Wie (eigentlich) reduzieren unterkühlte Treibstoffe die Kavitation in Turbopumpen und erleichtern die Zufuhr?

Kavitation kocht, in diesem Fall wird sie durch Unterdruck im Nachlauf der Schaufeln verursacht. Ein Siedepunkt ist eine Kombination aus 2 Faktoren; Hitze und Druck. Wenn Sie nichts gegen den reduzierten Druck tun können, können Sie den anderen Faktor manipulieren, nämlich die Temperatur. Eine Flüssigkeit kann bei einem niedrigeren Druck in ihrem flüssigen Zustand bleiben, wenn sie kälter ist. Ich denke, Ursache und Wirkung sind klar. Sie können die Diagramme auf Wikipedia sehen oder sogar hier berechnen.

http://www.trimen.pl/witek/calculators/wrzenie.html

Diese Antwort basiert hauptsächlich auf dem NPSH-Link Organic Marble shared ( http://www.pumpschool.com/applications/NPSH.pdf ) und den verschiedenen Eigenschaften, die Sie über unterkühlten LOX ableiten können.

• Unterkühlung senkt den Dampfdruck, was hilft, Blasenbildung zu verhindern.

• Unterkühlung verdichtet das Treibmittel, das

  • ermöglicht niedrigere Fluidgeschwindigkeiten bei gleichen Massendurchflussraten, was

    • ermöglicht niedrigere Pumpendrehzahlen, wodurch der Druckabfall im Nachlauf des Laufrads verringert wird, wodurch das Auftreten von Dampfblasenbildung (und die Schwere eines erneuten Kollapses, falls dies der Fall ist) verringert wird

    • hilft, Reibungsverluste und den damit verbundenen NPSH_A zu reduzieren

Zu diesem Teil des Zitats:

"Außerdem beseitigt es das Kavitationsrisiko für die Turbopumpen und erleichtert die Beschickung einer Hochdruck-Turbopumpe, wenn Sie sehr kaltes Treibmittel haben."

Ich werde Ihrer Interpretation nur widersprechen, dass "dieser Typ trotz des beiläufigen Aussehens seine Worte normalerweise sehr sorgfältig wählt und seine Unterscheidungen klar macht". Dies liest sich wie ein Gedanke, den er kurzerhand umformulierte – das Kavitationsrisiko hängt direkt mit der Leichtigkeit der Pumpenversorgung zusammen.

Als Kontrastbeispiel dieser Usenet-Archivbeitrag über das hohe Kavitationsrisiko, das die Dinge erschwert, von http://yarchive.net/ac/cavitation.html :

Flüssigkeitspumpen für Propan (und Kältemittel) sind sehr leicht zu kavitieren, da Dampf/Flüssigkeit im oder nahe am Gleichgewicht sind und der geringste Druckabfall (eine Pumpe, die versucht, Flüssigkeit "anzusaugen") große Mengen an Flashgas und und erzeugt Kavitation der Pumpe. Alles wie zu klein dimensionierte Pumpeneingangsleitungen oder der Versuch, Flüssigkeit bergauf oder durch feine Siebe usw. zu saugen, führt zu extremer Kavitation und zerstört eine Pumpe schnell. Ich musste einmal eine 3-Tonnen-Kühleinheit bauen, um Flüssigkeit auf 40-50 Grad zu unterkühlen, weil jemand dummerweise angegriffen hatte, flüssige Kältemittelleitungen bergauf in den Pumpeneinlass zu verlegen, und es war einfacher, den Unterkühler zu bauen, als die Rohrleitungen wechseln zu lassen. Jetzt hören sie zu. Die Unterkühlung verringerte die Pumpenkavitation.

Das Zitat:

„Wir unterkühlen den Sauerstoff und das Methan, um es zu verdichten, also im Vergleich zu … Treibmitteln, die normalerweise in den meisten Raketen nahe ihrem Siedepunkt verwendet werden, laden wir in unserem Fall die Treibmittel tatsächlich nahe an ihrem Gefrierpunkt, und das kann dazu führen eine Dichteverbesserung von bis zu 10 bis 12 Prozent, was einen enormen Unterschied in den tatsächlichen Ergebnissen der Rakete ausmacht.

"Außerdem beseitigt es das Kavitationsrisiko für die Turbopumpen und erleichtert die Beschickung einer Hochdruck-Turbopumpe, wenn Sie sehr kaltes Treibmittel haben."

Bearbeiten: Diese Antwort auf die Frage " Was unterscheidet Kavitation und Sieden grundsätzlich als unterschiedliche Phänomene? " von einem selbsternannten Maschinenbauingenieur und ehemaligen Nuke der US Navy ist besonders hilfreich!

Hintergrund:

Einige Beispiele für Prozesse, bei denen einige Materialien eine Phasenänderung von flüssig zu gasförmig durchlaufen, sind evaporation, boiling, und cavitation.

Wie wir es normalerweise sehen, findet die Verdampfung an einer bereits bestehenden und oft stabilen Grenze zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas statt. Selbst bei niedrigen Temperaturen und hohem Druck setzt sich die Verdampfung langsam fort, bis der Partialdruck des flüssigen Stoffes im Gas erreicht ist. Wenn Sie also Wasser mit Raumtemperatur in der Luft haben und beide atmosphärischen Druck haben, verdunstet das Wasser weiter, bis der Partialdruck von Wasser in der Luft den Dampfdruck von Wasser unter diesen Bedingungen erreicht.

Sieden und Kavitation treten jedoch im Allgemeinen innerhalb einer Flüssigkeit auf, nicht außerhalb oder darüber, und hängen daher sowohl von der Temperatur als auch vom absoluten Druck der Flüssigkeit ab, nicht nur vom Partialdruck wie im Fall der Verdampfung.

In beiden Fällen entsteht innerhalb der Flüssigkeit eine Dampfblase. Wenn der Dampfdruck in der Flüssigkeit durch Anwendung von Wärme über den lokalen hydrostatischen Druck erhöht wurde, nennen wir dies normalerweise Kochen, und wenn der hydrostatische Druck vorübergehend oder hochgradig lokalisiert unter den Dampfdruck abgesenkt wurde, nennen wir dies normalerweise es Kavitation.

Aber betrachten wir nur die Auswirkungen des reduzierten Drucks und nicht der Temperatur.

Wenn der hydrostatische Druck eines Flüssigkeitsvolumens unter seinen Dampfdruck in der Masse gesenkt wird, wie im Fall einer Blasenkammer oder sogar einer Vakuumflasche mit Wasser, die an eine Vakuumpumpe angeschlossen ist, die fast eine Druckatmosphäre zieht, kocht die Flüssigkeit . Die Blasen können die Oberfläche erreichen und den Dampf freisetzen oder im Laufe der Zeit wieder in der Flüssigkeit kondensieren, insbesondere wenn der Druck wiederhergestellt wird.

Die eigentliche Keimbildung und das Wachstum solcher Blasen ist ein komplizierter Prozess – Flüssigkeiten haben eine ebensolche Zugfestigkeit wie Feststoffe, und normalerweise dominieren Keimbildungsstellen bei der tatsächlichen Bildung der Blase – sozusagen ein Loch in die Flüssigkeit reißend.

In der Technik ist die Verwendung des Wortes Kavitation im Allgemeinen auf Situationen beschränkt, in denen der Massendruck der Flüssigkeit nicht allein für die Blasenbildung verantwortlich ist. Stattdessen bezieht sich der Begriff Kavitation im Allgemeinen auf eine Situation, in der ein stark lokalisierter und vorübergehender Druckabfall unter den Dampfdruck auftritt. Fast unmittelbar nach Bildung der Blase ändern sich die Bedingungen und der Druck liegt wieder über dem Dampfdruck. Obwohl der Prozess komplex ist, ist ein wichtiges Merkmal die Schnelligkeit, mit der die Blase unter dem Einfluss des höheren Drucks der Flüssigkeit kollabiert.

Die Begriffe boilingund cavitationbeziehen sich auf komplexe Phänomene, die verwandt, aber unterschiedlich sind. Zu unterscheiden ist die Entwicklung des Drucks unmittelbar nach Bildung der Blase. Konzeptionell könnte es ein Kontinuum von Situationen zwischen diesen beiden Extremen geben, aber das bedeutet nicht, dass sie dasselbe sind .

Dieses Video zeigt ein Beispiel für das Kochen von Wasser mit einem Tauchsieder. Die Temperatur des Heizelements ist viel höher als die des Wassers. Zwischen etwa 01:00 und 02:00 werden die Geräusche immer lauter, und obwohl ein paar Blasen zu sehen sind, ist der Prozess, der die Geräusche erzeugt, die Produktion und der Zusammenbruch von meist unsichtbaren Dampfblasen. Während die Temperatur an bestimmten Stellen des Heizelements höher als der Siedepunkt ist, dehnt sich ein Teil der Blase in kühlere Bereiche der Flüssigkeit aus, sobald sich eine Blase zu bilden beginnt, wodurch der Dampf schnell kondensiert.

Dies führt zu einem der Kavitation ähnlichen Phänomen, jedoch auf einer etwas längeren Zeitskala, damit das Heizelement nicht beschädigt wird. Kochendes Wasser verursacht keine Kavitationsschäden.

Kavitation ist schlecht, weil der schnelle und heftige Zusammenbruch der Blase ein Ergebnis der sehr schnellen Druckänderung über Zeit und/oder Entfernung ist. Es ist diese Schnelligkeit und Lokalisierung des Blasenkollaps, die im Allgemeinen bestimmt, ob ein Phänomen als Sieden oder Kavitation bezeichnet wird.

Unterkühlung:

Die Unterkühlung von Flüssigtreibstoff, wie er in eine Turbopumpe eines Raketentriebwerks eingeführt wird, kann die Möglichkeit von Kavitation verringern. Bei niedrigeren Temperaturen ist der Dampfdruck niedriger, und daher ist es weniger wahrscheinlich, dass eine bestimmte Turbo-Pumpengeschwindigkeit einen Druck unterhalb dieses Punktes erzeugen kann. Die Unterkühlung erhöht jedoch auch die Dichte erheblich - einer der Hauptgründe für ihre Einführung. Dadurch kann die Turbopumpe langsamer drehen, um die gleiche Masse pro Zeiteinheit zu fördern. Langsamere Rotation bedeutet weniger Kavitation selbst bei einer festen Temperatur.