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来点硬货干货:中国火箭发动机的重大弱项是涡轮泵

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对于大推力、高性能的液体火箭发动机来说,为提升发动机的比冲,提升燃烧室室压非常关键,泵送推进剂的泵功率达到了几万千瓦级,要知道秦山核电站一期机组的功率也就是30万千万!因此目前这个任务,还只能交给涡轮泵来完成!
那么什么是涡轮泵(Turbopump)?拿什么驱动它?
涡轮泵拆开,就是涡轮(Turbine)+泵(Pump),涡轮带动泵,主要就是由这两部分组成。


F-1发动机的涡轮泵剖面图


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1楼2019-12-29 16:11


    F-1发动机的涡轮泵主轴、两个离心泵叶轮和涡轮


    (一)泵
    和航空发动机如出一辙,液体火箭发动机也有轴流泵和离心泵。极个别液体火箭发动机使用了轴流泵,比如阿罗杰特(Aerojet)在上世纪60年代研制M-1发动机使用的轴流泵,几乎就是一个航空涡喷发动机,见下图,也包括J2的氢泵。但这种泵的转动部件多,造价高,轴向尺寸长,抗气蚀能力不高,因此应用不广。


    而离心泵流量大、扬程高,结构紧凑,是最常见的的液体火箭发动机主泵。离心泵的叶轮好比是链球运动员,把液体奋力甩出去,甩到叶轮周边环形的蜗壳通路。在液体火箭发动机工作逻辑图中,如果看到类似三角锥形,说的就是带叶轮的离心泵。


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    2楼2019-12-29 16:14


      RL-10的氢泵叶轮(正中),左侧是氧泵叶轮
      如果一级离心泵不够,那就再来一级,像SSME的氢泵泵送压力要求达到47.8MPa,液氢的密度低,泵送的体积大,单靠大尺寸的一级离心泵不现实,就用多级串联,而且是三级。


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      3楼2019-12-29 16:15


        SME的高压氢泵,请寻找三个三角锥,找到三级串联的离心泵叶轮
        泵还有一项必须学会的本领是密封,在几百个大气压下,如何让泵送的推进剂不泄漏,如果让活泼的氧不乱窜,这是非常难的事情,氦气吹除、端面密封、浮环密封等,限于篇幅,留着下次专题介绍。美国为提高SSME的可靠性,在氧泵和富燃涡轮这两个组件之间用氦气吹除进行隔离,氦气分别与一端漏出的液氧或从涡轮一端漏出的燃气一起排出体外。


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        4楼2019-12-29 16:16
          (二)产生气穴并不可怕,可怕在于她的溃灭----泵的大敌气蚀(Cavitation)
          小时候大家都玩过针筒,打水仗时拿它补充弹药,慌乱中,用力过猛,你就会发现,吸进去的不是水,而是突然长出来一大段空气,这就是气蚀的开始。
          泵工作时液体在叶轮的进口处,在入口处的压力低于输送液体在该温度下的饱和蒸汽压,会产生气体!液氢、液氧沸点低,遇到“高温”也经常控制不了自己,沸腾从而产生气泡。叶轮表面的气泡在随后泵送增压过程中会溃灭,溃灭之时,工质从四面八方、排山倒海而来,互相碰撞、互相伤害,啪!啪!啪!产生振动和撞击!这些振动和撞击对叶轮等金属表面产生剥蚀。(气蚀是液体火箭发动机叶轮机构上十分重要的一种现象,但一般科普文章却鲜有提及,所以主页君希望大家能够能理解这部分内容)


          一个被气蚀损坏的桨片
          为了消除气蚀,需要增加离心泵第一级叶轮入口的压力,主要采用了两种办法。:
          1、预压泵:可将发动机入口的低压提高到主泵无气蚀状态,减小推进剂贮箱增压,并提高主泵的转速、减小质量。SSME和苏联RD-170、RD-0120都采用预压泵。不过预压泵也需要消耗能源并增加整个系统的复杂性,降低可靠性。
          2、诱导轮(螺旋诱导轮,导流轮,INDEUCER):对于高室压发动机来说,离心泵的主要部件是离心叶轮和诱导轮。诱导轮相当于离心泵前的一个辅助增压泵, 诱导轮可以在入口有一定汽蚀的情况下工作。只要诱导轮设计得当, 工质通过诱导轮后就可以获得足够的能量, 从而满足离心泵入口所必须的净正抽吸压头,使离心泵叶轮不产生气蚀,这样整个涡轮泵的气蚀水平就由诱导轮决定了,诱导轮的设计非常有学问! 也是多次航天事故背后的元凶!


