Цикл экспандера - Expander cycle

Детандерный ракетный цикл. Детандерный ракетный двигатель (замкнутый цикл). Тепло от сопла и камеры сгорания приводит в действие топливный насос и насосы окислителя.

В цикл экспандера это энергетический цикл двухкомпонентная ракета двигатель. В этом цикле топливо используется для охлаждения камеры сгорания двигателя, сбора тепла и изменения фазы. Нагретое, теперь газообразное топливо затем приводит в действие турбину, которая приводит в действие топливный насос двигателя и насосы окислителя, прежде чем впрыскиваться в камеру сгорания и сжигаться.

Из-за необходимого изменения фазы цикл детандера ограничен правило квадратного куба. Поскольку размер колоколообразного сопла увеличивается с увеличением тяги, площадь поверхности сопла (из которой можно отводить тепло для расширения топлива) увеличивается как квадрат радиуса. Однако объем топлива, который необходимо нагреть, увеличивается как куб радиуса. Таким образом, существует максимальный объем двигателя примерно 300 кН (70000 фунт-сила) тяги, за которой больше не хватает площади сопла для нагрева топлива, достаточного для работы турбин и, следовательно, топливных насосов. Более высокие уровни тяги могут быть достигнуты с использованием цикла байпасного детандера, когда часть топлива обходит турбину и / или охлаждающие каналы камеры осевого давления и направляется непосредственно к форсунке главной камеры. Нетороидальный аэроспайк двигатели не страдают от тех же ограничений, потому что линейная форма двигателя не подчиняется закону квадрата-куба. По мере увеличения ширины двигателя объем нагреваемого топлива и доступная тепловая энергия линейно возрастают, что позволяет создавать двигатели произвольной ширины. Все двигатели с детандерным циклом должны использовать криогенное топливо такие как водород, метан или пропан, которые легко достигают своих точки кипения.

Некоторые двигатели с расширительным циклом могут использовать газогенератор некоторого вида, чтобы запустить турбину и запустить двигатель до тех пор, пока тепловложение от камеры тяги и юбки сопла не возрастет по мере роста давления в камере.

В открыто цикл, или цикл «стравливания» детандера, только часть топлива нагревается для приведения в действие турбин, которое затем сбрасывается в атмосферу для повышения эффективности турбины. Хотя это увеличивает выходную мощность, выброшенное топливо приводит к снижению эффективности топлива (более низкий удельный импульс двигателя). А закрыто Тактодетандерный двигатель направляет выхлоп турбины в камеру сгорания (см. изображение справа).

Некоторые примеры двигателей с детандерным циклом: Aerojet Rocketdyne RL10 и Двигатель винчи на будущее Ариана 6.[1]

Цикл отвода воздуха из расширителя (открытый цикл)

Цикл слива расширителя. Открытый цикл расширителя (также называется отводом охлаждающей жидкости).

Этот рабочий цикл является модификацией традиционного цикла расширителя. В цикле выпуска (или открытия), вместо того, чтобы направлять нагретое топливо через турбину и отправлять его обратно на сжигание, только небольшая часть топлива нагревается и используется для приведения в действие турбины, а затем стравливается и выбрасывается за борт без проходит через камеру сгорания. Отвод выхлопных газов турбины позволяет повысить производительность турбонасоса за счет уменьшения обратное давление и максимизация падения давления в турбине. По сравнению со стандартным циклом детандера это приводит к более высокой тяге двигателя за счет повышения эффективности из-за бесполезной траты удаленного топлива.[2][3]

Двойной экспандер (замкнутый цикл)

Подобным образом ступенчатое горение может быть реализована отдельно на окислителе и топливе на полный цикл потока, цикл детандера может быть реализован двумя отдельными путями как цикл двойного экспандера. Использование горячих газов того же химического состава, что и жидкость для турбин и насосов турбонасосов, устраняет необходимость в продувках и некоторых режимах отказа. Кроме того, когда плотность топлива и окислителя значительно различается, как в ЧАС2 /LOX В этом случае оптимальные скорости турбонасосов различаются настолько сильно, что между топливным насосом и насосом окислителя необходима коробка передач.[4][5] Использование двойного детандерного цикла с отдельными турбинами устраняет эту подверженную сбоям часть оборудования.[5]

Цикл двойного расширителя может быть реализован с использованием отдельных секций на система регенеративного охлаждения для топлива и окислителя, или при использовании одной жидкости для охлаждения и теплообменник вскипятить вторую жидкость. В первом случае, например, вы можете использовать топливо для охлаждения камера сгорания, и окислитель для охлаждения сопло. Во втором случае вы можете использовать топливо для охлаждения всего двигателя и теплообменник для кипячения окислителя.[5]

