¿Por qué no todas las turbobombas SSME se balancean con el motor?

Las bombas de baja presión SSME (tanto de combustible como de oxidante) están montadas en la estructura del vehículo y no giran. Las bombas de alta presión se balancean con el motor, por lo que las líneas de propulsor entre las bombas de baja y alta presión deben ser flexibles . Eso incluye no solo los conductos de descarga de la bomba (2-3 MPa), sino también la entrada de la turbina (29 MPa) en ambas bombas de baja presión y la descarga de la turbina (21 MPa) en el LPFTP . Esto parece una gran cantidad de juntas articuladas (3 por línea flexible, según la ilustración a continuación) en líneas presurizadas, lo que significa muchos puntos potenciales de falla.

Algunas de las juntas son visibles en la siguiente imagen:ingrese la descripción de la imagen aquí

¿Cuál es la razón detrás de tal decisión de ingeniería? ¿Por qué las bombas de baja presión no se balancean con el motor? Si estuvieran montados en el motor, todas las líneas aguas abajo serían rígidas. La flexibilidad de las líneas de propulsor la proporcionaría el colector de suministro aguas arriba de las turbobombas de baja presión. Esto parece una solución más simple, debido a:

  • Menor presión en estos conductos (0,2 - 0,7 MPa)

  • Menor número de líneas flexibles requeridas. No estoy 100% seguro de esto, pero parece muy probable, porque solo habría 1 línea flexible aguas arriba de cada bomba de baja presión (2 para un solo motor), en lugar de 3 aguas abajo de la LPFTP + 2 después de la LPOTP (eso es 5 para un solo motor). Multiplique estas 3 líneas adicionales por la cantidad de juntas articuladas necesarias en cada línea flexible y parece una reducción significativa de componentes móviles críticos. Por supuesto, hay otras líneas flexibles que conectan el motor con el orbitador (presurización del tanque de combustible, entrada de helio, purga de combustible, etc.), pero creo que su número no se vería afectado por el cambio propuesto, por lo que no los cuento.

Debe haber alguna razón oculta por la cual los diseñadores de SSME eligieron fijar las turbobombas de baja presión al orbitador y se obligaron a usar múltiples juntas articuladas en líneas de alta presión. Me gustaría entender esa razón.

Referencia útil.

Yo siempre me he preguntado esto.
Me pregunto si las líneas flexibles serían propensas a la cavitación a las presiones de entrada de la turbobomba de baja presión.
Especulación: tal vez tenga algo que ver con mantener la masa de lo que se gimbaliza al mínimo, lo que reduce la cantidad de energía hidráulica requerida para un gimbaling rápido (lo que sería una preocupación durante situaciones que involucran hidráulica degradada tratando de hacer frente a una secuencia de aborto exigente , Por ejemplo).
@Digger Esto suena interesante. Las bombas de baja presión están muy cerca del cojinete del cardán y son solo una pequeña fracción de la masa del motor, por lo que parece tener un efecto insignificante (comparado con el extremo de la boquilla, que está a más de 4 metros del cojinete). Pero las turbinas giran hasta 15.000 rpm, por lo que debe haber fuerzas giroscópicas decentes. Sin embargo, las bombas de alta presión están más alejadas del cojinete del cardán (palanca más larga) y giran hasta 34 000 rpm, por lo que las fuerzas son mucho más fuertes. El cardán también debe superar el flujo de escape de la boquilla. El análisis dinámico debe ser increíblemente complejo.
Tiene que tener un camino articulado largo ya sea en la entrada o en la salida de las bombas LP; necesitas uno en alguna parte. Dado que la cavitación a pleno flujo era una preocupación (de ahí las bombas en serie), tener el recorrido largo a la presión de succión no es tan bueno como tenerlo a la presión de salida de la bomba LP.

Respuestas (1)

Comience por pensar en por qué existen las bombas de baja presión como todas. ¿Por qué no se puede realizar toda la tarea de bombeo con bombas simples (multietapas) en el motor? ¿Por qué los ingenieros sintieron la necesidad de tener bombas separadas de baja presión (LP) y alta presión (HP)?

Debido a que el motor gira, es necesario que haya líneas flexibles para alimentar el combustible y el propulsor al motor y aún así permitir el movimiento. Esa línea también tiene que manejar cambios de temperatura (longitud), trabajar cuando está congelada, tener poca masa, etc.

