Двигатели газ-газ

[Буцетам]

А так идея нравится тем что полностью компенсирует затраты на фазовый переход керосина,

У Клепикова был метан. Про керосин пора забыть, это тема из XX века, керосин нормально не кипит и для газ-газов непригоден. И даже без кипения он непригоден, он всегда даёт нагар в двигателе

[Вернер П.]

Цикл Клепикова это изобретение Клепикова, появился в его диссертации.

Нет цикла с таким названием - есть схемы с неполным дожиганием.
Классификация: с дожиганием, без дожигания, смешанные (с неполным дожиганием).

[Старый]

есть схемы с неполным дожиганием.

А что - бывают схемы с полным дожиганием? 

[Вернер П.]

Блок-схема исследованных схем в диссертации Клепикова:

[Буцетам]

Цикл Клепикова это изобретение Клепикова, появился в его диссертации.

Нет цикла с таким названием - есть схемы с неполным дожиганием.
Классификация: с дожиганием, без дожигания, смешанные (с неполным дожиганием).

Вы бы хоть разобрались что такое неполное дожигание. У Клепикова как раз цикл с полным дожиганием

[Вернер П.]

Цикл Клепикова это изобретение Клепикова, появился в его диссертации.

Нет цикла с таким названием - есть схемы с неполным дожиганием.
Классификация: с дожиганием, без дожигания, смешанные (с неполным дожиганием).

Вы бы хоть разобрались что такое неполное дожигание. У Клепикова как раз цикл с полным дожиганием

Никакого цикла Клепикова в диссертации нет.
А вот то что действительно пожалуй впервые появилось (со схемами) в открытой работе - это неполное дожигание

[Вернер П.]

Цикл Клепикова

Цикл Буцетама

"мы с Клепиковым" 
А что не с Наполеоном?

[Буцетам]

мы с Клепиковым

кто, вы? ну поздравляю

[Просто Василий]

Что за цикл клепикова? Есть описание? У тебя какой?

Цикл Клепикова это изобретение Клепикова, появился в его диссертации. Это ДОГГ с дополнительной турбиной на газифицированном горючем. Горючее газифицируется в рубашке охлаждения двигателя. Появляется больше мощности, поэтому температуру кислого газа в ДОГГе можно понизить, растёт устойчивость к возгоранию. Ну и кроме всего прочего цикл Клепикова это "газ-газ".
По такому циклу должен был работать РД-0162, хотя его так и не сделали. Зато сделали РД-0162Д2.
Цикл Буцетама это обратный цикл Клепикова. Температура кислого газа (газифицированный окислитель) ещё ниже чем у Клепикова, поэтому и давление в камере ниже, но всё ещё высокое (у Клепикова 200-250 атм, у меня 140-160). При пониженной температуре газа можно уже применять в ТНА бронзу вместо стали, а бронза (некоторые сорта) не загорается вообще никак. То есть у моего цикла абсолютная пожаробезопасность при достаточно высоком давлении. Вот зачем он нужен! Ну и да, это тоже "газ-газ".
По тракту горючего цикл Буцетама представляет собой ДВГГ. Но это холодный ДВГГ, а значит более многоразовый чем чистый ДВГГ-цикл (чем тот который качает и горючее и окислитель). Меньше термоциклирование, больше ресурс.

В цикле буцетама весь окислитель в рубашку идёт, или часть идёт в сместильную головку?  В рубашке кислород не закипит? Стенка кс из за этого не перегреется?

[Буцетам]

В цикле буцетама весь окислитель в рубашку идёт, или часть идёт в сместильную головку?  В рубашке кислород не закипит? Стенка кс из за этого не перегреется?

Весь идёт, давление в рубашке больше 60атм поэтому не кипит а сразу переходит в сверхкритический газ

[Вернер П.]

есть схемы с неполным дожиганием.

А что - бывают схемы с полным дожиганием? 

А как по-твоему называются схемы, в которых ВЕСЬ газ из газогенератора(ов) через турбину поступает в камеру сгорания? 

[Вернер П.]

Весь идёт, давление в рубашке больше 60атм поэтому не кипит а сразу переходит в сверхкритический газ

Бла-бла.
Вы бы вместо словесных описаний выложили бы энергоанализ схемы и на расчетах показали при каких условиях она завязывется. Пусть даже расчеты будут не ваши.

[Старый]

А как по-твоему называются схемы, в которых ВЕСЬ газ из газогенератора(ов) через турбину поступает в камеру сгорания? 

По моему они называются "схемы замкнутого цикла". А какие же тогда неполного дожигания? 

[Старый]

Вы бы вместо словесных описаний выложили бы энергоанализ схемы и на расчетах показали при каких условиях она завязывется. Пусть даже расчеты будут не ваши.

Ну как у RL-10 и там японские. Смысла то в схеме нет, но завязывается вполне. 

[Просто Василий]

В цикле буцетама весь окислитель в рубашку идёт, или часть идёт в сместильную головку?  В рубашке кислород не закипит? Стенка кс из за этого не перегреется?

Весь идёт, давление в рубашке больше 60атм поэтому не кипит а сразу переходит в сверхкритический газ

Вот что пишет электроник: Давайте сделаем грубый, но физически обоснованный расчет энергетического баланса для вашего «Цикла Буцетама».
Возьмем за основу двигатель тягой 100 тонн-сил (около 1 МН).
1. Входные данные
* Тяга (F): 100 тс (\approx 980 кН).
* Давление в камере (P_k): 160 атм.
* Соотношение компонентов (K_m): 3.5.
* Удельный импульс (I_{sp}): земной, \approx 310 с (для метана).
* Суммарный расход (\dot{m}_{\Sigma}):
 
* Расход окислителя (\dot{m}_{ox}): 322 \cdot \frac{3.5}{4.5} \approx \mathbf{250 \text{ кг/с}}.
* Расход горючего (\dot{m}_{fu}): 322 \cdot \frac{1}{4.5} \approx \mathbf{72 \text{ кг/с}}.
2. Счет за электричество (Мощность насосов)
Нам нужно накачать эти компоненты.
Насос Окислителя (Кислород):
В вашей схеме это самое нагруженное звено. Ему нужно продавить рубашку (сопротивление!) + турбину + форсунки.
* Сопротивление рубашки (\Delta P_{cool}) для всего расхода: берем оптимистично 50 атм (обычно больше при газификации).
* Перепад на турбине (\Delta P_{turb}) и форсунках (\Delta P_{inj}): 30 + 20 = 50 атм.
* Давление выхода насоса: 160 (P_k) + 50 + 50 = \mathbf{260 \text{ атм}}.
* Плотность LOX \rho \approx 1140 \text{ кг/м}^3. КПД \eta \approx 0.75.
Насос Горючего (Метан):
Тут проще. Газогенератор + турбина + форсунки.
* Давление выхода насоса: \approx 240 \text{ атм}.
* Плотность LCH4 \rho \approx 420 \text{ кг/м}^3.
ИТОГО требуемая мощность на валу: 7.6 + 5.5 = \mathbf{13.1 \text{ МВт}}.
3. Доходы от тепла (Мощность турбин)
Вот тут начинается драма вашего цикла.
А. Турбина Окислителя (Expander part)
Она работает на том тепле, которое кислород забрал из рубашки.
* Тепловой поток (Q): Для двигателя 100 тонн, общая теплоотдача в стенку камеры сгорания составляет примерно 15–20 МВт (максимум). Возьмем оптимистично Q = 20 \text{ МВт}.
* Нагрев кислорода (\Delta T):
  У нас течет огромная река кислорода (250 кг/с).
  Теплоемкость кислорода C_p (усредним) \approx 1.7 \text{ кДж/(кг·К)}.
 
Результат:
Кислород зашел при 90 К. Вышел при 137 К.
Это даже не горячий газ. Это холодная сверхкритическая жидкость (чуть теплее точки кипения).
* Работать на перепаде температур 137 К \to 100 К турбина практически не сможет. Ее КПД будет мизерным.
* Вклад в мощность: близок к нулю (дай бог 0.5–1 МВт).
> Вывод 1: Окислительная турбина в вашей схеме — это паразит. Она почти не дает энергии, но создает сопротивление потоку.
>
Б. Турбина Горючего (Газогенератор)
Вся надежда на нее. Она должна выработать недостающие 12–13 МВт.
* Расход рабочего тела: весь метан (72 кг/с) + немного кислорода.
* Нам нужно снять удельную работу:
 
* Это абсолютно нормальная цифра для метановой турбины.
* Чтобы получить такую работу, температура газа перед турбиной (T_{gg}) должна быть около 600–700 К (около 350–400°C).
> Вывод 2: Это очень комфортная температура ("холодный" газ). Сажи не будет. Бронза и сталь выдержат с запасом.
>
4. Итоговый баланс цикла Буцетама
Если мы убираем иллюзии, ваш двигатель в цифрах выглядит так:
* Тракт Окислителя:
  * Работает вхолостую. Вы гоните 250 кг/с кислорода через рубашку охлаждения. Он там нагревается всего на 50 градусов (потому что его слишком много).
  * Энергию с него снять не удается (низкая температура).
  * Но насосу приходится давить лишние 50-70 атм, чтобы протолкнуть эту массу через рубашку.
* Тракт Горючего:
  * Тянет на себе всю работу.
  * Это классический восстановительный газогенератор (Rich Staged Combustion), как в РД-0169 или Raptor (топливная часть).
Вердикт и предложение по оптимизации
Математика показывает, что попытка сделать «Обратный Клепиков» (газификация всего кислорода в рубашке) энергетически невыгодна. Вы тратите энергию насоса на прокачку кислорода, но не возвращаете её на турбине, потому что кислород не успевает нагреться.
Как спасти идею (Цикл Буцетама 2.0):
Оставьте вашу идею безопасности (бронза + низкие Т), но измените гидравлику:
* Не пускайте ВЕСЬ кислород в рубашку.
  Пустите в рубашку только 20-30% кислорода (байпас).
  * Тогда расход упадет в 3-4 раза.
  * Температура выхода подскочит с 137 К до 300-400 К.
  * Вот теперь это ГАЗ, который может крутить турбину!
* Остальной кислород (холодный) пустите сразу в смесительную головку.
Что получится:
* Турбина 1 (Метан): Основная тягловая лошадка (холодный ГГ).
* Турбина 2 (Кислород): Работает на 30% расхода, но горячего. Помогает крутить вал.
* Материалы: Везде умеренные температуры, можно использовать бронзу в окислительном тракте.
* Давление: 160 атм реализуемо.
В такой модификации баланс сойдется идеально.

[Вернер П.]

Возьмем за основу двигатель тягой 100 тонн-сил

Если не трудно, посчитайте для 5 тонн.
Возможно что-то получится

[zero17]

могли бы создать для МБР Сармат ЖРД "газ - газ", тем более наработки есть

[Вернер П.]

А как по-твоему называются схемы, в которых ВЕСЬ газ из газогенератора(ов) через турбину поступает в камеру сгорания? 

По моему они называются "схемы замкнутого цикла". А какие же тогда неполного дожигания? 

Неполное это когда 2 ТНА. С турбины одного газ подается в камеру сгорания, а со второго выбрасывается (или вдувается в закритическую часть сопла

[Старый]

Неполное это когда 2 ТНА. С турбины одного газ подается в камеру сгорания, а со второго выбрасывается (или вдувается в закритическую часть сопла

А такие есть? А как называются двигатели открытого цикла? Полного несгорания, что-ли? 

