Жидкостный ракетный двигатель

Введение

РД-0120 — жидкостный ракетный двигатель, работающий на жидком водороде и жидком кислороде. Двигатель выполнен по замкнутой схеме с дожиганием генераторного газа после турбины. Использовался в качестве двигателя на второй ступени ракеты-носителя «Энергия». Всего на второй ступени было установлено четыре двигателя РД-0120.

Двигатель РД-0120 начал разрабатываться в 1976 году в КБ химической автоматики (г. Воронеж), группой конструкторов под руководствомА. Д. Конопатова. Позднее главным конструктором проекта становится В. С. Рачук.

В перспективе предполагалось довести тягу двигателя до 230 тонн в вакууме и до 224 тонн на земле, с повышением удельного импульса до 460,5 секунд в вакууме и до 443 секунд на земле, а также сделать его многоразовым по типу РД-170.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оглавление

1. Предыстория……………………………………………………………………………………………….4
2. Общее сведения………………………………………………………………………………………….6
3. Описание конструкции………………………………………………………………………………..7
1. Камера…………………………………………………………………………………………………14
2. ТНА высокого давления………………………………………………………………………15
3. Бустерный насосный агрегат горючего………………………………………………16
4. Бустерный насосный агрегат окислителя…………………………………………..17
5. Газогенератор……………………………………………………………………………………..18
4. Заключение ……………………………………………………………………………………………….19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Предыстория

В 1965 году в КБХА велись работы над ядерными ракетными двигателями РД-0410 (11Б91Х) и РД-0411 (главный конструктор — Г.И.Чурсин), в качестве рабочего тела в которых использовался водород. Для этих двигателей были разработаны агрегаты подачи, регулирования и управления, работавшие на жидком водороде. Агрегаты были испытаны в составе «холодного» двигателя с имитацией реакторного подогрева водорода на стенде B-2 в НИИХИММАШе.

Разработка двигателя РД-0120 началась в 1976 году, после принятия правительством решения о разработке ракетной системы "Энергия"-"Буран". Главные конструкторы – Чурсин Г.И., Рачук В.С., ведущий конструктор – Никитин Л.Н.

При разработке агрегатов питания и регулирования был использован опыт создания агрегатов для водородных ЯРД, а также опыт создания водородных ЖРД 11Д56 (тягой 7.5 т, ОКБ-2, гл.конструктор Исаев А.М.) и 11Д57 (тягой 40 т, ОКБ-165, гл.конструктор Люлька А.М.). В КБХА долго обсуждался вопрос о количестве ТНА. При двух ТНА каждый из насосов для компонентов с очень разными физическими свойствами может работать на оптимальных для перекачиваемого компонента оборотах. Однако при такой схеме сложно синхронизировать работу двух ТНА, особенно на переходных режимах - запуске и дросселировании. В итоге, учитывая отсутствие опыта в разработке двигателей с двумя ТНА и имея сомнения в способности отечественной электроники обеспечить синхронизацию насосов, было решено делать один одновальный агрегат (на маршевом двигателе американского шаттла SSME стоят два ТНА).

Первое огневое испытание двигателя на режиме малой тяги длительностью 4.58 с проведено в марте 1979 г. Первое огневое испытание на режиме тяги 100% длительностью 600 с проведено в мае 1984 г.

До первого огневого испытания в составе блока Ц "Энергии" в феврале 1986 г. (двигатель работал на режиме 100%) проведено 385 огневых испытаний 61 доводочного двигателя с суммарной наработкой 48400 с. До первого пуска "Энергии" в мае 1987 г. (двигатель работал на режиме 100 %) проведено 482 огневых испытания 79 доводочных двигателей с суммарной наработкой 75000 с. До поставки двигателя, работоспособного на штатном режиме 106 + 3 % для "Энергии", проведено 689 огневых испытаний 83 доводочных двигателей с суммарной наработкой 133900 с. На 1 марта 1991 г. общая наработка при 785 испытаниях двигателя составляла 166250 с. Наибольшая наработка на одном двигателе - 4072 с при 9 включениях (испытания 1987-1988 гг.). Наибольшее время одного пуска - 1202 с (январь 1988 г.). Наибольший достигнутый режим форсирования - 123 % в течение 100 с (сентябрь 1987 г.).

