Turbopump

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
O turbopompă axială construită pentru a alimenta motorul rachetă Aerojet M-1

Turbopompa este o turbomachină care funcționează în esență constând dintr-o pompă rotodinamică acționată de o turbină la care este conectată prin intermediul unui arbore.

Este utilizat pe scară largă în sistemele de combustibil ale motoarelor cu rachete cu combustibil lichid, unde garantează debitele și presiunile necesare pentru injectarea combustibilului în camera de ardere.

Istorie

Primele aplicații

În ultimii ani ai Republicii de la Weimar , s-a format un mic grup de amatori de astronautică care, inspirat de o poveste populară a lui Hermann Oberth ( Die Rakete zu den Planetenraumen , The Rachets in interplanetary space) primul și de un film de știință-ficțiune din 1929 ( O femeie în lună ), au început apoi să studieze fezabilitatea unui vehicul echipat pentru explorarea spațiului prin reunirea într-o asociație condusă de însuși Oberth ( Verein für Raumschiffahrt ). Deși ideea unei călătorii spațiale fusese deja studiată anterior de alții (în Rusia de Konstantin Tsiolkovsky la începutul secolului al XX-lea și de Robert Goddard la începutul anilor douăzeci în Statele Unite ), în Germania a găsit teren fertil pentru un efectiv aplicarea acestor teorii de pionierat. [1]

Secțiunea transversală a turbopompei instalată pe V2 . Conducta de alimentare a turbinei în roșu și cele pentru alcool și oxigen lichid în albastru.

Spre deosebire de rachetele de artilerie construite până atunci care foloseau praful de pușcă pentru propulsie, vectorii studiați de asociație erau toți combustibili lichizi datorită performanței lor teoretice mai bune. După prima fază de entuziasm, asociația s-a dizolvat, dar interesul Reichswehr - ului pentru această nouă tehnologie, care nu fusese luat în considerare în prevederile pentru dezarmarea Germaniei în timpul Tratatului de la Versailles , a dus la finanțarea unui program extins de Cercetare. Nevoia de performanțe din ce în ce mai mari a condus (la mijlocul anului 1935) la ideea înlocuirii sistemului de alimentare cu combustibil alimentat pur și simplu prin presurizarea cu azot a rezervoarelor de combustibil cu turbopompe, cu un mare avantaj în reducerea greutății rezervoarelor, în timp ce crește semnificativ presiunea.propulsorului injectat în camera de ardere . Wernher von Braun a apelat la Klein, Schanzlin & Becker , o companie care la acea vreme se ocupa cu pompe de apă cu debit mare pentru aplicații de stingere a incendiilor, dar sarcina fără precedent de pompare a combustibililor și a oxidanților (uneori chiar criogenici ) a dus la noi provocări tehnologice. [1] [2]

Generatorul de gaz necesar pentru alimentarea turbinei a fost, de asemenea, subiectul mai multor brevete depuse de grupul de cercetare Peenemünde, unde între timp au fost concentrate activitățile de cercetare a rachetelor Reich. Una dintre primele soluții a implicat atingerea unei fracțiuni din gazele de ardere ale camerei principale pentru a împinge palele turbinei, dar numai cu colaborarea lui Hellmuth Walter specializată în utilizarea peroxidului de hidrogen a fost posibil să se construiască fiabile și eficient. Primele aplicații practice ale unei turbopompe au avut loc pe He 112 R și He 176 alimentate de motoarele de rachetă ale lui Walter în toamna anului 1937. [1]

Izbucnirea celui de-al doilea război mondial a înregistrat o accelerare a producției de sisteme de rachete din ce în ce mai avansate, care a culminat cu racheta balistică V2 propulsată de o turbopompă centrifugă de 580 CP capabilă să livreze un debit de 55 litri pe secundă de alcool în camera de ardere și 70 l / s oxigen lichid.