[Просто Василий]

Возьмем за основу двигатель тягой 100 тонн-сил

Если не трудно, посчитайте для 5 тонн.
Возможно что-то получится

Расчет баланса для двигателя малой тяги (5 тс или ~49 кН) — это совсем другая история по сравнению с гигантами. Здесь вступают в силу «эффекты масштаба»: КПД узлов падает, но охлаждать камеру становится проще (соотношение поверхности к объему растет).
Рассчитаем баланс для вашего «Цикла Буцетама» (Обратный Клепиков: весь кислород через рубашку + топливный газогенератор) при стандартном соотношении компонентов 3.5.
1. Входные параметры (Масштаб 5 тс)
 * Тяга (F): 5 тс (\approx 49\,050 Н).
 * Удельный импульс (I_{sp}): 310 с (оптимистично для метана).
 * Давление в камере (P_k): 160 атм (оставляем вашу цель).
 * Соотношение (K_m): 3.5.
 * КПД насосов (\eta_p): 0.60 (Внимание! Для маленьких насосов КПД сильно падает, 0.75 здесь не получить).
 * КПД турбин (\eta_t): 0.60 (Аналогично, зазоры влияют сильнее).
2. Расходы компонентов
Общий расход:

 * Окислитель (O2): 16.13 \cdot \frac{3.5}{4.5} \approx \mathbf{12.54 \text{ кг/с}}.
 * Горючее (CH4): 16.13 \cdot \frac{1}{4.5} \approx \mathbf{3.59 \text{ кг/с}}.
3. Потребная мощность насосов
Давления берем с учетом потерь (они будут выше из-за узких каналов в маленьком двигателе).
 * P_{ox\_out} = 260 \text{ атм} (рубашка + тракт).
 * P_{fu\_out} = 240 \text{ атм}.
Итого требуется на валу: 477 + 342 = \mathbf{819 \text{ кВт}}.
4. Генерация мощности (Баланс)
А. Турбина Окислителя (Expander) — Есть ли надежда?
На маленьком двигателе охлаждать проще. Тепловой поток в стенку (Q) относительно расхода выше, чем на большом двигателе.
 * Оценочный теплосъем (Q_{wall}): ~1 МВт (около 1.5% от тепловой мощности сгорания).
 * Подогрев кислорода (\Delta T):
   
 * Результат: Кислород нагреется с 90 К до ~140 К. Это всё ещё «ледяная жидкость» по меркам турбин. Мощность этой турбины будет ничтожной (20–30 кВт), ею можно пренебречь.
Б. Турбина Горючего (Газогенератор) — Тянет всё
Вся нагрузка (819 кВт) ложится на метановую турбину.
 * Расход рабочего тела: весь метан (3.59 кг/с).
 * Требуемая удельная работа (L_{ud}):
   
5. Вердикт: Сойдется ли?
Цифра 380 кДж/кг — это много.
Для сравнения:
 * В расчете на 100 тонн у нас выходило ~180 кДж/кг.
 * Здесь нагрузка на килограмм метана выросла в 2 раза.
Почему так произошло?
 * КПД: На малом масштабе (5 тс) КПД насосов и турбин упал (0.6 вместо 0.75). Мы теряем энергию на трение в маленьких узлах.
 * Баланс: Метана мало (всего 3.6 кг/с), а крутить надо насос, качающий 12.5 кг/с тяжелого кислорода с плохим КПД.
Как получить 380 кДж/кг?
Вам придется поднять температуру в газогенераторе.
 * Вместо мягких 600 К, вам потребуется 900–1000 К (около 700°C).
 * Это всё ещё допустимо для современных сплавов, и даже для бронзы (если охлаждать корпус). Сажи при такой температуре еще не будет (метан держит до ~800°C в потоке, если нет застоя).
Итоговое резюме для 5 тс (Цикл Буцетама)
Двигатель реализуем, но он получается более «горячим» по турбине, чем его 100-тонный брат.
 * Давление 160 атм: Подтверждается, но требует очень качественной разработки насосов (микро-зазоры), чтобы не уронить КПД ниже 0.6.
 * Турбина: Работает напряженно. Температура газа ~1000 К.
 * Рубашка (Кислород): Основная проблема сохраняется. Прокачать 12.5 кг/с через рубашку крошечной камеры сгорания (размером с 3-литровую банку) будет безумно сложно гидравлически.
   * Совет: На таком масштабе (5 тс) настоятельно рекомендую пустить в рубашку не 100%, а хотя бы 50% кислорода. Иначе потери давления в тонких каналах «съедят» весь напор насоса.