РД на метане

[Salo]

Дем пишет:
Создать можно любую хрень. А чем он лучше-то?

Возможностью форсирования на 33%. Мало?

[Mark]

 Salo пишет:

Дем пишет:
Создать можно любую хрень. А чем он лучше-то?

Возможностью форсирования на 33%. Мало?

Оптимално  
  
Факт, на ВРБ будут 4 двигатели. В случае отказа одного двигателя, остальные три будут работать на 133%. Будет полная компенсация двигателя который не работает и пуск МРКН будет успешным.

[Mark]

Повышение эффективности системы подачи топлива кислородно-метанового ЖРД с дожиганием восстановительного генераторного газа. Мирошкин, Вячеслав Васильевич, кандидат технических наук.

Очень интересная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Диссертация изложена на 118 страницах, содержит 31 рисунок, 8 таблиц и библиографию из 63 наименований.

Результаты исследований по метановым ЖРД, изложенные в диссертации, использованы в отчетах НПО Энергомаш и в Евро-Российском проекте "Волга". Апробации, публикации
По теме диссертации имеются 16 научных публикаций (статьи, доклады, патенты), в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК.Основные результаты работы, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на Российской межотраслевой научно-технической конференции "Ракетно-космические двигатели" (Москва, МГТУ им. Баумана, 2005 г.), отраслевой научно-технической конференции (г. Химки, НПО Энергомаш, 2001 г.) и опубликованы в тезисах и докладах упомянутых конференций. Личный вклад автора:

- разработка предложений по разгрузке турбины ТНА кислородно-метановых ЖРД;
- разработка методик определения параметров кислородно-метановых ЖРД, определяющих оптимальную работу замкнутого контура привода метановой турбины;
- исследование предложенных схем ЖРД и обоснование перспективности путей разгрузки ТНА многоразового ЖРД.

 

Дальнейшее развитие ракетной техники и жидкостных ракетных двигателей связано со снижением затрат на выведение полезных нагрузок в космос и повышением безопасности полетов.
Снижение стоимости выведения полезных нагрузок может быть достигнуто путем создания средств выведения многоразового использования.
Для повышения надежности конструкции ракет-носителей предлагается использовать двигательные установки первых ступеней носителя, состоящих из нескольких модульных двигателей, и в случае отказа одного из двигателей система аварийной защиты (САЗ) отключает отказавший двигатель, а оставшиеся работоспособные двигатели форсируются на величину тяги, компенсирующую потерю отказавшего двигателя. Тем самым обеспечивается выполнение задачи ракеты-носителя.
Разработка ЖРД на экологически чистых компонентах топлива: метан (сжиженный природный газ) в паре с жидким кислородом отвечает тенденциям развития современных ракет-носителей.
Во-первых, использование в двигателе двух криогенных компонентов во многом способствует решению задач по многоразовому использованию двигателя, так как после выключения кислородно-метанового ЖРД остатки топлива быстро испаряются из его магистралей.
Во-вторых, возможность реализации на данных компонентах топлива схем ЖРД с дожиганием восстановительного генераторного газа позволяет повысить надежность конструкции ракет-носителей: последствия от неисправностей в газовом тракте с избытком метана от генератора до камеры развиваются значительно медленнее, чем в газовом тракте с избытком кислорода, что облегчает задачу САЗ вовремя отключить отказавший двигатель.

Как показали исследования, начавшиеся сначала в США в 70-е годы [1], затем в других странах, возможность использования ракетного топлива "кислород - сжиженный природный газ (метан)" действительно очень интересная альтернатива для существующих средств выведения (СВ), работающих на традиционных ракетных топливах. Но особенный интерес вызвало рассмотрение применения метанового топлива в проектирующихся перспективных многоразовых СВ.
Изучение метановых ЖРД началось в Японии около 20 лет назад как возможность совершенствования ракеты H-II. Недавно в Японии было начато рассмотрение возможностей создания двухступенчатой ракеты среднего класса "J-l upgrade", как замены существующей ракеты J-1, с использованием метанового ЖРД на второй ступени [2]. Проведены огневые испытания двигателя.
Для сохранения в перспективе конкурентоспособности Европейских ракет-носителей Ариан 5 на развивающемся рынке услуг по запускам космических аппаратов (КА) на период 2010-2020 гг. в Европе ведется целенаправленная работа по увеличению на 25 % массы и снижению более чем на 30% стоимости выведения полезной нагрузки за счет применения твердотопливных ускорителей и замены их в дальнейшем на ускорители, работающие на топливе "кислород -сжиженный природный газ" [3].