Основные огневые испытания двигателя РД-0120 проводились на стендах сначала в Загорске, а затем в Нижней Салде (Свердловская область).

В перспективе предполагалось довести тягу двигателя РД-0120 до 230 тонн в пустоте и до 224 тонн на земле, с повышением удельного импульса до 460.5 секунд в пустоте и до 443 секунд на земле, а также сделать его многоразовым по типу РД-170.

 

 

 

 

 

 

 

2.Общие сведения

Двигатель выполнен по схеме дожигания генераторного газа после турбины и включает в себя следующие основные агрегаты:

• камера сгорания

• турбонасосный агрегат (ТНА) высокого давления

• бустерный насосный агрегат горючего (БНАГ)

• бустерный насосный агрегат окислителя (БНАО)

• газогенератор

• пневмоклапаны управления запуском и выключением

• регулятор с электроприводом

• исполнительный элемент системы управления величиной тяги

• запальные устройства камеры сгорания

• система продувки

• датчики системы аварийной защиты.

 

3.Описание конструкции

Пневмогидравлическая схема

 

 

Двигатель содержит камеру сгорания КС, газогенератор ГГ, ТНА высокого давления, бустерный насосный агрегат горючего БНАГ с турбиной Т2, бустерный насосный агрегат окислителя БНАО с гидротурбиной Т3. ТНА имеет одноблочную конструкцию, включающую в себя трехступенчатый центробежный насос горючего НГ, основной центробежный насос окислителя НОО, дополнительный центробежный насос окислителя НОД и двухступенчатую турбину Т1.

Основной насос окислителя НОО выполнен с двухсторонним входом. Вход основного насоса окислителя соединен с выходом бустерного насоса БНАО. Выход основного насоса окислителя соединен с смесительной головкой камеры КС через дроссель ДР1, пусковой дроссель ДР2 и пуско-отсечной клапан К8.

Дополнительный насос окислителя НОД - с односторонним входом, который соединен со входом основного насоса НОО с помощью перепускных каналов, выполненных в корпусах насосов. Выход дополнительного насоса соединен с газогенератором ГГ через регулятор тяги РТ и клапан К1.

Бустерный насос окислителя БНАО - двухступенчатый шнековый, двухвальный, с соосным расположением валов и приводом ступеней насоса от соответствующих ступеней гидротурбины Т3 с разными скоростями вращения. Вход гидротурбины соединен с отводящим трубопроводом дополнительного насоса НОД. Выход гидротурбины соединен с подводящим трубопроводом основного насоса НОО.

Центробежный насос горючего НГ выполнен трехступенчатым. Вход насоса горючего соединен с выходом бустерного насосного агрегата горючего БНАГ. Выход насоса соединен с газогенератором ГГ через пуско-отсечной клапан К3, а также с рубашкой охлаждения камеры КС через клапан К7.

Бустерный насос горючего БНАГ - шнеко-центробежный, одновальный, с приводом от газовой турбины Т2, вход которой соединен с рубашкой охлаждения, а выход - с смесительной головкой камеры КС.

Для воспламенения компонентов топлива в камере сгорания КС и газогенераторе ГГ предназначены запальные устройства ЗП2 и ЗП1 соответственно. Запальные устройства форкамерно-факельного типа соеденены с отводящим трубопроводом насоса горючего НГ через клапаны К4 и К5. Запальное устройство ЗП1 соеденено с входным трубопроводом основного насоса окислителя НОО через клапан К2, а запальное устройство ЗП2 - с выходным трубопроводом основного насоса окислителя через клапан К9. Каждое запальное устройство снабжено двумя электрическими свечами зажигания.

