Wie ist die Turbinenleistung eines gestuften Vollstrom-Verbrennungsmotors im Vergleich zu einer sauerstoffreichen gestuften Verbrennung?

Einer der Vorteile des gestuften Vollstrom-Verbrennungsmotors von SpaceX Raptor ist die zusätzliche Leistung, die dadurch erzeugt wird, dass der gesamte Kraftstoff und das gesamte Oxidationsmittel durch die Turbinen fließen, um Strom für den Betrieb der Kraftstoff- und Oxidationsmittelpumpen zu erzeugen.

Zuerst dachte ich, dass zwei Vorkammern und zwei Turbopumpen die Leistung im Vergleich zu einem nur sauerstoffreichen Verbrennungsmotor im RD-180-Stil verdoppeln würden. Aber dann habe ich diese Berechnung (siehe unten) der Kraftstoffmasse durchgeführt und bin zu dem Schluss gekommen, dass der Kraftstoff nur 25% der Masse des Sauerstoffs hat und daher nur 25% zur verfügbaren Gesamtpumpenleistung beitragen würde.

C H 4 + 2 Ö 2 = C Ö 2 + 2 H 2 Ö

C H 4 Molekulargewicht = 16
2 Ö 2 Molekulargewicht = 64

Das Verhältnis von Kraftstoff zu Oxidationsmittel beträgt 1:4 (der Einfachheit halber unter der Annahme von Stöchiometrie)

Fazit: Die Verwendung des Kraftstoffs sowie des Sauerstoffs zum Antrieb der Turbinen erhöht die verfügbare Pumpleistung um 25%.

Ist das die richtige Schlussfolgerung? Wenn ja, lohnt sich der Mehraufwand für diese 25 % Mehrleistung?

Es ist nicht möglich, die Turbine nur mit Methan oder nur mit Sauerstoff anzutreiben. Sie müssen Methan mit Sauerstoff verbrennen, um ein heißes Gas zu erhalten, das die Turbine antreibt. Es kann jedoch erforderlich sein, Brennstoff fett zu verbrennen, um die Temperatur auf einen für die Turbine akzeptablen Wert zu begrenzen. Eine sauerstoffreiche Verbrennung kann möglich sein, wenn die Turbine nicht durch den überschüssigen heißen Sauerstoff beschädigt wird.
In einem Luft- und Raumfahrtsystem sind 25 % eine enorme Steigerung.
@OrganicMarble Ihr obiger Kommentar ist hilfreich in Bezug auf die Bedeutung des Hinzufügens von 25% zusätzlicher Leistung, aber impliziert Ihr Kommentar, dass Sie meine Schlussfolgerung bestätigen, dass die Leistungssteigerung tatsächlich 25% beträgt? Wenn ja, setzen Sie das vielleicht in eine Antwort gegen einen Kommentar?
Ich habe nur den Teil angesprochen, "lohnt es sich".
Mein Verständnis ist, dass der Vorteil des vollen Durchflusses mehr mit der Isolierung von Kraftstoff / Oxidationsmittel zu tun hat. Wenn Sie eine brennstoffreiche Turbine haben, die ein Oxidationsmittel pumpt, wenn etwas durch das Lager leckt, BOOM. Sie brauchen also wirklich gute Dichtungen, die einen hohen Verschleiß aufweisen, was die Wiederverwendung beeinträchtigt. Da kraftstoffreiche Turbinen Kraftstoff und oxidatorreiche Turbinen Oxidator pumpen, müssen Sie sich keine Gedanken über Leckagen im Lager machen. Ich erinnere mich jedoch nicht an die Quelle für diese Informationen, weshalb ich es zu einem Kommentar gemacht habe.
@Lex, Ihr Kommentar spricht sicherlich einen der Vorteile des vollständigen Strömungszyklus an, aber ich betrachte speziell die zusätzliche Leistung, die durch das Hinzufügen der zweiten Turbopumpe verfügbar ist. Ich denke, dass die zusätzliche Pumpleistung den sehr hohen Kammerdruck und damit den erhöhten Isp ermöglicht.
Die stöchiometrische Annahme ist nicht gut. Der Raptor läuft mit 3,8 ( en.wikipedia.org/wiki/Raptor_(rocket_engine_family) )
@AdamWuerl Ja, Sie haben Recht, dass der Raptor mit einem Verhältnis von 3,8 zu 4,0 läuft, aber die stöchiometrische Annahme ist eine angemessene vereinfachende Annahme, da meine Frage die Größe der Leistungssteigerung durch Hinzufügen der zusätzlichen Turbopumpe betrifft FFSC-Zyklus. Wir treffen vereinfachende Annahmen, um uns auf die vorliegende Frage zu konzentrieren.
Ergänzend zu Lex, eliminiert FFSC auch die Notwendigkeit eines Spülgases wie Helium zwischen dem Oxidationsmittel und den Kraftstoffpumpen, wodurch ein zweistufiges Design ermöglicht wird, das auf dem Mars vollständig betankt werden kann.
Der Massenstrom durch die Turbinen ist nicht der einzige oder gar wichtigste Faktor für die Leistung, die sie erzeugen können. Es ist ein komplizierteres thermodynamisches Problem, aber auf der einfachsten Ebene sollten Sie die Änderung der Enthalpie zwischen Turbineneinlass und -auslass betrachten. Die spezifische (dh pro Masseneinheit) Enthalpieänderung wird mit der Massenstromrate (und einigen Effizienztermen) multipliziert, um die Leistung der Turbinenwelle zu berechnen. Es kommt also darauf an, was die Flüssigkeiten sind, nicht nur die Masse. Die Motorleistung ist auch viel komplizierter als die Maximierung der Pumpenleistung oder des Motorzyklus.

Antworten (1)

Doppelte Turbopumpen verbessern die Leistung nicht (sie machen nur jede der doppelten Vorbrennerkammern kleiner); Da es sich um FFSC, Full Flow Staged Combustion, handelt, ist dies der Fall.

Es gibt mehrere Gründe, den LOX-Pfad und den Methanpfad zu trennen:

  1. Die gasförmige Injektion in die Primärkammer verbessert die Verbrennungseffizienz und das Mischen, was zu einer kleineren Brennkammer und einer gleichmäßigeren, weniger problematischen Verbrennung führt. Um beides in eine gasförmige Form zu bringen, sind zwei separate Vorbrenner erforderlich. (oder ein schwerer Wärmetauscher)

  2. Die dynamische Dichtung an einer Turbopumpenwelle mit etwa 50.000 U/min wird immer undicht sein, insbesondere wenn die Wiederverwendung von größter Bedeutung ist. Separate Turbopumpen bedeuten, dass Sie sich keine Sorgen über ein versehentliches Mischen von O2 und CH4 machen müssen, da statische Dichtungen an der Außenseite der Turbopumpe die Dichtungsarbeit übernehmen ... und so die Zuverlässigkeit verbessern.

  3. Die Metalle sind für O2-Brenner und O2-Kraftrad unterschiedlich und haben wahrscheinlich unterschiedliche Wärmeausdehnungsraten (heißer Hochdrucksauerstoff ist ziemlich korrosiv). SpaceX formuliert dafür eine neue Supper-Legierung .

  4. Zum Anfahren und zu anderen Zeiten können sie die Mischungsverhältnisse dynamisch ändern, indem sie die Flüssigkeitsventile steuern, ohne die Gasregelventile zu überdrücken. Im Extremfall können sie sogar das Vorbrenner-zu-Brennkammer-Regelventil entfernen alles zusammen oder machen Sie es stattdessen zu einem kleineren und leichteren Absperrventil ... (nicht ganz sicher bei diesem)

Ein Großteil der Leistungs- und Effizienzverbesserung kommt von a) höheren primären Brennkammerdrücken; Deshalb schießen sie auf über 300 bar, vielleicht, wenn sie die Metalle dazu bringen können, im O2-Vorbrenner nicht zu korrodieren, und b) in einem FFSC-Design, können Sie den gesamten Kraftstoff bei Mach ?30 ausstoßen? anstatt es bei Sub-Mach 1 abzuladen.

Haben Sie Referenzen, um dies zu belegen? Besonders interessieren mich die „Gasregelventile“ und das „Vorbrenner-Brennkammer-Regelventil“. Schlagen Sie vor, dass sich im Heißgasverteiler zwischen dem Vorbrenner und der Hauptbrennkammer ein Ventil befindet?
Wie ist die Turbinenleistung eines gestuften Vollstrom-Verbrennungsmotors im Vergleich zu einer sauerstoffreichen gestuften Verbrennung?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v