Преимущества

Цикл экспандера имеет ряд преимуществ перед другими конструкциями:[нужна цитата ]

Низкая температура
После перехода в газообразное состояние топливо обычно имеет температуру, близкую к комнатной, и практически не повреждает турбину, что позволяет повторно использовать двигатель. В отличие газогенератор или же ступенчатое горение двигатели работают со своими турбинами при высоких температурах.
Толерантность
Во время разработки RL10 инженеры были обеспокоены тем, что изоляционная пена, установленная внутри бака, может сломаться и повредить двигатель. Они проверили это, добавив пену в топливный бак и пропустив ее через двигатель. RL10 пережевал его без проблем и заметного снижения производительности. Обычные газогенераторы на практике представляют собой миниатюрные ракетные двигатели со всеми вытекающими отсюда сложностями. Блокировка даже небольшой части газогенератора может привести к перегреву, что может вызвать серьезную поломку двигателя. Использование раструба двигателя в качестве «газогенератора» также делает его очень устойчивым к загрязнению топлива из-за более широких каналов потока топлива.
Собственная безопасность
Поскольку двигатель с колоколообразным детандерным циклом имеет ограниченную тягу, его легко можно спроектировать, чтобы выдерживать его максимальную тягу. В двигателях других типов заклинивание топливного клапана или подобная проблема может привести к выходу двигателя из-под контроля из-за непреднамеренной системы обратной связи. Для других типов двигателей требуются сложные механические или электронные контроллеры, чтобы этого не происходило. Циклы расширителя по своей конструкции не могут работать со сбоями таким образом.

использование

К двигателям детандерного цикла относятся:

Сравнение верхних ступеней двигателей с детандерным циклом

Характеристики
　RL10 БИ 2БЭ-3УВинчиYF-75DРД-0146 DЛЭ-5АЛЭ-5Б
Страна происхождения Соединенные Штаты Соединенные Штаты Франция Китайская Народная Республика Россия Япония Япония
ЦиклРасширительЦикл слива расширителяРасширительРасширительРасширительЦикл слива расширителя,
расширитель сопла		Цикл слива расширителя,
расширитель камеры
Тяга, вакуум.110 кН (25000 фунтов-силы)710 кН (160000 фунтов-силы)[7]180 кН (40000 фунтов-силы)88,26 кН (19840 фунтов-силы)68,6 кН (15400 фунтов)121,5 кН (27310 фунтов-силы)137,2 кН ​​(30840 фунтов-силы)
Соотношение смеси5.885.86.055
Соотношение форсунок28024080130110
язр, Vac. (s)462[8]465442470452447
Давление в камере (МПа)4.4126.14.15.93.983.58
LH2 TP (об / мин)65,00098,18051,00052,000
LOX TP (об / мин)17,00018,000
Длина (м)4.144.23.3582.692.79
Сухая масса (кг)277280248285

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ [1], дата обращения 21 февраля 2017
  2. ^ Сиппель, Мартин; Имото, Такаяки; Хезелер, Дитрих (23 июля 2003 г.). Исследования двигателей с расширительным циклом продувки для пусковых установок (PDF). 39-я Совместная конференция и выставка AIAA / ASME / SAE / ASEE по двигательным установкам. AIAA. Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-03-03. Получено 2016-09-25.
  3. ^ Ацуми, Масахиро; Ёсикава, Кимито; Огавара, Акира; Онга, Тадаоки (декабрь 2011 г.). «Разработка двигателя LE-X» (PDF). Технический обзор Mitsubishi Heavy Industries. Mitsubishi Heavy Industries. 48 (4): 36–43. Архивировано из оригинал (PDF) на 2015-12-24. Получено 2016-09-25.
  4. ^ Саттон, Джордж П .; Библарц, Оскар (2000). «Раздел 6.6». Элементы силовой установки ракеты: введение в разработку ракет (PDF) (Седьмое изд.). John Wiley & Sons, Inc., стр. 221–227. ISBN  0-471-32642-9. Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-01-19. Получено 26 сентября 2016.
  5. ^ а б c Патент США 7,418,814 B1, Грин, Уильям Д., "Ракетный двигатель с двойным детандерным циклом и промежуточным теплообменником замкнутого цикла", выпущен 2 сентября 2008 г., передан Соединенным Штатам Америки в лице Администратора Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства. 
  6. ^ "Космический движитель Pratt & Whitney - фактологический бюллетень RL60". Архивировано из оригинал (PDF) на 2012-03-29. Получено 2008-12-28.
  7. ^ https://www.blueorigin.com/engines/be-3
  8. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2017-04-30. Получено 2017-06-06.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)

внешняя ссылка