Выход газогенератора ГГ соединен с входом турбины Т1 ТНА высокого давления. Выход турбины соединен с смесительной головкой камеры КС двумя газоводами. На каждом из газоводов установлен теплообменник для подогрева гелия для наддува бака окислителя ракеты.

Газообразный водород для наддува бака горючего, питания рулевых машин и турбогенераторной системы электроснабжения отбирается после охлаждения камеры сгорания через трубопровод с расходным дросселем ДР3.

Система управления включает пневмоклапаны, баллоны со сжатым гелием и электро-пневмоклапаны. Пневмоклапаны являются исполнительными агрегатами управления запуском и остановом двигателя и приводятся в действие гелием от баллонов высокого давления. Открытие клапанов обеспечивается подачей напряжения на соответствующие электро-пневмоклапаны. Гелий из баллонов через электро-пневмоклапан подается в управляющие полости пневмоклапанов, открывая их.

Регулирование тяги осуществляется регулятором РТ, установленным в магистрали окислителя генератора. Регулирование соотношения компонентов осуществляется дросселем ДР1, установленным в магистрали окислителя камеры. При этом обеспечение соотношения компонентов топлива в камере при запуске осуществляется пусковым дросселем ДР2.

 

Работа двигателя

 

Во время работы жидкий кислород из бака поступает в бустерный насос окислителя БНАО. С выхода бустерного насоса окислителя по подводящему трубопроводу кислород подается на вход основного насоса НОО, откуда по перепускным каналам кислород поступает также на вход дополнительного насоса НОД.

После основного насоса кислород поступает по отводящему трубопроводу с дросселями ДР1, ДР2 и клапаном К8 в смесительную головку камеры сгорания КС. Установленный в этой магистрали дроссель ДР1 обеспечивает регулирование соотношения компонентов в камере сгорания КС.

После дополнительного насоса кислород подается по отводящему трубопроводу с регулятором РТ и клапаном К1 в смесительную головку газогенератора ГГ. Установленный в этой магистрали регулятор РТ обеспечивает регулирование тяги двигателя.

На гидротурбину Т3 бустерного насоса окислителя БНАО подается кислород, отбираемый с выхода дополнительного насоса НОД. После гидротурбины кислород поступает в трубопровод, соединенный с выходом бустерного насоса окислителя, и далее по этому трубопровод - на вход основного насоса окислителя.

Через основной насос окислителя НОО протекает только кислород, поступающий в камеру сгорания КС, а через дополнительный насос НОД - кислород, подводимый в газогенератор и на гидротурбину бустерного насоса окислителя БНАО.

Жидкий водород из бака поступает в бустерный насос горючего БНАГ, с выхода которого водород подводится на вход насоса горючего НГ ТНА высокого дваления. После насоса водород подается по отводящему трубопроводу с клапаном К3 в газогенератор ГГ. Часть жидкого водорода по отводящему трубопроводу поступает в рубашку охлаждения камеры сгорания КС, в котором газифицируется и подается на двухступенчатую газовую турбину Т2 бустерного насоса БНАГ горючего.

Часть газофицированного водорода отбирается из рубашки охлаждения камеры сгорания и через расходный дроссель ДР2 поступает на наддув бака горючего ракеты, а также для питания рулевых машин и турбогенераторной системы электроснабжения.

После турбины Т2 водород по трубопроводу поступает в полость охлаждения огневого (переднего) днища смесительной головки камеры сгорания КС. Охлаждление огневого днища - транспирационное: газообразный водород поступает в огневую камеру через поры в материале огневого днища. Кроме того, часть водорода из полости охлаждения расходуется на создание пристеночного слоя в камере сгорания.

Часть поступившего в газогенератор жидкого водорода расходуется на охлаждение цилиндра газогенератора ГГ. Большая часть жидкого водорода через смесительную головку подается в огневую камеру однозонного газогенератора, где смешивается с кислородом и частично сгорает.

Крутящий момент от турбины Т1 передается к валу насоса горючего НГ, а также через шлицевую рессору к валу основного и дополнительного насосов окислителя.