Исследованиями показано, что применение многоразовых метановых ЖРД на первой возвращаемой ступени ракетоносителя позволяет решить поставленные задачи по снижению стоимости вывода полезной нагрузки. Однако это должно быть показано практически. Для этого ведется экспериментальная программа по демонстраторам многоразовых средств выведения, работающих на метановом топливе.

С 1981 г. в НПО Энергомаш ведутся расчетно-проектные исследования ЖРД на сжиженном природном газе (метане) [4.6], получившие поддержку головных институтов отрасли [7. 11].
В процессе проводившихся в отрасли исследований рассматривались различные варианты схем ЖРД: с дожиганием и без дожигания, двухкомпонентные, трехкомпонентные, безгенераторные с приводом турбины метаном, нагретом в тракте регенеративного охлаждения камеры, дальнейшим охлаждением кислородом, поступающим в камеру, и сбросом на вход в насос и др. [12.25].
В результате проведенных исследований, опираясь на уникальный опыт разработки ЖРД НПО "Энергомаш" было предложено [26] в качестве основы концепции многоразового маршевого ЖРД для перспективных средств выведения ориентироваться на разработку однокамерного ЖРД тягой ~200 тс на топливе "жидкий кислород -сжиженный природный газ (метан)", по схеме с дожиганием восстановительного генераторного газа, с использованием камеры прототипа РД-170 (с доработкой в части увеличения критического сечения и с заменой смесительной головки и др.), с возможностью форсирования до +25% (резерв тяги).
Возможность создания такого двигателя обоснована успешно проведенными в 1997-2005 гг. 5-ю огневыми испытаниями двигателя КБХМ им. А.М.Исаева тягой 7,5 тс, выполненного по схеме с дожиганием восстановительного генераторного газа, на топливе "жидкий кислород - метан (СПГ)" [27] и проведенными в 1998 г. огневыми испытаниями в КБХА двигателя РД0110МД [28].


Многоразовое использование ЖРД и резервирование по тяге требуют от двигателя высоких энергетических характеристик при высокой надежности конструкции ЖРД.
При этом требуемое гарантийное время работы каждого экземпляра двигателя превосходит на порядок и более гарантийное время работы ЖРД однократного применения.
Предусмотренное форсирование по тяге в случае отказа одного из модульных двигателей, входящих в двигательную установку (ДУ) еще более ужесточает требования к повышению надежности и увеличению ресурса работы двигателя.
Одним из важнейших элементов ЖРД, определяющих надежность и ресурс работы двигателя, является система подачи компонентов топлива. Статистика показывает, что наибольшее число отказов ЖРД происходит именно в агрегатах этой системы. И наиболее часто неисправности в этой системе связаны с работой турбины турбонасосного агрегата (ТНА).
Температурные нагрузки на рабочее колесо турбины, приводящие к пластическому деформированию конструкции, вносят существенный вклад в напряженно-деформированное состояние внутренних элементов конструкции ТНА.
Именно поэтому конструкторские решения и технологические мероприятия, направленные на понижение температуры генераторного газа на входе в турбину, повышение запасов работоспособности турбины, считаются наиболее эффективными при решении задачи по повышению надежности, увеличению ресурса работы и обеспечению возможности работы двигателя на форсированных режимах.

