Трёхкамерный РД-107 на пропане

[Prokrust]

Хотите сказать что в парогазе не вода и кислород? А что же ещё там есть, очень интересно услышать вашу версию?

И что по вашему, чем выше молярная масса газа, тем ВЫШЕ удельный импульс? Серьёзно?

1. А из РД-107 только парогаз идёт? Не знал

2. Нет, несерьёзно. Несерьёзно всё сводить только к молекулярной массе

Вообще-то речь о турбине, все сводится к теплоемкости газа, который идет на турбину. Чем больше, тем меньше потери по массе. Кстати, сколько тратится РД-107 перекиси хорошо известно, банальный подсчет показывает что на этом теряется максимум 10 УИ, это меньше чем у Мерлин. Ну конечно у Мерлин больше давление в камере сгорания.
В общем никакой значимой разницы по потери УИ при сбросе отработавшего газа не будет меж Мерлин и РД-107 не будет при одинаковом давлении.

[Буцетам]

А из РД-107 только парогаз идёт? Не знал 

Ну вот теперь знаете, век живи век учись

[Streamflow]

А из РД-107 только парогаз идёт? Не знал

Ну вот теперь знаете, век живи век учись

Но дураком помру точно не я

[Tokarev33]

РД-107 - простой двигун с большим запасом для модернизации. Новейшее время требует многораза, большого ресурса, простоты и перезапуска.
Пора оптимизировать старичка!

1. Многораз, ресурс
Керосин для многораза вреден, выливаем керосин в канаву!
Заливаем переохлаждённый до 90К дешёвый и доступный автомобильный пропан марки ПА! Никакого больше нагара в каналах, многоразовость полнейшая. Температура в камере ниже на 100 градусов. Рост УИ от пропана сразу на 7 сек, и рост УИ ещё на 7 сек. когда поубираем завесное охлаждение.

Интересно... Но 90К "холодновато"  - вязкость и плотность нестабильны, даже от встряски. Предлагаю 103К, (-170 по Цельсию), правда, точно параметр плотности для этой температуры не нашел: должна быть в районе 700кг/м³, а REFPROP/ EOS NIST выдает только  630кг/м³.
Плотность ниже керосиновой , но можно обойтись без завесной подачи горючего в КС. О/Г в КС можно сместить к 2,9-3,0. Поэтому объёмная подача в насос нужна на почти 20% больше. Больший объем в купе с меньшей плотностью  - насос горючего нужен совсем новый. Если не трогать обороты вала, то тогда игра в две ступени насоса - иначе диаметр уйдет к 400мм. Насосный блок ТНА удлиняется... Можно попробовать поставить единый цельный вал, убрав муфту.

Выливаем перекись на мороз! Хватит трястись над каждой пылинкой, смело льем вместо перекиси закись! N₂O по всем параметрам лучше, безопаснее, дешевле. От стружки не разлагается, от жира не взрывается. Перезапуск каталитический, ставим в камере форсунку для горячего закисного газа (продукты разложения) и зажигаемся от газа.

Согласен - новый ГГ. Причем, балластная схема имеет место быть. Крайний раз это обсуждали ТУТ https://forum.novosti-kosmonavtiki.ru/index.php?topic=26183.0 При работе "в долгую" (ок. 140с) дельта потребительства ГГ по массе  600+кг в пользу балластной схемы относительно классического ГГ на основных компонентах. Можно температуру до 900К поднять. Касательно давления в ГГ - скорее всего, придётся оставить "родное" - двухступенчатая турбина и так работает на ратио в 38,4. Хотя давление поднять - звучит заманчиво. Байпас ГГ-газа мимо турбины на 15-20% очень надо, а на 100% байпаса - сложнее, более рисково, но очень полезно.
Сам ГГ переводим полностью на внешнее питание. Три раздельных электронасоса , на каждый компонент, с питанием ДО основных клапанов. Сложно - но можно - "Резерфорды" подтверждают.  Электропитание надобное около 85кВт. Около 75кВт может дать генератор посаженный на освободившийся высооборотный отвод под перекисный насос. Это без доп.нагрузки на основной вал (сколько сняли - на столько и нагрузили). Электропакет выйдет тяжеловатеньким : совокупно генератор + три электронасоса + блок инверторов + АКБ на 2-2,5кВт*ч + блок суперконденсаторов = примерно центнер. Но это даёт много интересных плюсов, как то : старт и выход на режим ГГ без турбины (есть время прогреть и перестать ГГ "плеваться" балластом), плавная раскрутка турбины и насосов компонентов, переходные режимы "на холостом ходу", глубокое дросселирование... много чего еще. Главное - можем регулировать работу турбины и основного ТНА , меняя как температуру в ГГ, так и массовый расход через ГГ. Электро-ТНА и основной-ТНА механически не связаны, поэтому связь "master-slave" тут односторонняя.

