором каждый элемент обозначен той же позицией, что и эквивалентный элемент на фиг. 2, второй контур 14 создания избыточного давления ответвляется от первого контура 13 создания избыточного давления ниже по потоку первого теплообменника 15, причем таким образом, что расход гелия, подлежащего обратному впрыску во второй резервуар 3, предварительно нагревается в первом теплообменнике 15 перед отбором во второй контур 14 создания избыточного давления и сжимается компрессором 31b. Остальные элементы этой системы 1 подачи топлива в соответствии со вторым вариантом изобретения расположены эквивалентно первому примеру варианту.

Хотя в двух вариантах осуществления по фиг. 2 и 3 компрессор 31b соединен с турбиной 31а и образует с ней турбокомпрессор 31, в показанном на фиг. 4 случае, который применим для обоих вариантов изобретения, компрессор 31b приводится в действие электродвигателем М. При этом достигается более гибкое управление компрессором 31b.

Хотя изобретение описано со ссылками на конкретные варианты осуществления, очевидно, что в пределах объема защиты изобретения, который определен пунктами формулы изобретения, возможны различные модификации и изменения. Соответственно, описание и чертежи следует рассматривать в качестве иллюстративных материалов, не имеющих ограничительного характера.

Реферат

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям, в частности, к устройству для создания избыточного давления в первом резервуаре (2), содержащему по меньшей мере второй резервуар (3), выполненный с возможностью содержать в себе криогенную текучую среду, первый контур (13) создания избыточного давления для обеспечения сообщения между вторым резервуаром (3) и первым резервуаром (2), причем первый контур (13) создания избыточного давления содержит по меньшей мере первый теплообменник (15) для нагрева потока криогенной текучей среды, отводимого от второго резервуара (3) через первый контур (13) создания избыточного давления, и второй контур (14) создания избыточного давления с компрессором (31b), ответвляющийся от первого контура (13) создания избыточного давления и сообщающийся со вторым резервуаром (3). Изобретение относится также к системе (1) подачи в реактивный двигатель по меньшей мере первого жидкого компонента топлива, содержащей по меньшей мере первый резервуар (2), выполненный с возможностью содержать в себе первый жидкий компонент топлива, и устройство для создания избыточного давления в первом резервуаре (2). Изобретение обеспечивает создание избыточного давления в первом резервуаре, содержащем второй резервуар с криогенной текучей средой. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула