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[提问] 能否实现膨胀——抽气联合循环?

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jiyu_shi 发表于 2019-6-14 22:08 | 显示全部楼层 |阅读模式

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闭式膨胀循环受限推力室喷管的热交换效率,只能做到30吨推力。那么有一个想法,能否将膨胀循环和抽气循环联合起来使用,如图:
zhxh.jpg
高压氢气做功全部给氢泵用,另外再用一个涡轮驱动氧泵,最简单的就是推力室抽气供氧泵涡轮。
这样,可以将整机推力放大到现有闭式膨胀发动机的(1+混合比)倍。
问题就是,这样的联合循环效率是否会高于开式膨胀循环?因为在这个联合循环中,氢的利用率高于开式膨胀循环,但是联合循环的室压,还是受闭式膨胀循环的限制,而开式膨胀循环的室压不受此限制。


小肉球 发表于 2019-6-15 00:56 | 显示全部楼层
已经有了两端压差为燃烧室室压本身的涡轮为什么还要用第二个涡轮。。。氧泵的密封一样困难 第一个涡轮的效率已经很高了
hyperion 发表于 2019-6-15 06:25 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
混合比是质量比,但对于泵功率来说看的应该是体积比。那么6的质量混合比,只对应大约0.375的体积混合比,也即采用这种复杂设计大约也就能增推40%,完全没有必要呀!
cooldiy_cn 发表于 2019-6-15 09:21 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2019-6-15 06:25
混合比是质量比,但对于泵功率来说看的应该是体积比。那么6的质量混合比,只对应大约0.375的体积混合比,也 ...

泵功率是质量比
1717jy 发表于 2019-6-15 14:13 | 显示全部楼层
这种设想和开式膨胀循环比较,有什么优势呢??
至少开式膨胀少了一个热端部件
纸飞机 发表于 2019-6-15 14:32 | 显示全部楼层
膨胀+分级的倒是有了,化学自动化设计局搞的甲烷机就是
 楼主| jiyu_shi 发表于 2019-6-15 15:19 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
纸飞机 发表于 2019-6-15 14:32
膨胀+分级的倒是有了,化学自动化设计局搞的甲烷机就是

有资料看看吗?
 楼主| jiyu_shi 发表于 2019-6-15 19:12 | 显示全部楼层
又设想了一个改进的循环,如图:
zhxh2.jpg
给氧泵增加一个涡轮,由氢气驱动,这样就可以在闭式膨胀和联合循环之间切换。
比如,以闭式膨胀循环启动,提高启动的可靠性,此时涡轮1运行,推力室不抽气,涡轮2不运行;推力加大后开始推力室抽气,涡轮2运行,并逐渐关闭涡轮1,以联合循环运行;燃烧末段需要节流时,再以闭式膨胀循环运行。
turbopump 发表于 2019-6-17 18:25 | 显示全部楼层
jiyu_shi 发表于 2019-6-15 19:12
又设想了一个改进的循环,如图:

给氧泵增加一个涡轮,由氢气驱动,这样就可以在闭式膨胀和联合循环之间 ...

技术上完全是可行的。实际上用气氢用驱动做为动力在航天系统里是通用的做法,航天飞机主发的燃料预压泵是,中国YF75双机上面级的辅助动力也是气氢驱动。但总的原则是系统的复杂性不能有大的提升,否则对于可靠性来讲是不利的。你说的方法如果从这个主面来讲应该是用气氢驱动氧泵的结构更用前途,原因是氢泵本身的功率占到氢氧机的绝大部份。用膨胀氢做功驱动氢泵与驱动全部泵系相差不大。而用其驱动氧泵的话可以做的更大(粗估5-10倍)
纸飞机 发表于 2019-6-17 20:40 | 显示全部楼层

3.png
 楼主| jiyu_shi 发表于 2019-6-17 23:07 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
turbopump 发表于 2019-6-17 18:25
技术上完全是可行的。实际上用气氢用驱动做为动力在航天系统里是通用的做法,航天飞机主发的燃料预压泵是 ...

为什么氢泵功率大?不是氧的流量比氢大吗?
 楼主| jiyu_shi 发表于 2019-6-17 23:14 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
纸飞机 发表于 2019-6-17 20:40


这个循环看着好迷啊,分级循环推力室室压高,膨胀循环室压做不高,怎么取舍呢?是室压取低一点,还是膨胀循环的那路氢再经过高一级氢泵加压?
而且氢氧机预燃室居然是富氧的,神奇!
cooldiy_cn 发表于 2019-6-18 09:29 | 显示全部楼层
jiyu_shi 发表于 2019-6-17 23:14
这个循环看着好迷啊,分级循环推力室室压高,膨胀循环室压做不高,怎么取舍呢?是室压取低一点,还是膨 ...

