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[单篇] 深度变推力液氧煤油发动机初步方案研究

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joki 发表于 2019-6-24 07:35 | 显示全部楼层 |阅读模式
资料信息
资料名称: 深度变推力液氧煤油发动机初步方案研究
封面: -
作者/出版商: 西北工业大学宇航学院、西安航天动力研究所
发行时间: 2016-04-01
分类: 推进系统
摘要: 登月着陆器高性能深度变推力动力
简评: 简评内容不超过480字!
语言: 简体中文
格式: PDF
评级: ★★★★
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深度变推力液氧煤油发动机初步方案研究22.pdf (1021.83 KB, 下载次数: 25, 售价: 1 飞币飞币)
傲立风雨满庭芳 发表于 2019-6-24 08:50 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
感谢分享!
xtal 发表于 2019-6-25 09:48 | 显示全部楼层
玩电动泵吧,这东西和燃烧室状态解耦的。
顺便,不想再听到什么拿水轮发电机说电动机体积重量的搞笑言论。拿300转不到的设备和几万转的设备比功率密度。要脸吗?要是按照同样的逻辑,用水轮机的功率密度当宝,火箭发动机的涡轮泵应该有房子那么大。
xtal 发表于 2019-6-25 09:52 | 显示全部楼层
我估算了一下,用液氧/甲烷冷却的40000转的电动机+电控,功率密度可以到200KW~400KW/KG。
 楼主| joki 发表于 2019-6-25 11:13 | 显示全部楼层
xtal 发表于 2019-6-25 09:52
我估算了一下,用液氧/甲烷冷却的40000转的电动机+电控,功率密度可以到200KW~400KW/KG。

上面级小发用电动泵很有潜力,或许可以先从500N之类的星载动力着手。8吨补燃的,不确定有没有能力一步搞定。
xtal 发表于 2019-6-25 12:44 | 显示全部楼层
joki 发表于 2019-6-25 11:13
上面级小发用电动泵很有潜力,或许可以先从500N之类的星载动力着手。8吨补燃的,不确定有没有能力一步搞 ...

主要是电动机可靠性极高(起码一万小时寿命)。而且节流控制能力强大(和燃烧室状态解耦)。重复启动很容易。
傲立风雨满庭芳 发表于 2019-7-10 22:13 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
xtal 发表于 2019-6-25 09:48
玩电动泵吧,这东西和燃烧室状态解耦的。
顺便,不想再听到什么拿水轮发电机说电动机体积重量的搞笑言论。 ...

六院11所进行过12kN电动泵压式液氧煤油发动机的方案研究,因实际需求不明确而搁置。
xtal 发表于 2019-7-10 22:16 | 显示全部楼层
傲立风雨满庭芳 发表于 2019-7-10 22:13
六院11所进行过12kN电动泵压式液氧煤油发动机的方案研究,因实际需求不明确而搁置。

煤油是常温,用来冷却煤油泵驱动电机是吃亏的。全低温火箭用电动泵,电动机轻量化可以做的非常出色。
喵科动物 发表于 2019-7-10 22:44 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
xtal 发表于 2019-6-25 09:52
我估算了一下,用液氧/甲烷冷却的40000转的电动机+电控,功率密度可以到200KW~400KW/KG。

具体怎么算的,考虑铁芯磁饱和/磁铁退磁了吗?
超导另说。
xtal 发表于 2019-7-11 08:33 | 显示全部楼层
喵科动物 发表于 2019-7-10 22:44
具体怎么算的,考虑铁芯磁饱和/磁铁退磁了吗?
超导另说。

有实际的例子是,将常规电机(并未针对低温做任何优化)直接浸泡在液态天然气内运行,功率提高到原来的三倍。
有这么几个其他参考数据
一个是常温下的电动车用的电机+电控,西门子宣称要功率体积密度做到100KW/L,功率重量密度没说,但是基本可以推算为30KW-40KW/KG。而国内BYD的电动车用电动机已经做到了50KW/L。
泵用电动机因为不需要低速大扭矩,功率密度还可有大幅度提高。
而铜电阻率在液氧温度下电阻只有常温下的10%。
hyperion 发表于 2019-7-11 10:00 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
xtal 发表于 2019-7-11 08:33
有实际的例子是,将常规电机(并未针对低温做任何优化)直接浸泡在液态天然气内运行,功率提高到原来的三 ...