3. Убираем одну камеру, оставляем три (в ряд). Давление подкручиваем вверх в пределах рабочего диапазона насоса (больше напор, но меньше подача).
Двигатель теперь работает при 70атм и на трёх камерах, земной УИ подрос ещё на 5 секунд, получаем 275 сек у земли и 330 в вакууме. Тяга у земли 70т, в вакууме 85т.

Возможности заниженного массового расхода горючего (относительно керосина)  в качестве охладителя в рубашке охлаждения - надо прикинуть. По идее, должно хватать теплоемкости пропана "за глаза", но что из себя представляет рубашка РД-107 (кроме "гофры")  - не представляю - надежда на вТемных форумчан. Расчетная температура выхода пропана из рубашки в четырехкамерной схеме - около 340К. Смесительная головка - новая, так как у нас уже "газ-жидкость".
На счет ТРЕХ камер - не сильно вижу "плюсы", а на одну - в самый раз. Но это уже будет новый двигатель, довольно интересный , но даже внешне на РД-107 не похожий. А так - новый, сильно не оптимальный, но похожий.

Как то так.

[Буцетам]

Но 90К "холодновато"  - вязкость и плотность нестабильны, даже от встряски. Предлагаю 103К, (-170 по Цельсию), правда, точно параметр плотности для этой температуры не нашел: должна быть в районе 700кг/м³, а REFPROP/ EOS NIST выдает только  630кг/м³.

Да, плотность будет около 700кг, всё верно. А откуда данные про вязкость? Он при 90К или замерзает или нет. Если замерзает, это будет видно ещё в заправочном танке. А если не замерзает, значит жидкий и вязкость низкая. Пропан это не битум который постепенно разжижается, пропан это индивидуальное вещество с чёткой точкой плавления

О/Г в КС можно сместить к 2,9-3,0. Поэтому объёмная подача в насос нужна на почти 20% больше. Больший объем в купе с меньшей плотностью  - насос горючего нужен совсем новый

Не, не нужен. Смысл в том чтобы ничего не переделывать, иначе это не находчивая модернизация а полноценная разработка. Объёмный расход выше? Во-первых не сильно, не на 20%. Во-вторых О/Г будет такой какой сам по себе получится, мы не насос будем подгонять под О/Г, а О/Г под насос. Например:
- был керосин, О/Г 1/2,5, объёмный расход керосина (1140/820)*(1/2,5)=0,56 от расхода кислорода
- стал пропан, расход (1140/700)*(1/2,8)=0,56 - то же самое
Как видите, новый О/Г 1/2,8 получается вполне себе оптимальный для пропана при том же объёмном расходе насоса

Касательно давления в ГГ - скорее всего, придётся оставить "родное" - двухступенчатая турбина и так работает на ратио в 38,4

Не возражаю!

Сам ГГ переводим полностью на внешнее питание. Три раздельных электронасоса , на каждый компонент, с питанием ДО основных клапанов. Сложно - но можно - "Резерфорды" подтверждают.  Электропитание надобное около 85кВт. Около 75кВт может дать генератор посаженный на освободившийся высооборотный отвод под перекисный насос. Это без доп.нагрузки на основной вал (сколько сняли - на столько и нагрузили). Электропакет выйдет тяжеловатеньким : совокупно генератор + три электронасоса + блок инверторов + АКБ на 2-2,5кВт + блок суперконденсаторов = примерно центнер. Но это даёт много интересных плюсов, как то : старт и выход на режим ГГ без турбины (есть время прогреть и перестать ГГ "плеваться" балластом), плавная раскрутка турбины и насосов компонентов, переходные режимы "на холостом ходу", глубокое дросселирование... много чего еще. Главное - можем регулировать работу турбины и основного ТНА , меняя как температуру в ГГ, так и массовый расход через ГГ. Электро-ТНА и основной-ТНА механически не связаны, поэтому связь "master-slave" тут односторонняя.