          (三)涡轮
          涡轮,是一种将流动工质的能量转换为机械功的旋转式动力机械。涡轮采用高强度的合金钢,比如SSME的两级高压氢泵涡轮,转速达到3.7万转/分钟,涡轮盘材料是通用电气公司开发的Inconel-718,含铌、钼的沉淀硬化型镍铬铁超强合金,从事航空航天领域经常会遇到这个材料;涡轮叶片的材料是MAR-M 246镍基耐高温合金,定向结晶!产生的功率是5.74万千瓦,转换效率也达到了业内最高的0.56~0.58。


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          5楼2019-12-29 16:17


            这是SSME的氢泵涡轮叶片,每一片叶片,硬币大小,但产生750马力!
            (四)拿什么去驱动涡轮?
            当然是高温燃气!这些燃气,有从再生冷却管道吸热汽化的氢驱动的RL-10,也有从推力室抽出高温燃气驱动玩一票的J2-S,更主流的是从燃气发生器产生燃气,从喷注器、点火器等构造来说,和主燃烧室非常类似。而对于分级燃烧来说,这个燃气发生器被称为预燃室,下图是SSME的主燃烧室和两个预燃室,分别驱动液氢和液氧泵。






            (五)涡轮泵----液体火箭的阿克琉斯之踝
            上述就是涡轮泵,谈一下整体印象!涡轮泵是液体火箭发动机,唯一大负荷、高转速的运动部件。涡轮泵好比液体火箭发动机的心脏,强大而脆弱!
            (1)高转速,工作勤奋:几万转/分钟,轴承冷却以及间隙控制、防止震动都是难点;
            (2)气蚀危害大,工作有风险:主要来自气穴的溃灭,这方面事故比比皆是;
            (3)密封性要求高,工作不能有意外:密封失效,推进剂泄出会和高温燃气发生严重事故,氧化剂泵需尽可能远离高温燃气;
            (4)大负荷,工作条件苛刻,工作常常过劳死:高温燃气驱动,涡轮叶片承受着热烧蚀和巨大的冲击。
            可以说,涡轮泵是整个液体火箭发动机技术含量最高的部件,也是最为薄弱的环节,常常引发各类事故!只有新的循环方式能给他减负!


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            6楼2019-12-29 16:17
              我顶


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              来自Android客户端8楼2019-12-29 17:32
                不错 学到了


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                来自Android客户端9楼2019-12-29 18:17
                  看不懂,你给简单总结一下呗


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                  来自Android客户端10楼2019-12-29 18:57
                    太干了,好难啃


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                    来自Android客户端11楼2019-12-29 18:59
                      不错,最近正在找这些资料做模型,好活当赏


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                      来自Android客户端12楼2019-12-29 19:12
                        复制人家的把出处带上


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                        来自Android客户端13楼2019-12-29 19:17
                          我竟然看懂了


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                          来自Android客户端14楼2019-12-29 19:54
                            康不懂


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                            来自Android客户端15楼2019-12-29 21:49
                              我感觉还是太缺铼的问题


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                              来自Android客户端16楼2019-12-30 05:47
                                乱讲。


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                                来自Android客户端18楼2019-12-30 08:12
                                  然后呢你是不是觉得胖五的涡轮泵是手摇式?


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                                  来自Android客户端19楼2019-12-30 08:52
                                    有点扯了......


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                                    23楼2020-01-07 08:32
                                      也就是说…这有点类似航空发动机,其实是靠燃气的力量来搞高温涡轮,来吸入或者说卷入燃料和氧化剂?
                                      学到了,之前看图片一直以为燃料是在一个橡胶球,类似气球的弹性容器里面,再接个单向阀…也对啊要把燃料泵给燃烧室,燃料压力一定要比燃烧室高温区气压大,气球气压比燃气压力还大…果然401还是图样图森破
                                      唉谁没个年轻呢
                                      标记了,等下开机网页截图


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                                      来自Android客户端24楼2020-01-07 08:49