Во время работы двигателя клапаны К2 и К9 закрыты, и запальные устройства ЗП2 и ЗП1 работают как струйные форсунки горючего, поступающего через открытые клапаны К4 и К5.

Запуск

 

В исходном состоянии все клапаны закрыты.

Перед запуском двигателя включается профилактическая продувка полости окислителя генератора и камеры, охлаждающего тракта камеры, разделительной полости турбонасосного агрегата.

Затем открываются подбаковые клапаны ракеты (на схеме не показаны) и под воздействием гидростатического напора и давления наддува в баках происходит заполнение насосов и трубопроводов горючего до клапанов К3, К4, К5, К6 и К7, насосов и трубопроводов окислителя - до клапанов К1, К2, К8, К9, К10.

Открытием клапана К6 циркуляции горючего и подачей гелия (азота?) через обратный клапан КО1 на турбину бустерного насоса горючего БНАГ начинается "вялая" раскрутка ротора бустерного насоса, создающего напор, достаточный для обеспечения циркуляции жидкого водорода через насосы горючего, отводящий трубопровод и клапан К6. "Вялая" раскрутка производится минимально необходимое для захолаживания насосов горючего и трубопроводов (до пуско-отсечного клапана К3) время - чрезмерное увеличение этого времени приводит к излишним достартовым выбросам водорода.

Открытием клапана К10 циркуляции окислителя и под воздействием гидростатического напора и давления наддува в баке производится циркуляции жидкого кислорода через насосы окислителя, трубопроводы и клапан К10.

За несколько секунд до запуска подается напряжение на агрегат зажигания.

Затем открытвается клапан (на рис.2.3 не показан) в линии подачи горючего из отводящего трубопровода насоса НГ на охлаждение подшипника турбины, и включается интенсивная продувка линии окислителя запальных устройств. Время выключения интенсивной продувки запальников выбрано таким образом, чтобы к моменту подачи окислителя в магистрали отсутствовало противодавление.

Непосредственно перед запуском запальных устройств производится интенсивная раскрутка ротора бустерного насоса горючего БНАГ для набора давления водорода на входе в запальники. Включается интенсивная продувка магистралей генератора и камеры.

С открытием клапанов К2 и К4 окислитель и горючее поступают в запальник газогенератора, где воспламеняются электрическими свечами.

После открытия клапана К7 происходим заполнение горючим охлаждающего тракта камеры сгоряния.

После этого окислитель и горючее одновременно (с разницей не более 0.2-0.3 с) подаются в газогенератор (открытием клапанов К3 и К1) и окислитель - в смесительную головку камеры сгорания (открытием клапана К8).

Одновременно с открытием клапана горючего газогенератора К3 закрывается клапан циркуляции горючего К6.

После выхода двигателя на режим малой тяги закрытием клапанов К2 и К9 прекращается подача окислителя в запальные устройства и включается интенсивная продувка перекрытых трубопроводов для удаления из них остатков окислителя.

Для исключения образования взрывоопасной смеси газов во внутренних полостях двигателя после его выключения расчетно-экспериментальным путем были отработаны оптимальные по длительности, расходу, месту подвода рабочего тела режимы продувки двигателя гелием и азотом. Эти продувки включаются непосредственно при выключении двигателя и продолжаются в течение всего времени удаления компонентов топлива, предотвращая накопление возможных утечек во внутренних полостях, флегматизируя и удаляя их в атмосферу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1 Камера

 

Камера сгорания представляет собой паяно-сварной неразъемный агрегат и состоит из смесительной головки, камеры сгорания и сопла. Сопло и камера охлаждаются частью водорода, отбираемого после насоса ТНА высокого давления.

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2 Турбонасосный агрегат (ТНА) высокого давления

 

Турбонасосный агрегат высокого давления выполнен по одновальной схеме и состоит из двухступенчатой осевой реактивной турбины, трехступенчатого насоса горючего (давление на выходе из насоса примерно 475 атм.) и двух насосов окислителя (основного и дополнительного).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3 Бустерный насосный агрегат горючего (БНАГ)

 

Для обеспечения бескавитационной работы насоса горючего ТНА высокого давления при заданном давлении во входной магистрали (1.35 атм.) в двигателе предусмотрен бустерный насосный агрегат горючего (БНАГ).