В этой ситуации представляет интерес ряд свойств метана как компонента жидкого ракетного топлива. Во-первых, хорошие охлаждающие свойства метана позволяют организовать надежное охлаждение камеры метанового ЖРД при значительно меньших расходах и перепадах на тракте охлаждения камеры, чем на прототипе камеры РД-170, охлаждаемой керосином, более того, упростить конструкцию камеры в части охлаждения, например, перейти на схему охлаждения камеры без щелевых завес [29].
Во-вторых, метан, как криогенное горючее, будучи нагретый в тракте регенеративного охлаждения камеры, может быть использован в качестве рабочего тела турбины в системе подачи компонентов топлива. Широко известны аналогичные примеры использования тепловой энергии, полученной охладителем - рабочим телом турбины в тракте охлаждения камеры, для получения механической работы турбины. Многие из них относятся к кислородно-водородным двигателям: в двигателе КВД1 разработки КБ Химмаш имени А.М.Исаева водород, нагретый в тракте охлаждения камеры, используется для привода турбины бустера горючего, а в двигателе RL-10 разработки Pratt&Whitney турбина, работающая на водороде, нагретом в тракте охлаждения камеры, используется для привода насосов компонентов топлива.
В отличие от водорода метан, после срабатывания на турбине можно сбрасывать на вход в насос. Более того, его можно, в отличие от водорода, охладить кислородом в теплообменнике перед поступлением в насос. Т.е. в случае использования метанового горючего появляются новые схемные решения системы подачи компонентов топлива, которые могут быть реализованы в метановых ЖРД в целях понижения температуры генераторного газа на входе в турбину и разгрузки турбины.

Первое новое схемное решение - использование нагретого в тракте охлаждения камеры метана в качестве рабочего тела турбины метанового бустерного турбонасосного агрегата (БТНА). При этом метан после срабатывания на турбине подается на вход метанового насоса ТНА.
Основная задача, которую необходимо решить при реализации этого конструкторского решения - определение влияния дополнительного подогрева рабочего тела турбины БТНА на энергетику кислородно-метанового ЖРД, а именно:

- на сколько уменьшится температура генераторного газа на входе в турбину ТНА при замене гидротурбины метанового БТНА на газовую турбину, работающую на метане, нагретом в тракте охлаждения;
- чему соответствует оптимальный температурный диапазон для рабочего газа турбины метанового БТНА и может ли быть реализована такая температура метана при охлаждении камеры ЖРД.
Следует отметить, что на турбину БТНА поступает только часть расхода метана (около 10%) от всего расхода на охлаждение камеры.
Этот факт приводит к другому новому схемному решению - к использованию "комбинированной" схемы системы подачи топлива: схемы с дожиганием генераторного газа и схемы с замкнутым контуром привода дополнительной турбины ТНА, работающей на всем расходе метана, нагретого в охлаждающем тракте камеры двигателя.
В такой комбинированной схеме системы подачи компонентов топлива для получения механической работы используется как энергия продуктов сгорания в газогенераторе, так и тепловая энергия, полученной метаном в тракте регенеративного охлаждения.

При этом отработавший на турбине метан перед поступлением на вход метанового насоса может охлаждаться кислородом в теплообменнике.
К числу основных вопросов, относящихся к реализации комбинированной схемы, относятся:
- на сколько уменьшится температура генераторного газа на входе в турбину ТНА при использовании комбинированной системы подачи по сравнению с обычной схемой дожигания восстановительного генераторного газа;
- анализ влияния различных факторов на энергетическую эффективность комбинированной схемы и получение рекомендаций по выбору основных параметров;
- какова эффективность использования кислородного теплообменника в схеме;
- возможно ли расположение турбины, работающей на генераторном газе и турбины, работающей на метане из охлаждающего тракта камеры на разных валах ТНА.

