Turbopompa
Turbopompa to pompa napędzająca z dwoma głównymi elementami: pompą wirową i napędzającą turbiną gazową , zwykle obie zamontowane na tym samym wale lub czasami połączone ze sobą. Zostały one początkowo opracowane w Niemczech na początku lat czterdziestych XX wieku. Zadaniem turbopompy jest wytwarzanie płynu pod wysokim ciśnieniem do zasilania komory spalania lub do innych zastosowań.
Istnieją dwa rodzaje turbopompy: pompa odśrodkowa , w której pompowanie odbywa się poprzez wyrzucanie płynu na zewnątrz z dużą prędkością, lub pompa o przepływie osiowym , w której naprzemienne obracające się i statyczne łopatki stopniowo podnoszą ciśnienie płynu.
Pompy osiowe mają małe średnice, ale dają stosunkowo niewielki wzrost ciśnienia. Chociaż potrzebnych jest wiele stopni sprężania, pompy z przepływem osiowym dobrze współpracują z płynami o małej gęstości. Pompy odśrodkowe są znacznie mocniejsze w przypadku płynów o dużej gęstości, ale wymagają dużych średnic w przypadku płynów o małej gęstości.
Historia
Wczesny rozwój
Pompy wysokociśnieniowe do większych pocisków były omawiane przez pionierów rakiet, takich jak Hermann Oberth . [ wyszczególnić ] W połowie 1935 roku Wernher von Braun zainicjował projekt pompy paliwowej w południowo-niemieckiej firmie Klein, Schanzlin & Becker, która miała doświadczenie w budowaniu dużych pomp przeciwpożarowych. Projekt rakiety V-2 wykorzystywał nadtlenek wodoru rozkładany przez generator pary Walter do zasilania niekontrolowanej turbopompy produkowanej w fabryce Heinkla w Jenbach , więc turbopompy V-2 i komora spalania zostały przetestowane i dopasowane, aby zapobiec nadmiernemu ciśnieniu pompy w komorze. Pierwszy silnik odpalił pomyślnie we wrześniu, a 16 sierpnia 1942 roku próbna rakieta zatrzymała się w powietrzu i rozbiła się z powodu awarii turbopompy. [ wymagana weryfikacja ] Pierwszy udany start V-2 miał miejsce 3 października 1942 r.
Rozwój od 1947 do 1949 roku
Głównym inżynierem rozwoju turbopompy w Aerojet był George Bosco. W drugiej połowie 1947 roku Bosco i jego grupa dowiedzieli się o pracy innych pomp i przeprowadzili wstępne badania projektowe. Przedstawiciele Aerojet odwiedzili Ohio State University, gdzie Florant pracował nad pompami wodoru, i skonsultowali się z Dietrichem Singelmannem, niemieckim ekspertem od pomp w Wright Field. Bosco następnie wykorzystał dane Singelmanna do zaprojektowania pierwszej pompy wodoru Aerojet.
Do połowy 1948 roku Aerojet wybrał pompy odśrodkowe zarówno do ciekłego wodoru , jak i ciekłego tlenu . Otrzymali od Marynarki Wojennej kilka niemieckich pomp łopatkowych i przetestowali je w drugiej połowie roku.
Do końca 1948 roku Aerojet zaprojektował, zbudował i przetestował pompę ciekłego wodoru (średnica 15 cm). Początkowo używano łożysk kulkowych , które pracowały na sucho i czysto, ponieważ niska temperatura sprawiała, że konwencjonalne smarowanie było niepraktyczne. Pompa pracowała najpierw przy niskich prędkościach, aby jej części mogły ostygnąć do temperatury roboczej . Kiedy termometry pokazały, że do pompy dotarł ciekły wodór, podjęto próbę przyspieszenia z 5000 do 35 000 obrotów na minutę. Pompa uległa awarii, a badanie części wykazało awarię łożyska, a także wirnika . Po kilku testach zastosowano łożyska superprecyzyjne, smarowane olejem, który był rozpylany i kierowany strumieniem gazowego azotu. Podczas następnego uruchomienia łożyska działały zadowalająco, ale naprężenia były zbyt duże dla lutowanego wirnika i rozpadł się. Nowy powstał poprzez frezowanie z litego bloku aluminium . Kolejne dwa przejazdy z nową pompą były wielkim rozczarowaniem; instrumenty nie wykazywały znaczącego wzrostu przepływu lub ciśnienia. Problem został przypisany dyfuzorowi wyjściowemu pompy, która była zbyt mała i niedostatecznie schłodzona podczas cyklu schładzania, przez co ograniczała przepływ. Zostało to poprawione przez dodanie otworów wentylacyjnych w obudowie pompy; otwory wentylacyjne były otwierane podczas ochładzania i zamykane, gdy pompa była zimna. Dzięki tej poprawce w marcu 1949 r. Wykonano dwa dodatkowe przebiegi i oba zakończyły się sukcesem. Szybkość przepływu i ciśnienie okazały się w przybliżeniu zgodne z przewidywaniami teoretycznymi. Maksymalne ciśnienie wynosiło 26 atmosfer (26 atm (2,6 MPa; 380 psi)), a przepływ 0,25 kilograma na sekundę.
