Двигатели газ-газ

[Буцетам]

база по надёжным циклам

Открытый хде? Цикл буцетама по балансу не сходится,  да и вообще в нем смысла нет, так как сложнее обычного двгг.

Не нашлось картинки с счетырьмя мужиками. Ща сделаю по-новой.
Цикл Буцетама сходится, я же писал сюда свои пространные размышления. Кстати вот этот пункт беру назад

Но я согласен что у цикла есть ограничения. Если мы хотим высокую тягу, придётся делить поток, в рубашку подавать процентов 20 кислорода, а остальное в обход и сразу на форсунки. В таком виде придётся иметь кислородные форсунки двух типов: газовые и жидкостные. С инженерной точки зрения мне это не нравится, но работать будет. В таком виде у цикла Буцетама ограничений по тяге нет

надо добиваться полной газификации и чтоб без жидкостных форсунок.
Основной аргумент в пользу сходимости цикла, это то что для привода кислородного насоса нужно 7МВт, а рубашка снимает с камеры 20+ МВт. То есть по энергии у нас сходимость есть, осталось интенсифицировать теплосъём в достаточной мере чтобы достичь полной газификации и перегрева.

Но должен признать, цикл как-то потускнел в моих собственных глазах. Если такие сложности с газификацией, то зачем вообще всё это? В конце-концов, единственное преимущество перед Клепиковым это отсутствие кислого газгена. А часто ли аварии возникают в кислом газгене? Надо над этим подумать

[blik]

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.

а какая ИИ дала такой качественный ответ?
хотел попытать ее по смежным темам

[Буцетам]

Пинтл Форсунку можно и к газ жидкость применить, в tr-107 вроде хотели.

Хотели да перехотели. После "refocus" в апреле 2003 года пинтуль-форсунка осталась только в газогенераторе, который как известно "жидкость-жидкость".
Почитайте ещё по ссылке отчёт центра Маршала по компьютерной симуляции форсунок и связанных вопросов. TR-107 упоминается, pintle-injector нет
https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20030112990/downloads/20030112990.pdf

[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.

а какая ИИ дала такой качественный ответ?
хотел попытать ее по смежным темам

Gemini думающая или про 

[Буцетам]

Открытый хде?

готово

[Буцетам]

Напоминаю что двойной открытый цикл тоже существует. Если сделать по двухвальной схеме, будет как у Маска, но УИ чуть меньше

[Просто Василий]

Пинтл Форсунку можно и к газ жидкость применить, в tr-107 вроде хотели.

Хотели да перехотели. После "refocus" в апреле 2003 года пинтуль-форсунка осталась только в газогенераторе, который как известно "жидкость-жидкость".
Почитайте ещё по ссылке отчёт центра Маршала по компьютерной симуляции форсунок и связанных вопросов. TR-107 упоминается, pintle-injector нет
https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20030112990/downloads/20030112990.pdf

Пинтл-форсунку (штыревую форсунку) теоретически можно применить в цикле ORSC (газ-жидкость).
Физике все равно, в каком агрегатном состоянии компоненты: пинтл отлично умеет смешивать и «жидкость-жидкость» (как на лунном модуле Apollo), и «газ-жидкость» (как, по сути, происходит в некоторых режимах).
Однако, совмещение Пинтла и ORSC (горячего кислорода) создает инженерный кошмар, из-за которого так почти никто не делает.
Вот в чем суть конфликта:
1. Проблема «Подвижной части в аду»
Главная фишка пинтла — он подвижен. Чтобы дросселировать двигатель (менять тягу), центральная игла или внешняя гильза двигаются, меняя сечение щели.
* В цикле ORSC: Через форсунку идет горячий (300–400°C) газообразный кислород под диким давлением (200+ бар).
* Риск: Горячий кислород под давлением превращает любой металл в топливо. Если в подвижном уплотнении пинтла возникнет хоть малейшее трение, искра или заусенец — произойдет мгновенное возгорание самой форсунки («metal ignition»).
* Сравнение: Русская школа (Глушко) в ORSC использует сотни неподвижных коаксиальных форсунок. Там нечему тереться в среде горячего кислорода.
2. Проблема охлаждения штыря
В классическом пинтле (как на Merlin 1D) через центральную часть идет жидкий кислород (или керосин), который охлаждает штырь изнутри перед тем, как вылететь в камеру.
* В ORSC: У вас окислитель — это горячий газ. Он не охлаждает, он сам греет конструкцию.
* Вам придется подавать горючее (жидкость) через центр штыря, чтобы охладить его. Но тогда горячий кислород будет подаваться по внешнему кольцу. Это меняет гидродинамику смешения, и организовать завесу пристеночного охлаждения становится сложнее (обычно пинтл настраивают так, чтобы внешняя пелена топлива защищала стенки камеры).
3. Почему это все-таки заманчиво? (Deep Throttling)
Если решить проблему материалов, то Pintle + ORSC — это мечта для многоразовой ракеты.
* Глубина дросселирования: Пинтл позволяет снижать тягу до 10-20% без срыва пламени (Merlin это умеет). Классические форсунки ORSC (РД-180, РД-191) начинают "кашлять" и терять устойчивость при тяге ниже 30-40% из-за падения перепада давления.
* Простота: Одна большая "дырка" вместо 500 маленьких трубочек, которые надо паять вручную.
Кто-то пытался?
* SpaceX Raptor (ранние слухи): Когда Маск только анонсировал Raptor, многие думали, что это будет FFSC (газ-газ) на пинтле, потому что Том Мюллер (главный двигателист SpaceX) — "король пинтла".
* Реальность: В итоге Raptor использует коаксиальные вихревые форсунки (Gas-Gas Coaxial Swirl), очень похожие на те, что использует Глушко, только для газа с обеих сторон. Видимо, сделать гигантский пинтл, работающий в среде раскаленного газа, оказалось сложнее, чем "насверлить много дырок".
Итог: Применить можно, но инженеры боятся делать подвижные уплотнения в среде горячего кислорода высокого давления. Это слишком высокий риск взрыва.