Об эффективности комбинированной схемы можно судить по результатам работ с участием автора, проведенных в НПО Энергомаш, с целью оценить возможности ЖРД с замкнутым контуром привода турбины ТНА ("безгенераторных" схем ЖРД) [30-33].
Проведенные исследования [30] показали, что "безгенераторные" схемы ЖРД тягой 80 тс и более, работающие на метане, нагретом в тракте охлаждения камеры, не позволяют реализовать высокие давления в камере рк из-за низкого теплосъема с охлаждающего тракта. Однако вырабатываемая мощность метановой турбины в этих схемах значительна. Максимальное давление в камере около 60 кгс/см2, в 4-5 раз ниже давления в камере двигателя с дожиганием [6]. На основании этого можно ожидать, что потребная мощность основой турбины ТНА в схемах с использованием дополнительной турбины, работающей на подогретом в охлаждающем тракте камеры метане, понизится на 2025%.
Таким образом есть все основания полагать, что предложенные новые схемные решения позволят решить задачу по повышению надежности, увеличению ресурса работы и обеспечению возможности работы метанового двигателя на форсированных режимах.

Общая характеристика работы
 
Актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью повышения надежности конструкции ракет-носителей и снижения удельной стоимости вывода полезных грузов в космос.
Снижение стоимости может быть достигнуто путем создания средств выведения многоразового полетного использования и применением дешевого топлива.
Сжиженный природный газ (метан) - самое дешевое горючее из известных.
Цель настоящей работы - повышение надежности, увеличение ресурса работы и обеспечение более высокого уровня форсирования по тяге кислородно-метанового двигателя, предложенного в качестве базового ЖРД для перспективных средств выведения, путем снижения температурных нагрузок на рабочее колесо турбины ТНА, работающей на восстановительном турбогазе, за счет работы дополнительной турбины, работающей на метане, нагретом в тракте регенеративного охлаждения камеры.
Задачи работы - дополнить задел проектных решений по кислородно-метановому двигателю, направленных на разгрузку турбины, работающей на восстановительном турбогазе, за счет работы турбины, работающей на метане, нагретом в тракте регенеративного охлаждения, не противоречащих требованиям к ЖРД для перспективных СВ и определить эффективность этих предложений.

Для выполнения этого необходимо: 1. Рассмотреть основные требования к ЖРД для перспективных средств выведения, на основании которых была предложена концепция базового ЖРД многоразового использования - ЖРД тягой -200 тс на топливе "жидкий кислород - сжиженный природный газ (метан)", с дожиганием восстановительного турбогаза.
2. Рассмотреть варианты решений по усовершенствованию базовой схемы кислородно-метанового ЖРД, направленные на разгрузку турбины, работающей на восстановительном турбогазе, за счет работы дополнительной турбины, работающей на метане, нагретом в тракте регенеративного охлаждения.
3. Разработать методику, позволяющую найти параметры ЖРД (давление на входе и выходе метановой турбины, температуру метана), при которых эффективность применения дополнительной метановой турбины максимальна.
4. На основании выбранных оптимальных параметров определить: на сколько можно разгрузить основную турбину ТНА таким способом.
5. Выявить основные ключевые проблемы, связанные с реализацией данных схемных решений.
Объект исследования - класс ЖРД тягой -200 тс на топливе "жидкий кислород - сжиженный природный газ (метан)", с дожиганием восстановительного турбогаза, дополнительно имеющий в своем составе турбину, работающую на метане, нагретом в тракте регенеративного охлаждения камеры.


Достоверность полученных результатов базируется на применении освоенных в отрасли методик расчетов, подтвержденных многочисленными экспериментальными данными. Научная новизна работы 1. Впервые предлагаются схемы использования метана, нагретого в тракте охлаждения камеры, для привода турбины бустерного насосного агрегата горючего и привода дополнительной турбины основного ТНА, обеспечивающие снижение температурных нагрузок на турбину ТНА, работающую на восстановительном генераторном газе.
2. Впервые проведён расчетный анализ эффективности указанных схем.
3. Разработана методика определения параметров кислородно-метановых ЖРД, определяющих оптимальную работу замкнутого контура привода метановой турбины.

http://www.dissercat.com/content/povyshenie-effektivnosti-sistemy-podachi-topliva-kislorodno-metanovogo-zhrd-s-dozhiganiem-vo

[Старый]

Salo пишет:

Дем пишет:
Создать можно любую хрень. А чем он лучше-то?