Esa línea alimenta grandes cantidades de líquidos cerca de su punto de ebullición a una bomba HP. La bomba está succionando muy fuerte para mover esa masa. Debido a la caída de presión al moverse a través de esa línea, el extremo cerca de la bomba HP está por debajo de la presión al comienzo de la línea. Si esa línea comienza solo con la presión del tanque, esto es más o menos una receta para la cavitación (es decir, ebullición espontánea), que causa todo tipo de problemas hasta la destrucción.

Para evitar la cavitación , se incluyeron las bombas LP . Básicamente, por definición, tenían que estar antes de la línea larga y flexible para que su salida presurizara esa línea; la presión adicional de la bomba LP significaba que la presión de succión de entrada de las bombas HP nunca estaría por debajo de la presión de vapor de los fluidos, por lo que no cavitarían (es decir, hervirían espontáneamente). Por lo tanto, las bombas de gas LP se montaron en la tubería grande del tanque fijo, por lo tanto, directamente en la estructura del transbordador.

TLDR: El trabajo completo de las bombas LP fue presurizar la alimentación a las bombas HP. Esa alimentación comienza en la parte inferior de la tubería del tanque, así que ahí es donde se colocaron.

(Otro enfoque para la reducción de la cavitación es subenfriar los fluidos , lo cual es interesante por sí solo)

Gracias. ¿Sería posible compartir más detalles técnicos? Por ejemplo: ¿significa que tener el camino articulado aguas arriba de la bomba LP aumentaría el riesgo de cavitación? ¿Cómo exactamente? La presión y el caudal no se verían afectados. Además, ¿por qué el largo camino articulado es la única opción aquí? Existen otras alternativas de líneas flexibles, como se ve por ejemplo aquí: ui.adsabs.harvard.edu/abs/1977NASSP8123....../abstract
Tenga en cuenta que el diseño de SSME requería al menos dos líneas flexibles adicionales, para los fluidos de accionamiento de la turbina de baja presión, que no se habrían requerido si las bombas de baja presión se acoplaran con el motor.
He reescrito la respuesta para tratar de aclararla un poco. La presión no se vería afectada: las bombas existen para hacer que la presión después de ellas sea mayor que la presión antes de ellas.
@OrganicMarble De acuerdo en que tener bombas LP separadas es complejo. Realmente deben haber necesitado una razón para todo eso, porque esos ingenieros estaban bastante motivados para reducir la masa y la complejidad. El kit de prensa de la NASA (apenas documentación de ingeniería) dice que fue para prevenir la cavitación. Tal vez descubrieron que una línea sin cavitación tenía que ser más grande, más pesada y más riesgosa. LH2 y LOX están realmente motivados para hervir...
Hmm, había un montón de tuberías antes de la entrada de la bomba de baja presión. No estoy seguro de que estés haciendo el caso aquí.
IIRC, los tanques de alimentación tenían 17" de diámetro con curvas bastante separadas.
Sí, y se dividían en tres líneas mucho más pequeñas que se bifurcaban hacia cada motor, después de pasar por las válvulas de desconexión del tanque, los revestimientos de flujo, las preválvulas del motor, los filtros y muchas curvas. i.stack.imgur.com/ku2TR.jpg
Parece que la brida de entrada LP tiene un diámetro de 12 "y la brida de salida es de 4". Los revestimientos de flujo y las válvulas (cuando dejan limpia la pared interna) no son un problema, pero las esquinas sí lo son.
Esta respuesta presenta algunos puntos interesantes, por lo que otorgué la recompensa. ¿Hay alguna referencia que hable específicamente sobre esto (caída de presión inaceptable en líneas flexibles aguas arriba de las bombas LP) como la razón principal del diseño? Todas las referencias que encuentro hablan de bombas LP como potenciadores de presión para bombas HP para evitar la cavitación, pero nunca se menciona su relación con las líneas flexibles. Suena plausible, pero me sorprende que ningún documento que haya visto discuta eso. Me gustaría ver algunos números: qué caída de presión se esperaría en las líneas flexibles aguas arriba de las bombas LP, etc.
¿Por qué no todas las turbobombas SSME se balancean con el motor?
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