[Вернер П.]

Статья про штифтовые.
Вроде уже выкладывал ссылку, но думаю не помешает.
http://www.rocket-propulsion.info/resources/articles/TRW_PINTLE_ENGINE.pdf

[Буцетам]

«газ-жидкость» (как, по сути, происходит в некоторых режимах).

Подробнее? Смешивание-то происходит, но в специально сконструированных газо-жидкостных форсунках. А пинтуль сконструирован для работы на жидкостях, его уникальное преимущество (зоны рециркуляции, которые разделяют область горения на 3 части и препятствуют ВЧ-колебаниям) реализуется на "жидкость-жидкости" и именно на ней.
Есть хоть какие-то данные подтверждающие возможность работы пинтуля на газе?

[Буцетам]

Вот в чем суть конфликта:
1. Проблема «Подвижной части в аду»
Главная фишка пинтла — он подвижен. Чтобы дросселировать двигатель (менять тягу), центральная игла или внешняя гильза двигаются, меняя сечение щели.

Нейросеть вам выдаёт желаемое)) Ни в одном из реальных штифтовых двигателей штифт не двигается. Это умозрительная возможность, но сложная в реализации

[Просто Василий]

Вот в чем суть конфликта:
1. Проблема «Подвижной части в аду»
Главная фишка пинтла — он подвижен. Чтобы дросселировать двигатель (менять тягу), центральная игла или внешняя гильза двигаются, меняя сечение щели.

Нейросеть вам выдаёт желаемое)) Ни в одном из реальных штифтовых двигателей штифт не двигается. Это умозрительная возможность, но сложная в реализации

Тогда как происходит устойчивое дросселирование сохраняя перепад давления?

[Буцетам]

Ни в одном из реальных штифтовых двигателей штифт не двигается

В одном все же двигался (moving sleeve), но это было в начале 70х

[Буцетам]

Вот в чем суть конфликта:
1. Проблема «Подвижной части в аду»
Главная фишка пинтла — он подвижен. Чтобы дросселировать двигатель (менять тягу), центральная игла или внешняя гильза двигаются, меняя сечение щели.

Нейросеть вам выдаёт желаемое)) Ни в одном из реальных штифтовых двигателей штифт не двигается. Это умозрительная возможность, но сложная в реализации

Тогда как происходит устойчивое дросселирование сохраняя перепад давления?

А кто сказал что перепад давления сохраняется? Он и не сохраняется
В любом двигателе с любой форсункой перепад давления на форсунке меняется при дросселировании. Главное чтобы при минимальной тяге он не упал слишком сильно, ниже 3-5атм. Если упадёт, распыл станет неустойчивым

[Буцетам]

Статья про штифтовые. 

