مضخة توربينية
المضخة التوربينية هي مضخة دفع ذات مكونين رئيسيين: مضخة دوارة وتوربينية غازية دافعة ، وعادة ما يتم تركيبهما على نفس العمود، أو يتم ربطهما معًا في بعض الأحيان. تم تطويرهما في البداية في ألمانيا في أوائل الأربعينيات. الغرض من المضخة التوربينية هو إنتاج سائل عالي الضغط لتغذية غرفة الاحتراق أو استخدام آخر. في حين توجد حالات استخدام أخرى، إلا أنها توجد بشكل شائع في محركات الصواريخ السائلة.
هناك نوعان شائعان من المضخات المستخدمة في المضخات التوربينية: مضخة الطرد المركزي ، حيث يتم الضخ عن طريق رمي السائل للخارج بسرعة عالية، أو مضخة التدفق المحوري ، حيث تعمل الشفرات الدوارة والثابتة المتناوبة على رفع ضغط السائل تدريجيًا.
تتميز المضخات ذات التدفق المحوري بأقطار صغيرة ولكنها تعطي زيادات متواضعة نسبيًا في الضغط. وعلى الرغم من الحاجة إلى مراحل ضغط متعددة، فإن المضخات ذات التدفق المحوري تعمل بشكل جيد مع السوائل منخفضة الكثافة. أما المضخات الطاردة المركزية فهي أقوى بكثير للسوائل عالية الكثافة ولكنها تتطلب أقطارًا كبيرة للسوائل منخفضة الكثافة.
تاريخ
التطور المبكر
ناقش رواد الصواريخ مثل هيرمان أوبيرث مضخات الضغط العالي للصواريخ الأكبر حجمًا . [1] في منتصف عام 1935، بدأ فيرنر فون براون مشروع مضخة وقود في شركة كلاين وشانزلين وبيكر في جنوب غرب ألمانيا والتي كانت من ذوي الخبرة في بناء مضخات مكافحة الحرائق الكبيرة. [2] : 80 استخدم تصميم صاروخ V-2 بيروكسيد الهيدروجين المتحلل من خلال مولد بخار والتر لتشغيل مضخة التوربين غير المنضبطة [2] : 81 المنتجة في مصنع هاينكل في جانباخ ، [3] لذلك تم اختبار مضخات التوربين V-2 وغرفة الاحتراق ومطابقتها لمنع المضخة من زيادة ضغط الغرفة. [2] : 172 تم إطلاق المحرك الأول بنجاح في سبتمبر، وفي 16 أغسطس 1942، توقف صاروخ تجريبي في منتصف الهواء وتحطم بسبب عطل في مضخة التوربين. [2] [ يحتاج إلى التحقق ] تم إطلاق الصاروخ V-2 بنجاح لأول مرة في 3 أكتوبر 1942. [4]
التطور من 1947 إلى 1949
كان المهندس الرئيسي لتطوير المضخة التوربينية في شركة Aerojet هو جورج بوسكو. وخلال النصف الثاني من عام 1947، تعرف بوسكو ومجموعته على أعمال المضخات التي يقوم بها آخرون وقاموا بدراسات تصميمية أولية. زار ممثلو شركة Aerojet جامعة ولاية أوهايو حيث كان فلورانت يعمل على مضخات الهيدروجين، واستشاروا ديتريش سينجلمان، خبير المضخات الألماني في رايت فيلد. استخدم بوسكو بعد ذلك بيانات سينجلمان في تصميم أول مضخة هيدروجين لشركة Aerojet. [5]
بحلول منتصف عام 1948، اختارت شركة Aerojet مضخات الطرد المركزي لكل من الهيدروجين السائل والأكسجين السائل . وحصلت على بعض المضخات الشعاعية الألمانية من البحرية واختبرتها خلال النصف الثاني من العام. [5]