然后怎么算?保持电阻热不变的话,电流只能增加到3.16倍呀。然后因为磁饱和,电动势是不变的,那么功率只能增加216%。如果电流增加到10倍,那么功率能增加900%,但此时电阻热可是也同样增加900%的。
xtal 发表于 2019-7-11 10:20 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2019-7-11 10:00
然后怎么算?保持电阻热不变的话,电流只能增加到3.16倍呀。然后因为磁饱和,电动势是不变的,那么功率只 ...

你计算216%的前提,是假设冷却功率没变。实际上显然不是这样。大流量开式低温冷却剂冷却,局面是完全不同的,一方面冷却功率很大,另外一方面低温下铜的热阻也大幅度下降了。没记错的话液氧温度下铜的热阻能小一半。当然了,如果是液氢的氢泵电动机,那就更爽了,液氢温区下铜电阻只有常温的1%。虽然液氢很多坑,但是不可否认液氢温区下电动机确实会有可怕的功率密度。以甲烷为例子,一克甲烷的汽化热约28焦耳(暂时只考虑汽化热)。涡轮泵输入功率我们按照4MW。按照电动机95%效率计算(对风机类负载高速电机来说,我这个指标已经严重低估了)。一秒钟才消耗7KG。。。。
hyperion 发表于 2019-7-11 10:57 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
xtal 发表于 2019-7-11 10:20
你计算216%的前提,是假设冷却功率没变。实际上显然不是这样。大流量开式低温冷却剂冷却,局面是完全不同 ...

热阻这块主要看绝缘材料而非导体吧?泵电机能做成中空铜管的吗?
还有就是电机功率越大,在线速度不变的情况下,比功率貌似越小吧?如果说100kW级电机比功率超强,那么10MW级的似乎只有其四分之一左右。
xtal 发表于 2019-7-11 13:22 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2019-7-11 10:57
热阻这块主要看绝缘材料而非导体吧?泵电机能做成中空铜管的吗?
还有就是电机功率越大,在线速度不变的 ...

现在的高功率密度电机已经是扁铜线了,线圈对外散热只经过一层绝缘层。
你所提到的比功率四倍差距,很可能并不是因为功率大引起的。是因为以往的大功率电机用的是50/60HZ工频电压驱动。而现在的高功率密度电机用的是500HZ甚至频率更高的中频电压驱动。
喵科动物 发表于 2019-7-11 18:48 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2019-7-11 10:00
然后怎么算?保持电阻热不变的话,电流只能增加到3.16倍呀。然后因为磁饱和,电动势是不变的,那么功率只 ...

转速不变的话电动势不变。
磁饱和的话有效的电流也不能提高了,哪怕没有电阻发热限制。
hyperion 发表于 2019-7-11 20:10 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
xtal 发表于 2019-7-11 13:22
现在的高功率密度电机已经是扁铜线了,线圈对外散热只经过一层绝缘层。
你所提到的比功率四倍差距,很可 ...

功率大导致比功率降低是因为我假设线速度不变,因此大功率就意味着转速下降了。比如小型电机可以60000RPM/1000HZ,但是兆瓦级就可能只有24000RPM/400HZ了,转速慢了比功率自然会下降
hyperion 发表于 2019-7-11 20:13 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
喵科动物 发表于 2019-7-11 18:48
转速不变的话电动势不变。
磁饱和的话有效的电流也不能提高了,哪怕没有电阻发热限制。

磁饱和说的不是励磁电流吗?对转子电流也有严重限制?
xtal 发表于 2019-7-12 11:02 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2019-7-11 20:10
功率大导致比功率降低是因为我假设线速度不变,因此大功率就意味着转速下降了。比如小型电机可以60000RPM ...

线速度啊,为啥要限制线速度。。。。直径1米几万转的大型高速机械有的是。你又不需要和普通电机一样运行好几年。能确保1000小时就狠的要死了。
xtal 发表于 2019-7-12 11:12 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2019-7-11 20:13
磁饱和说的不是励磁电流吗?对转子电流也有严重限制?

你如果是有源励磁的,当然会饱和了。不过对这种风机类负载,用永磁转子最合适不过了,没必要上有源励磁。
hyperion 发表于 2019-7-12 12:18 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
xtal 发表于 2019-7-12 11:02
线速度啊,为啥要限制线速度。。。。直径1米几万转的大型高速机械有的是。你又不需要和普通电机一样运行 ...

直径一米,三万转速意味着线速度750m/s,请问什么设备能这么快?
CFM56的高压机线速度才400m/s。
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