Возможностью форсирования на 33%. Мало?

Стой, стой, стой. Расскажи как оно будет форсироваться то и как работать в номинальном режиме.

[Mark]

Повышение эффективности системы подачи топлива кислородно-метанового ЖРД с дожиганием восстановительного генераторного газа.
Из диссертации, ВЫВОДЫ:
 

1. Исследованы пути повышения эффективности системы подачи топлива кислородно-метанового ЖРД с дожиганием восстановительного генераторного газа для увеличения надежности и работоспособности ЖРД при многоразовом полетном использовании, и найдены новые решения, связанные с полезным использования тепловой энергии, полученной метаном в охлаждающем тракте камеры:
- привод турбины бустерного насосного агрегата горючего подогретым метаном с подачей отработанного на турбине рабочего тела на вход в насос горючего;
- использование в системе подачи топлива дополнительного замкнутого контура привода турбин ТНА и БНА горючего, работающих на полном расходе метана из охлаждающего тракта камеры с последующим охлаждением метана в теплообменнике и подачей на вход в насос горючего.

2. Показана экономичность предложенной схемы привода турбины БНА горючего. При соблюдении исходных условий замена гидротурбины метанового БНА на газовую турбину, приводимую нагретым метаном, обеспечивает то же давление в камере при меньшей на -20 градусов температуре генераторного газа.
3. Показана энергетическая эффективность комбинированной схемы с дополнительным замкнутым контуром привода турбин ТНА и БНА горючего, снижение рабочей температуры генераторного газа по сравнению с базовой схемой составляет 60-125°, в зависимости от наличия и параметров теплообменника.

4. Применительно к ЖРД тягой -200 тс рекомендовано использовать двухвальный ТНА с расположением вторых ступеней насосов на одном валу с турбиной, работающей на метане из охлаждающего тракта камеры, и первых ступеней с основной турбиной, работающей на генераторном газе на другом валу, что позволяет улучшить параметры системы подачи в целом.

 
 

[C-300]

Mark пишет:
Факт, на ВРБ будут 4 двигатели. В случае отказа одного двигателя, остальные три будут работать на 133%. Будет полная компенсация двигателя который не работает и пуск МРКН будет успешным.

del
А, всё, разобрался

[Mark]

Александр Хороших пишет:

Mark пишет:
Факт, на ВРБ будут 4 двигатели. В случае отказа одного двигателя, остальные три будут работать на 133%. Будет полная компенсация двигателя который не работает и пуск МРКН будет успешным.

del
А, всё, разобрался

В анализах ВРБ примерно доказано, что для надежности МРКН нужно 4 однокамерные двигатели которые в случае отказа при старте или уже в полете, компенсируют двигателя каторый не работает. То только один из многих аспектов и анализ. Сделали тоже анализы с РД-180, это абсолютные не идёт, тем более и с РД-171.

[blik]

Salo пишет:
Возможностью форсирования на 33%. Мало?

бесподобно
1. отказываемся от ТНА на сладком газе, то есть понижаем надежность 1 движка где то в 4 раза
2. увеличиаем количество движков в 4 раза, то есть понижаем надежность системы еще в 4 раза (итого в 16 раз)
3. и что бы скомпенсировать потери введем форсирование на 33% для горячей замены

а знают ли "изобретатели", что такой размен неубыточен по надежности ТОЛЬКО при суммарной надежности "перспективного" двигателя более 98%, включая режим форсирования. В то время как надежность серии РД 171,180,191 =~ 97.3%
То есть все эти выкрутасы - обычный баблопил.

PS вариант с горячей заменой имеет смысл, если ГГ на кислом газе подключается только на форсировании. 

[Salo]

В РД-107-108 окислительный газ тоже только на форсировании подключается?  
Что там у нас с низкой надёжностью РД-107-108?

[blik]

Salo пишет:

В РД-107-108 окислительный
газ тоже только на форсировании подключается?    
Что там у нас с
низкой надёжностью РД-107-108?