说起来 我想了一个也很神奇的循环。
燃气发生器、电泵联合循环。
富燃的燃气发生器驱动涡轮机带动一个超导发电机(可以反向作为电动机)和同轴的氧泵工作。发电机发出的电力通过电控系统驱动超导电动机带动氢泵工作。
启动工况下,从电池或地面电源同时向氢氧泵电机供电用来启动泵,此时为完全的电泵循环。依靠电泵启动燃气发生器后,燃气发生器驱动涡轮带动氢泵工作。超导电机采用液氢来冷却到超导态。此时从电泵循环逐步切换到燃气发生器、电泵联合循环。

这个循环的优点是推力和混合比调节很容易。工作稳定性高。

推力可以通过发电机、电动机上增减负载来迅速调节(这部分电可以通过电阻发热消耗或者为电池组充电)。
混合比可以通过提高、降低氢泵电机功率来调节。
当工作不稳定时,可以通过从箭载电池组上取得、充入部分电来进行缓冲。
一部分功率可以用于为电池组充电。提高火箭的续航。
可以只启动燃气发生器作为发电用的工况。
hansens 发表于 2019-6-18 09:51 | 显示全部楼层
cooldiy_cn 发表于 2019-6-18 09:29
说起来 我想了一个也很神奇的循环。
燃气发生器、电泵联合循环。
富燃的燃气发生器驱动涡轮机带动一个 ...

这个方案的关键是超导电机的重量、可靠性。
cooldiy_cn 发表于 2019-6-18 09:54 | 显示全部楼层
hansens 发表于 2019-6-18 09:51
这个方案的关键是超导电机的重量、可靠性。

电机可靠性是很高的 重量的话 超导电机功率密度是常规电机的十倍以上 我觉得还是有希望的吧
郭夫子 发表于 2019-6-18 09:55 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
jiyu_shi 发表于 2019-6-17 23:14
这个循环看着好迷啊,分级循环推力室室压高,膨胀循环室压做不高,怎么取舍呢?是室压取低一点,还是膨 ...

分级循环又不是天生高室压,BE4也是富氧分级循环。
cooldiy_cn 发表于 2019-6-18 09:56 | 显示全部楼层
郭夫子 发表于 2019-6-18 09:55
分级循环又不是天生高室压,BE4也是富氧分级循环。

还有个RD56的低室压分级
hansens 发表于 2019-6-18 10:40 | 显示全部楼层
cooldiy_cn 发表于 2019-6-18 09:54
电机可靠性是很高的 重量的话 超导电机功率密度是常规电机的十倍以上 我觉得还是有希望的吧

两个问题
1、超导材料据说普遍很脆弱,另外万一某个地方失温,超导失效,肯定瞬间烧坏。
2、考虑到冷却,可能只有液氢可以冷却到足够温度。
3、既然都上电机了,为啥不全电机控制。
cooldiy_cn 发表于 2019-6-18 10:43 | 显示全部楼层
hansens 发表于 2019-6-18 10:40
两个问题
1、超导材料据说普遍很脆弱,另外万一某个地方失温,超导失效,肯定瞬间烧坏。
2、考虑到冷却 ...
第三点:1、全电机系统重量更大。 全电泵需要一个发电机和两个电动机,而且氧泵功率远远高于氢泵。联合循环系统 只有氢泵是全程由电力驱动。因此发电机和电动机的连续最大功率只需要满足氢泵的驱动功率即可。全部用电泵。发电机需要发出氢氧泵全部的电功率,估算全电驱动系统的总电功率是这种联合循环的6.5倍以上。难度和重量都大幅度上升了。

2、目前这个电控系统也可以实现氢氧泵独立控制。对于氧泵来说,电机是提供阻力。氢泵是电机提供动力。
cooldiy_cn 发表于 2019-6-18 10:46 | 显示全部楼层
hansens 发表于 2019-6-18 10:40
两个问题
1、超导材料据说普遍很脆弱,另外万一某个地方失温,超导失效,肯定瞬间烧坏。
2、考虑到冷却 ...

超导失效问题,电控系统响应可达微秒级 可以在发生故障损坏前就断电保护。失温问题 可以利用液氮温度的高温超导材料在液氢温度下工作 保证有足够的温度差。
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