بحلول نهاية عام 1948، صممت شركة Aerojet مضخة هيدروجين سائل (قطرها 15 سم) وبنتها واختبرتها. في البداية، استخدمت محامل كروية تعمل نظيفة وجافة، لأن درجة الحرارة المنخفضة جعلت التزييت التقليدي غير عملي. تم تشغيل المضخة أولاً بسرعات منخفضة للسماح لأجزائها بالتبريد إلى درجة حرارة التشغيل . عندما أظهرت مقاييس درجة الحرارة أن الهيدروجين السائل قد وصل إلى المضخة، جرت محاولة للتسريع من 5000 إلى 35000 دورة في الدقيقة. فشلت المضخة وأشار فحص القطع إلى فشل المحمل، وكذلك المكره . بعد بعض الاختبارات، تم استخدام محامل فائقة الدقة، مشحمة بالزيت الذي تم ذره وتوجيهه بواسطة تيار من النيتروجين الغازي. في الجولة التالية، عملت المحامل بشكل مرضٍ ولكن كانت الضغوط كبيرة جدًا على المكره الملحوم وانفصل. تم صنع واحدة جديدة عن طريق الطحن من كتلة صلبة من الألومنيوم . كانت الجولات التالية بالمضخة الجديدة مخيبة للآمال للغاية؛ لم تظهر الأجهزة أي ارتفاع كبير في التدفق أو الضغط. تم إرجاع المشكلة إلى ناشر الخروج للمضخة، والذي كان صغيرًا جدًا ولم يتم تبريده بشكل كافٍ أثناء دورة التبريد بحيث حد من التدفق. تم تصحيح ذلك بإضافة فتحات تهوية في غلاف المضخة؛ تم فتح الفتحات أثناء التبريد وإغلاقها عندما كانت المضخة باردة. مع هذا الإصلاح، تم إجراء تشغيلين إضافيين في مارس 1949 وكلاهما كان ناجحًا. وجد أن معدل التدفق والضغط يتفقان تقريبًا مع التوقعات النظرية. كان الحد الأقصى للضغط 26 جوًا (26 ضغط جوي (2.6 ميجا باسكال؛ 380 رطل / بوصة مربعة)) وكان التدفق 0.25 كيلوجرام في الثانية. [5]
بعد عام 1949
تدور مضخات التوربينات الرئيسية للمحرك الرئيسي للمكوك الفضائي بسرعة تزيد عن 30000 دورة في الدقيقة، لتوصيل 150 رطلاً (68 كجم) من الهيدروجين السائل و896 رطلاً (406 كجم) من الأكسجين السائل إلى المحرك في الثانية. [6] أصبح محرك رذرفورد التابع لصاروخ إلكترون أول محرك يستخدم مضخة تعمل بالكهرباء أثناء الطيران في عام 2018. [7]
مضخات توربينية طرد مركزي
معظم المضخات التوربينية تعمل بالطرد المركزي - يدخل السائل إلى المضخة بالقرب من المحور ويسرع الدوار السائل إلى سرعة عالية. ثم يمر السائل عبر حلزوني أو ناشر، وهو حلقة ذات قنوات متباعدة متعددة. يتسبب هذا في زيادة الضغط الديناميكي مع فقدان سرعة السائل. يحول الحلزوني أو الناشر الطاقة الحركية العالية إلى ضغوط عالية (مئات البار ليست غير شائعة)، وإذا لم يكن الضغط الخلفي للمخرج مرتفعًا جدًا، فيمكن تحقيق معدلات تدفق عالية.
مضخات توربينية محورية
توجد أيضًا مضخات توربينية محورية. في هذه الحالة، يكون للمحور مراوح متصلة بالعمود، ويتم دفع السائل بواسطة هذه المراوح بالتوازي مع المحور الرئيسي للمضخة. بشكل عام، تميل المضخات المحورية إلى إعطاء ضغوط أقل بكثير من المضخات الطاردة المركزية، ولا يعد بضعة بار أمرًا غير شائع. تتمثل ميزتها في معدل تدفق حجمي أعلى بكثير. لهذا السبب فهي شائعة في ضخ الهيدروجين السائل في محركات الصواريخ، بسبب كثافته المنخفضة كثيرًا مقارنة بالوقود الآخر الذي يستخدم عادةً تصميمات المضخات الطاردة المركزية. تُستخدم المضخات المحورية أيضًا بشكل شائع كـ "محرضات" للمضخات الطاردة المركزية، والتي ترفع ضغط مدخل المضخة الطاردة المركزية بما يكفي لمنع حدوث تجويف مفرط فيها.