po 1949 r
silnika głównego promu kosmicznego obracały się z prędkością ponad 30 000 obr./min, dostarczając do silnika 150 funtów (68 kg) ciekłego wodoru i 896 funtów (406 kg) ciekłego tlenu na sekundę. Rutherford firmy Electron Rocket stał się pierwszym silnikiem, który wykorzystywał w locie napędzane elektrycznie turbopompy w 2018 roku.
Turbopompy odśrodkowe
Większość turbopomp jest odśrodkowa - płyn wpływa do pompy w pobliżu osi, a wirnik przyspiesza płyn do dużej prędkości. Następnie płyn przepływa przez dyfuzor, który jest stopniowo rozszerzającą się rurą, co umożliwia odzyskanie ciśnienia dynamicznego . Dyfuzor zamienia dużą energię kinetyczną w wysokie ciśnienie (setki barów nie są rzadkością), a jeśli przeciwciśnienie na wylocie nie jest zbyt wysokie, można osiągnąć duże prędkości przepływu.
Turbopompy osiowe
Istnieją również osiowe turbopompy. W tym przypadku oś zasadniczo ma śruby napędowe przymocowane do wału, a płyn jest przez nie wtłaczany równolegle do głównej osi pompy. Ogólnie rzecz biorąc, pompy osiowe mają tendencję do wytwarzania znacznie niższych ciśnień niż pompy odśrodkowe, a kilka barów nie jest rzadkością. Są jednak nadal przydatne – pompy osiowe są powszechnie stosowane jako „induktory” do pomp odśrodkowych, które podnoszą ciśnienie wlotowe pompy odśrodkowej na tyle, aby zapobiec wystąpieniu w niej nadmiernej kawitacji .
Złożoność odśrodkowych pomp turbo
Turbopompy mają reputację wyjątkowo trudnych do zaprojektowania, aby uzyskać optymalną wydajność. Podczas gdy dobrze zaprojektowana i debugowana pompa może osiągnąć wydajność 70–90%, liczby mniejsze niż połowa nie są rzadkością. Niska wydajność może być akceptowalna w niektórych zastosowaniach, ale w rakietach jest to poważny problem. Turbopompy w rakietach są na tyle ważne i problematyczne, że pojazdy nośne korzystające z nich zostały zjadliwie opisane jako „turbopompy z przymocowaną rakietą” - do 55% całkowitych kosztów przypisano temu obszarowi.
Typowe problemy obejmują:
- nadmierny przepływ z obrzeża wysokiego ciśnienia z powrotem do wlotu niskiego ciśnienia wzdłuż szczeliny między obudową pompy a wirnikiem,
- nadmierna recyrkulacja płynu na wlocie,
- nadmierne wirowanie płynu opuszczającego obudowę pompy,
- szkodliwa kawitacja powierzchni łopatek wirnika w strefach niskiego ciśnienia.
Ponadto krytyczny jest dokładny kształt samego wirnika.
Napęd turbopompy
turbiną parową stosuje się tam, gdzie występuje źródło pary, np. kotły statków parowych . Turbiny gazowe są zwykle stosowane, gdy nie ma dostępu do energii elektrycznej lub pary, a ograniczenia dotyczące miejsca lub wagi pozwalają na zastosowanie bardziej wydajnych źródeł energii mechanicznej.
Jednym z takich przypadków są silniki rakietowe , które muszą pompować paliwo i utleniacz do komory spalania . Jest to konieczne w przypadku dużych rakiet na ciecz , ponieważ wymuszenie przepływu płynów lub gazów przez proste zwiększenie ciśnienia w zbiornikach jest często niewykonalne; wysokie ciśnienie potrzebne do wymaganego natężenia przepływu wymagałoby mocnych, a tym samym ciężkich zbiorników.
strumieniowe są również zwykle wyposażone w turbopompy, przy czym turbina jest napędzana bezpośrednio zewnętrznym strumieniem powietrza tłokowego lub wewnętrznie przez strumień powietrza kierowany z wejścia do komory spalania. W obu przypadkach strumień spalin z turbiny jest wyrzucany za burtę.
Zobacz też
Linki zewnętrzne
- Księga napędu rakietowego
- ML „Joe” Stangeland (lato 1988). „Turbopompy do silników rakietowych na ciecz” . Próg - Engineering Journal of Power Technology . Rocketdyne . Zarchiwizowane od oryginału w dniu 2009-09-24.