Отличная статья! Многое стало яснее

[blik]

Ни в одном из реальных штифтовых двигателей штифт не двигается

В одном все же двигался (moving sleeve), но это было в начале 70х

Штифтовые форсунки с подвижным штифтом (или подвижной втулкой) используются в двигателях, требующих глубокого дросселирования тяги. В таких конструкциях механическое перемещение штифта изменяет площадь проходного сечения, что позволяет поддерживать оптимальное давление впрыска и качество распыления даже при минимальном расходе топлива.
Вот основные примеры работающих двигателей с такой конструкцией:
1. LMDE (Lunar Module Descent Engine) — Аполлон
Самый известный пример двигателя с подвижным штифтом.
Механизм: Штифт был механически связан с регулирующими клапанами (кавитирующими вентюри).
Результат: Это обеспечивало глубокое и плавное дросселирование в диапазоне 10:1 (от 45 кН до 4,5 кН), необходимое для мягкой посадки на Луну.
2. TR-201 (TRW)
Двигатель, созданный на базе технологий LMDE, который использовался на второй ступени ракеты-носителя Delta (в составе блока Delta-P). Он также обладал возможностью изменения геометрии форсунки для управления режимами работы.
3. Двигатель посадочного модуля «Чанъэ-3» (Китай)
Китайский двигатель тягой 7500 Н использует штифтовую форсунку для обеспечения мягкой посадки.
Дросселирование: Обеспечивает диапазон тяги 5:1 за счет изменения геометрии впрыска.
4. Двигатели Masten Space Systems и LandSpace
Masten Space Systems: Компактные двигатели для вертикально взлетающих и садящихся аппаратов (Xoie, Xombie) используют подвижные штифты для мгновенного управления тягой при маневрировании и зависании.
LandSpace (Китай): В 2020-х годах компания успешно испытала штифтовые форсунки для своих метановых двигателей с целью обеспечения многоразовости.
Важное уточнение по SpaceX Merlin:
В отличие от вышеперечисленных примеров, в двигателях Merlin (1C, 1D) штифт неподвижен. Дросселирование в них осуществляется изменением давления подачи топлива насосами, а не механическим изменением сечения форсунки. Это упрощает конструкцию, хотя и несколько ограничивает диапазон стабильного дросселирования по сравнению с LMDE.

[Буцетам]

Важное уточнение по SpaceX Merlin:
В отличие от вышеперечисленных примеров, в двигателях Merlin (1C, 1D) штифт неподвижен. Дросселирование в них осуществляется изменением давления подачи топлива насосами, а не механическим изменением сечения форсунки. Это упрощает конструкцию, хотя и несколько ограничивает диапазон стабильного дросселирования по сравнению с LMDE.

Да действительно важное уточнение. Том Мюллер, который знает о пинтулях всё, почему-то отказался от такого замечательного и простого способа дросселирования. Ммм...и почему же это? Прямо теряюсь в догадках))
Фалкону пришлось садиться без зависания, с большим превышением тяги, а ведь могли просто взять и задросселировать. Какой же Мюллер недогадливый

[blik]

Важное уточнение по SpaceX Merlin:
В отличие от вышеперечисленных примеров, в двигателях Merlin (1C, 1D) штифт неподвижен. Дросселирование в них осуществляется изменением давления подачи топлива насосами, а не механическим изменением сечения форсунки. Это упрощает конструкцию, хотя и несколько ограничивает диапазон стабильного дросселирования по сравнению с LMDE.

Да действительно важное уточнение. Том Мюллер, который знает о пинтулях всё, почему-то отказался от такого замечательного и простого способа дросселирования. Ммм...и почему же это? Прямо теряюсь в догадках))
Фалкону пришлось садиться без зависания, с большим превышением тяги, а ведь могли просто взять и задросселировать. Какой же Мюллер недогадливый

вначале было жесткое ограничение по срокам и финансам, а потом и без зависания справились. бритва оккама тут вполне уместна, не вижу оснований для дополнительных сущностей

[simple]

вначале было жесткое ограничение по срокам и финансам, а потом и без зависания справились.

посадка без зависания это цель

[Буцетам]

не вижу оснований для дополнительных сущностей

Ооо, вот для чего точно нет оснований, так это для излишнего оптимизма.У посадочного двигателя Аполлона полный ход управляющего элемента в форсунке был 3,8мм. Для дросселирования на 10% надо было поддерживать точность хода как минимум 0,38мм (скорее всего ещё меньше). И это в условиях когда двигатель работает и всё вибрирует на всех возможных частотах.
Ага, попробуйте отмасштабировать такой двигатель до 100-200 тонн по тяге, вибрации ещё усилятся, а усилие на подвижный элемент от потоков топлива возрастёт. Такая "простая" конструкция никому в реальности не нужна, потому что она не простая. Не справился даже Том Мюллер.

[Буцетам]

вначале было жесткое ограничение по срокам и финансам, а потом и без зависания справились.

посадка без зависания это цель

Это Маск так объявил, потому что не смогли и он принялся за очередную брехню "ты мы и ни хотели"