Очень хорошая перспективная идея, плюсов много!

что из себя представляет рубашка РД-107 (кроме "гофры")  - не представляю - надежда на вТемных форумчан.

У РД-107А там сейчас винтовое располжение каналов охлаждения, раньше каналы были прямые, сверху вниз. пишут что винтовые охлаждают чуть лучше

На счет ТРЕХ камер - не сильно вижу "плюсы", а на одну - в самый раз. Но это уже будет новый двигатель

Такую одну большую камеру придётся сделать. А штатные маленькие уже есть. Не, лучше 3 возьму

[Tokarev33]

Не, не нужен. Смысл в том чтобы ничего не переделывать, иначе это не находчивая модернизация а полноценная разработка.

Насос горючего станет выдавать 7.9МПа. Маловато в КС получится. "Лечится" подъемом оборотов вала, но
- не знаем возможности и пределы
- растет давление и расход ЖК (уже с этим бороться! - дросселировать подачу ЖК ). 
Без "залезть' в насосы - не получится.

[Буцетам]

Насос горючего станет выдавать 7.9МПа

Это почему?

[Tokarev33]

Это почему?

Разница в плотности на той же центробежной машине.

[Буцетам]

Это почему?

Разница в плотности на той же центробежной машине.

Напор у насоса скоростной, от плотности не зависит, зависит от скорости

[Tokarev33]

Напор у насоса скоростной, от плотности не зависит, зависит от скорости

Про напор верно. Но дальше нам бары/атмосферы/МПаскали нужны на форсунках

[Буцетам]

Напор у насоса скоростной, от плотности не зависит, зависит от скорости

Про напор верно. Но дальше нам бары/атмосферы/МПаскали нужны на форсунках

Ну значит надо как-то уменьшать потери давления в рубашке охлаждения. Проблема. Уменьшить потери можно если снизить объёмный расход через рубашку. То есть надо влезать в двигатель и варить новые трубки для перепуска части горючего в обход камер (сразу на форсуночную головку). Сейчас охлаждение камер полным расходом горючего.
Новые клапаны не потребуются, на каждую камеру достаточно тройника, трубки и дроссельной шайбы. Но всё равно доработка...скверно
И завесу теперь не уберешь. Если мы уменьшаем расход горючего в рубашке, например, в 1,6 раза, то без завес точно будет перегрев, даже несмотря на криогенное горючее

[Буцетам]

При плотности 730кг/м³ насос выдаст 8,3 МПа что всего на 1МПа  ниже "керосинового" давления. Видимо придется с пропана переходить на пропан-бутан, раствор бутана в охлаждённом до точки замерзания бутане. Берём пропан, определяем сколько бутана в нем может раствориться при 90К и столько же и подмешиваем. Может дойдём до плотности 750кг/м³, не исключаю. Это хорошая новость.
Плохая новость в том, что по мере прохождения через рубашку охлаждения пропан/бутан будет нагреваться и терять плотность сильнее чем это делает керосин. Придётся ещё сильнее занижать расход через рубашку, иначе не продавим, потери давления будут слишком велики. Это плохая новость. 
И вторая плохая новость. Давление кислорода на выходе из насоса 7,8 МПа, а керосина - 9,3 МПа. Кислород идёт на форсунки напрямую, а значит потери давления керосина в рубашке не так уж и велики, около 1,3МПа. Но велики потери на клапанах и на форсунках, около 1,8МПа. Если даже мы начнём перепускать пропан-бутан в обход камеры, и рубашечные потери снизим вдвое, вот эти 1,8МПа не уменьшатся, а наоборот увеличатся, потому что вырастет местная скорость движения горючего через клапаны и форсунки. 
Похоже давление в камерах придется снижать. Кому это нужно? Никому.