Dezvoltări ulterioare

La sfârșitul celui de-al doilea război mondial, know-how-ul programului german de rachete a fost împărțit puterilor victorioase. În Statele Unite , Aerojet și Jet Propulsion Laboratory , care până atunci se ocupau în principal de rachete de decolare asistată cu propulsor solid ( RATO ), au început să producă noi turbopompe pentru propulsori criogenici. În 1948 Aerojet a produs o turbopompă pentru hidrogen și oxigen lichid pe baza unor pompe centrifuge recuperate de la unele motoare rachete auxiliare BMW 109-718 instalate pe Messerschmitt Me 262 . [3] . În special, sistemul de lubrifiere al pompei de hidrogen lichid studiat de Aerojet a prevăzut că lagărele de susținere ale arborelui au fost lovite de un jet de ulei atomizat într-un flux de azot pentru a evita problemele insurmontabile ale ungerii convenționale la temperaturi atât de scăzute.

Desen schematic al sistemului de alimentare al principalelor motoare ale Navetei Spațiale .

În Uniunea Sovietică , studiul ciclurilor termodinamice mai eficiente a condus, de la sfârșitul anilor 1940 , la introducerea tehnicii de ardere în etape în care o parte a combustibilului este arsă în exces de oxidant sau comburent într-un precombustor care alimentează turbina. a turbopompei. Gazele de eșapament, combinate cu partea rămasă a combustibilului, sunt apoi pompate în camera de ardere principală, unde reacția de ardere este finalizată. În acest fel, căldura reziduală a gazelor care au acționat turbina rămâne în ciclul motorului, sporind eficiența acesteia.

Unul dintre cele mai complexe sisteme de combustibil pentru motoarele cu rachete lichide a fost cel conceput pentru principalele motoare ale navetei spațiale . Constând din două turbopompe separate (una pentru oxidant și una pentru combustibil) alimentate de două pre-arzătoare, a putut crește presiunea hidrogenului lichid la 45 MPa și a oxigenului la 55 MPa pentru un debit total de 468 kg / s. [4]

Tehnică

Pompele pot fi de două tipuri: centrifuge , bazate pe efectul forței centrifuge asupra unui fluid sau axial în care fluidul curge (comprimându-se) paralel cu axa de rotație. Pompele centrifuge sunt, în general, precedate de un inductor cu pale care are sarcina de a oferi o primă creștere modestă a presiunii la fluid, evitând fenomenul de cavitație în palele rotorului. [4]

Pompele cu flux axial au diametre mai mici și sunt preferate pentru fluidele cu densitate redusă. În comparație cu pompele centrifuge, sunt necesare numeroase etape de compresie pentru a asigura creșterea de presiune necesară (similar cu compresoarele axiale utilizate în câmpul aeronautic). Cele centrifuge, pe de altă parte, au dimensiuni transversale mai mari, dar sunt mai eficiente la comprimarea fluidelor de înaltă densitate.

Turbina turbopompei poate fi acțiune (sau impuls) și reacție (cu un grad de reacție de aproximativ 0,5). În primul caz, expansiunea gazelor are loc numai în partea statorică a scenei, în timp ce în al doilea caz expansiunea are loc în mod egal în partea statorului și a rotorului. Gazele care mișcă turbina, în funcție de ciclul termodinamic al motorului, pot fi generate de o cameră de ardere dedicată sau de un precombustor (ca în cazul ciclului de ardere etapizat ) sau de expansiunea combustibilului după încălzire datorită răcirea regenerativă a duzei de evacuare a motorului. [4]

Notă

  1. ^ a b c ( EN ) The Rocket and the Reich: Peenemünde and the Coming of the Ballistic Missle Era ( PDF ), Harvard University Press, ISBN 978-0674776500 .
  2. ^ Organizarea pentru utilizarea spațiului: perspective istorice asupra unei probleme persistente ( PDF ), în AAS History Series , volumul 18, pp. p. 13, ISBN 0-87703-403-6 .
  3. ^ (EN) HIDROGEN LICHID CA PROPULSIE DE COMBUSTIBIL, 1945-1959 - Dezvoltarea turbopompei, 1947-1949 , în NASA . Adus pe 4 martie 2013 .
  4. ^ a b c Turbomachinery in Liquid Rocket Propulsion Systems ( PDF ) [ link rupt ] , pe dim.unipd.it . Adus la 6 martie 2013 .

Alte proiecte

linkuri externe

Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Turbopompa&oldid=107816086 ”