Неужели мне нужно объяснять Вам разницу в надежности открытой и закрытой схем ?? !! 

[Salo]

Т.е. окислительный газ уже не при делах?
Расскажите о низкой надёжности 11Д33, 11Д58, РД-253.

[blik]

Salo пишет:

Т.е. окислительный газ уже не
при делах?
Расскажите о низкой надёжности 11Д33, 11Д58, РД-253.

Уважаемый, не отвлекайтесь. Я написал про бессмысленность "ЧУДЫ с форсированием" и могу доказать это расчетом прямо на коленке.  Про "окислительный газ вообще" я не писал и писать не собирась. Андестенд ?

[Salo]

blik пишет:
Уважаемый, не отвлекайтесь. Я написал про бессмысленность "ЧУДЫ с форсированием" и могу доказать это расчетом прямо на коленке.

Напишите Рачуку, чтобы он заценил Ваше колено.  

blik пишет:
Про "окислительный газ вообще" я не писал и писать не собирась. Андестенд ?

Кто-то вскрыл ваш аккаунт?

blik пишет:
PS вариант с горячей заменой имеет смысл, если ГГ на кислом газе подключается только на форсировании.

Компрене ву?

[blik]

Salo

Если у вас есть аргументы в защиту чуды с форсированием, я с удовольствием их прочитаю, если смогу - обсчитаю. Но перекидываться пустыми постами мне не интересно.

PS По поводу Рачука - не ошибается тот, кто ничего не делает. От того, что я вижу недостатки проекта не следует, что я не уважаю людей, которые делают проект. Или я могу ошибаться или в следующий раз конструкторы могут сделать нечто стоящее. Хотя в пылу полемики можно и перегнуть палку )

[fagot]

blik пишет:
То есть все эти выкрутасы - обычный баблопил.

Это попил не обычный, а искусство ради искусства. Так-то конечно все в курсе, что проще сделать как планировалось на Руси-М, когда горячее резервирование обеспечивалось дефорсированием РД-180 в номинальном режиме.

[Вернер П.]

Господа, между прочим, на первой странице статьи в принципах проектирования ни слова о форсировании:

          При выборе принципиальной схемы
(рис.1) и основных параметров маршевого
ЖРД многократного использования [2] с це-
лью минимизации риска создания двигателя
в основу был положен принцип умеренного
уровня термомеханической напряженности
 основных деталей и исключения (по воз-
можности) вопросов:
         - сажеобразование в турбинном тракте при использовании восстановительного газа;
       - опасность возгорания конструктив-ных элементов турбины, работающей на  окислительном
      газе;
      - разрушение лопаток турбин при ма-лоцикловом нагружении;
      - разрушение паяных оболочек камеры от чрезмерного статического давления горю-чего в
        охлаждающем тракте;
       - повышение долговечности горячей стенки камеры сгорания.

[Salo]

Вариант хуже чем на Руси-М придумать сложно, ибо для горячего резервирования на трёх РД-180 стартовую массу уронили до 665 тс. Т.е. фактическая тяговооружённость около 2.

[fagot]

Так ведь на Руси-М и двигателей было всего три, при четырех стартовую массу придется не так существенно уменьшать. А вообще все преимущество такой схемы перед обычной однотурбинной - небольшое увеличение УИ на номинале за счет большего давления в КС при той же температуре генераторного газа.

[Salo]

Неглупый пишет:
Господа, между прочим, на первой странице статьи в принципах проектирования ни слова о форсировании:

Это далеко не первая статья об этом двигателе. И обратите внимани на два уровня тяги.

[Вернер П.]

fagot пишет:
Так ведь на Руси-М и двигателей было всего три, при четырех стартовую массу придется не так существенно уменьшать. А вообще все преимущество такой схемы перед обычной однотурбинной - небольшое увеличение УИ на номинале за счет большего давления в КС при той же температуре генераторного газа.

В данном случае количество переходит в качество, температура газа ниже пороговой для стали.
А вторая турбина, работающая на  холодном  газе и без сажи, не сильно усложняет ТНА