تعقيدات مضخات التوربينات الطاردة المركزية
تشتهر المضخات التوربينية بصعوبة تصميمها للحصول على الأداء الأمثل. وفي حين يمكن للمضخة المصممة جيدًا والمُصححة أن تدير كفاءة تتراوح بين 70% و90%، فإن الأرقام التي تقل عن النصف ليست نادرة. قد تكون الكفاءة المنخفضة مقبولة في بعض التطبيقات، ولكن في مجال الصواريخ، تعد هذه مشكلة خطيرة. تعتبر المضخات التوربينية في الصواريخ مهمة ومشكلة بما يكفي لدرجة أن المركبات التي تستخدمها وُصفت بشكل ساخر بأنها "مضخة توربينية متصلة بصاروخ" - وقد تم نسب ما يصل إلى 55% من التكلفة الإجمالية إلى هذا المجال. [8]
تتضمن المشاكل الشائعة ما يلي:
- تدفق زائد من حافة الضغط العالي إلى مدخل الضغط المنخفض على طول الفجوة بين غلاف المضخة والدوار،
- إعادة تدوير مفرطة للسائل عند المدخل،
- الدوامة المفرطة للسائل أثناء خروجه من غلاف المضخة،
- تلف تجويف أسطح شفرات المكره في مناطق الضغط المنخفض.
بالإضافة إلى ذلك، فإن الشكل الدقيق للدوار نفسه أمر بالغ الأهمية.
قيادة مضخات التوربينات
تُستخدم مضخات التوربينات التي تعمل بالتوربينات البخارية عندما يكون هناك مصدر للبخار، مثل غلايات السفن البخارية . تُستخدم توربينات الغاز عادةً عندما لا تتوفر الكهرباء أو البخار وتسمح قيود المكان أو الوزن باستخدام مصادر أكثر كفاءة للطاقة الميكانيكية.
من بين هذه الحالات محركات الصواريخ ، التي تحتاج إلى ضخ الوقود والمؤكسد إلى حجرة الاحتراق الخاصة بها . وهذا ضروري للصواريخ السائلة الكبيرة، حيث إن إجبار السوائل أو الغازات على التدفق عن طريق الضغط البسيط على الخزانات غالبًا ما يكون غير ممكن؛ فالضغط العالي المطلوب لمعدلات التدفق المطلوبة يتطلب خزانات قوية وبالتالي ثقيلة.
عادةً ما تكون محركات رام جيت مزودة بمضخات توربينية، حيث يتم تشغيل التوربين إما مباشرةً بواسطة تيار هواء خارجي حر أو داخليًا بواسطة تدفق هواء مُحوَّل من مدخل غرفة الاحتراق. وفي كلتا الحالتين، يتم التخلص من تيار عادم التوربين في البحر.
انظر أيضا
مراجع
- ^ Rakete zu den Planetenräumen؛ 1923
- ^ abcd Neufeld, Michael J. (1995). The Rocket and the Reich . The Smithsonian Institution . ص 80-1، 156، 172. ISBN 0-674-77650-X.
- ^ أوردواي، فريدريك الأول الثالث ؛ شارب، ميتشل ر (1979). فريق الصواريخ. سلسلة كتب أوجي الفضائية، المجلد 36. نيويورك: توماس واي كرويل. ص 140. رقم ISBN 1-894959-00-0. تم أرشفة النسخة الأصلية في 2012-03-04.
- ^ دورنبيرجر، والتر (1954) [1952]. دير شوس إنس فيلتال / V-2 . ترجمة أمريكية من الألمانية. اسلنجان. نيويورك: Bechtle Verlag (ألمانية)؛ مطبعة الفايكنج (الإنجليزية). ص. 17.
- ^ abc "الهيدروجين السائل كوقود للدفع، 1945-1959". ناسا . مؤرشف من الأصل في 2017-12-25 . تم الاسترجاع في 2017-07-12 .
- ^ هيل، ب. وبيترسون، سي. (1992) ميكانيكا وديناميكا حرارية للدفع. نيويورك: أديسون ويسلي ISBN 0-201-14659-2
- ^ بروج، نوربرت. "الدفع الإلكتروني". B14643.de. مؤرشف من الأصل في 26 يناير 2018. تم الاسترجاع 20 سبتمبر 2016 .
- ^ وو، يولين، وآخرون. اهتزاز الآلات الهيدروليكية. برلين: سبرينغر، 2013.
روابط خارجية
- كتاب الدفع الصاروخي
- ML "Joe" Stangeland (صيف 1988). "Turbopumps for Liquid Rocket Engines". Threshold – Engineering Journal of Power Technology . Rocketdyne . مؤرشف من الأصل في 2009-09-24.