Бустерный насосный агрегат горючего - шнеко-центробежный, одновальный, с приводом от двухступенчатой газовой турбины. Рабочим телом турбины является газифицированный в рубашке охлаждения камеры сгорания водород.

Давление горючего на выходе из бустерного насоса составляет 44 атм.

 

 

1. подвод газообразного водорода из рубашки охлаждения камеры

2. отвод отработанного водорода в смесительную головку камеры

3. подвод жидкого водорода в насос

4. отвод жидкого водорода из насоса

 

3.4 Бустерный насосный агрегат окислителя (БНАО)

 

Для обеспечения бескавитационной работы насосов осислителя ТНА высокого давления при заданном давлении во входной магистрали (2.1 атм.) в двигателе предусмотрен бустерный насосный агрегат окислителя (БНАО).

Бустерный насос окислителя – осевой двухступенчатый шнековый, двухвальный, с соосным расположением валов и приводом ступеней насоса от соответствующих ступеней гидротурбины с разными скоростями вращения. Рабочим телом гидротурбины является жидкий кислород, отбираемый из отводящего трубопровода дополнительного насоса окислителя ТНА высокого давления. После гидротурбины жидкий кислород сбрасывается в подводящий трубопровод основного насоса ТНА.

 

 

1. трехступенчатая гидротурбина

2. подвод жидкого кислорода к гидротурбине

3. отвод отработанного жидкого кислорода

4. подвод жидкого кислорода в насос

5. отвод жидкого кислорода из насоса

 

3.5 Газогенератор

 

Газогенератор вырабатывает газ с избытком горючего для привода турбины ТНА высокого давления и представляет собой паяно-сварную конструкцию, состоящую из смесительной головки, коллектора подвода горючего и корпуса.

Газогенератор двигателя - однозонный: все топливо поступает в огневую камеру через смесительную головку, содержащую струйно-центробежные двухкомпонентные форсунки. В периферийном ряду смесительной головки также применены соосно-струйные форсунки.

Выравнивающая решетка обеспечивает заданную неравномерность температурного поля генерируемого газа, температура которого на выходе из генератора составляет 800 K.

Охлаждение газогенератора осуществляется водородом, поступающим в рубашку охлаждения из коллектора горючего. После рубашки охлаждения водород сбрасывается в цилиндр газогенератора.

 

1. выравнивающая      решетка

2. посадочное место запального устройства

3. подвод окислителя

4. смесительная головка

5. подвод горючего

6. рубашка охлаждения

 

 

4. Заключение

 

В настоящее время в мире в эксплуатации и на стадии разработки находится более десяти кислородно-водородных ЖРД. В России не эксплуатируется ни одной РН с использованием жидкого водорода.

Выполнение работ высококвалифицированными специалистами, собственное производство для изготовление узлов, агрегатов и двигателя в целом, производство водорода, наличие стенда для проведения огневых испытаний на штатных компонентах, большой опыт КБХА, полученный при создании

Кислородно-водородного ЖРД РД0120, и текущие работы по двигателям семейства РД0146 позволяет в короткий срок разработать и ввести в эксплуатацию надежный современный кислородно-водородный ЖРД требуемой размерности для конкретной РН.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы:

1. РД-0120 на сайте КБХА
2. Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. - М.: МГТУ, 2005
3. Описание изобретения к патенту Российской Федерации RU 2083881. ТУРБОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ
4. Гончаров Г.И., Гуртовой А.А., Липля-

    вый И.В., Лобов С.Д., Шостак А.В. Создание  кислородно-водородных жидкостных ракетных двигателей            семейства РД0146 для верхних ступеней и разгонных блоков  перспективных ракет-носителей // Международный научный журнал «Космонавтика». 2012. No 1–2. С. 24–31