[Tokarev33]

Ну значит надо как-то уменьшать потери давления в рубашке охлаждения. Проблема. Уменьшить потери можно если снизить объёмный расход через рубашку

В рубашке с пропаном есть интересная тема... Он терморасширится в 1.5 раза. Если строго "однонаправить"  это расширение, то мощностей на проходку каналов потребуется примерно на эти 10 бар  меньше. Возможно, потребуется местами делать каналы с расширением - будем менять рост давления на скорость потока.
Можно по другому, но не знаем есть ли безопасная возможность. Поднимает работу ГГ, добавляем 7% оборотов вала. Насос горючего выходит на номинал по создаваемому давлению как для керосина, но расход ЖК надо ограничивать:  байпасить или дроссель-шайбу ставить.

[Буцетам]

В рубашке с пропаном есть интересная тема... Он терморасширится в 1.5 раза. Если строго "однонаправить"  это расширение, то мощностей на проходку каналов потребуется примерно на эти 10 бар  меньше

Да всё наоборот, чем меньше плотность тем выше скорость потока в каналах. Выше скорость - выше потери давления. Никакого способа "однонаправить расширение" не существует, это галлюцинация

[AlexNB]

У пропана при 1атм и 103К, плотность ~ 715.12, а динамическая вязкость ~ 3240 мкПА*с, т.е примерно 110 раз выше керосина.
Судя по госту у него вязкость в жидком состоянии при любой температуре в 2...100 раз выше керосина.

[Serge V Iz]

У пропана при 1атм и 103К, плотность ~ 715.12, а динамическая вязкость ~ 3240 мкПА*с, т.е примерно 110 раз выше керосина.
Судя по госту у него вязкость в жидком состоянии при любой температуре в 2...100 раз выше керосина.

Что-то там не то. Керосин (особенно, охлаждённый до типичных примерно минус 20С), наоборот, должен быть более вязким. М.б., в разных справочниках разные сантипуазы с миллипаскальсекундами?

[AlexNB]

Здесь же предлагается заменить керосин пропаном, охлажденным до -170С. Поэтому и сравниваются характеристики при температурах заправки. Керосин при 298К, пропан при 103К. Конечно если взять температуру кристаллизации керосина, то, априори, он там будет более вязкий.
Но вообще то есть ГОСТ Р 8.938-2017, все вопросы к нему....
Когда писал, я имел в виду, что при замене керосина на переохлажденный пропан, вязкость такого пропана будет всегда выше вязкости теплого керосина, при атмосферном давлении - конечно (пропан в однофазной области).
Но, пардон, был не совсем прав. Действительно, это справедливо до 125К, далее вязкость снижается по сравнению с керосином примерно в 3.7 раза в районе 210К.
(случайно соскочил на соседнюю колонку в таблице теплофизических характеристик).

[Bell]

Керосин при 298К

Не, там выше привильно пишут минус 20 градусов. Или даже ниже.  Больше влазит в бак.

Вообще сейчас прям очень активно работают с переохлажденными компонентами, с кислородом тоже. В смысле - и у нас тоже. До смешного доходит... типа потеряна школа проектантов, умевших работать с кипящим кислородом...

[Буцетам]

У пропана при 1атм и 103К, плотность ~ 715.12, а динамическая вязкость ~ 3240 мкПА*с, т.е примерно 110 раз выше керосина.

Что вы такое пишете? Ясно же что у вас ошибка на порядки

[Буцетам]

Когда писал, я имел в виду, что при замене керосина на переохлажденный пропан, вязкость такого пропана будет всегда выше вязкости теплого керосина, при атмосферном давлении - конечно (пропан в однофазной области).

Нет, не будет. Все алканы похожи друг на друга. Свечной парафин вполне может быть симулятором пропана вблизи точки замерзания. Любой человек знает что парафин начинает течь сразу как расплавится, нет у него никакой постепенно нарастающей вязкости как у мёда, сыра или битума.
Жидкий парафин легкотекуч во всём диапазоне температур, а жидкий пропан более текуч чем парафин