ターボポンプ

ターボポンプは、2 つの主要コンポーネント (回転動力ポンプと駆動ガスタービン)を備えた推進剤ポンプです。通常、両方が同じシャフトに取り付けられますが、ギアで連結されることもあります。ターボポンプは、1940 年代初頭にドイツで最初に開発されました。ターボポンプの目的は、燃焼室などに供給するための高圧流体を生成することです。他の用途もありますが、最も一般的に使用されているのは液体ロケットエンジンです。

ターボポンプに使用される一般的なポンプには 2 つのタイプがあります。1 つは流体を高速で外側に放出することでポンピングを行う遠心ポンプ、もう 1 つは回転ブレードと静止ブレードを交互に配置して流体の圧力を徐々に上げる軸流ポンプです。

軸流ポンプは直径が小さいですが、圧力上昇は比較的緩やかです。複数の圧縮段階が必要ですが、軸流ポンプは低密度の流体に適しています。遠心ポンプは高密度の流体に対してはるかに強力ですが、低密度の流体には大きな直径が必要です。

歴史

初期の開発

大型ミサイル用の高圧ポンプについては、ロケットの先駆者であるヘルマン・オーベルトらが議論していた。^[1] 1935年半ば、ヴェルナー・フォン・ブラウンは、大型消火ポンプの製造経験があったドイツ南西部の会社、クライン・シャンツリン・アンド・ベッカー^{で燃料ポンプのプロジェクトを開始した。 [2]}^{: 80} V-2ロケットの設計では、ワルター蒸気発生器で分解した過酸化水素を使用して、イェンバッハのハインケル工場で製造された非制御ターボポンプ^[2]^{: 81 に}電力を供給したため、^[3] V-2ターボポンプと燃焼室はテストされ、ポンプが燃焼室を過剰に加圧するのを防ぐために適合された。^[2]^{: 172}最初のエンジンは9月に正常に点火し、1942年8月16日、試験ロケットがターボポンプの故障のために空中で停止し墜落した。 ^[2]^[4] V-2ロケットの最初の成功した打ち上げは1942年10月3日に行われました。^[5]

1938 年から 1940 年にかけて、ロバート H. ゴダードのチームも独自に小型ターボポンプを開発しました。

1947年から1949年までの発展

エアロジェット社のターボポンプ開発の主任エンジニアはジョージ・ボスコでした。1947年後半、ボスコと彼のグループは他のポンプの研究について学び、予備的な設計研究を行いました。エアロジェットの代表者は、フロラントが水素ポンプを研究していたオハイオ州立大学を訪れ、ライトフィールドのドイツ人ポンプ専門家ディートリッヒ・シンゲルマンに相談しました。その後、ボスコはシンゲルマンのデータを使用してエアロジェットの最初の水素ポンプを設計しました。^[6]

1948年半ばまでに、エアロジェットは液体水素と液体酸素の両方に遠心ポンプを選択しました。彼らは海軍からドイツ製のラジアルベーンポンプを入手し、その年の後半にテストしました。^[6]

1948年末までに、エアロジェットは液体水素ポンプ（直径15cm）を設計、製作、テストした。当初は、低温のため従来の潤滑が不可能だったため、クリーンかつドライなボールベアリングを使用していた。ポンプは最初、部品が動作温度まで冷却されるように低速で動作した。温度計が液体水素がポンプに到達したことを示したため、毎分5000回転から35000回転に加速する試みがなされた。ポンプは故障し、部品の検査により、ベアリングとインペラの故障が判明した。いくつかのテストの後、ガス状窒素の流れによって霧化され方向付けられたオイルで潤滑される超精密ベアリングが使用された。次の実行では、ベアリングは満足に機能したが、ろう付けされたインペラにはストレスが大きすぎたため、インペラが壊れてしまった。アルミニウムの固体ブロックからフライス加工して新しいものが作られた。新しいポンプによる次の2回の実行は大いに期待外れだった。計測機器は顕著な流量や圧力上昇を示さなかった。問題はポンプの出口ディフューザーに起因していた。ディフューザーが小さすぎて冷却サイクル中に冷却が不十分だったため、流量が制限されていた。これはポンプハウジングに通気孔を追加することで修正された。通気孔は冷却中に開き、ポンプが冷えているときに閉じられる。この修正により、1949年3月にさらに2回実行され、両方とも成功した。流量と圧力は理論予測とほぼ一致していることが判明した。最大圧力は26気圧（26 atm（2.6 MPa; 380 psi））で、流量は毎秒0.25キログラムであった。^[6]

1949年以降

スペースシャトルのメインエンジンのターボポンプは毎分30,000回転以上で回転し、1秒あたり150ポンド（68 kg）の液体水素と896ポンド（406 kg）の液体酸素をエンジンに送り込んだ。^[7] エレクトロンロケットのラザフォードは、2018年に飛行中に電動ポンプを使用する最初のエンジンとなった。 ^[8]

遠心ターボポンプ

ほとんどのターボポンプは遠心式です。流体は軸の近くからポンプに入り、ローターが流体を高速に加速します。次に、流体は複数の分岐チャネルを備えたリングである渦巻きまたはディフューザーを通過します。これにより、流体速度が失われ、動圧が増加します。渦巻きまたはディフューザーは、高い運動エネルギーを高圧 (数百バールも珍しくありません) に変換し、出口の背圧がそれほど高くない場合は、高い流量を実現できます。

軸流ターボポンプ

軸流ターボポンプも存在します。この場合、軸には基本的にシャフトに取り付けられたプロペラがあり、流体はこれらによってポンプの主軸と平行に押し出されます。一般に、軸流ポンプは遠心ポンプよりもはるかに低い圧力を与える傾向があり、数バールも珍しくありません。その利点は、はるかに高い体積流量です。このため、軸流ポンプはロケットエンジンの液体水素のポンプによく使用されます。これは、通常遠心ポンプ設計を使用する他の推進剤よりもはるかに低い密度のためです。軸流ポンプは、遠心ポンプの「インデューサー」としても一般的に使用され、遠心ポンプの入口圧力を上げて、過度のキャビテーションの発生を防ぎます。

遠心ターボポンプの複雑さ

ターボポンプは、最適な性能を得るための設計が非常に難しいことで知られています。一方、適切に設計されデバッグされたポンプは 70～90% の効率を達成できますが、その半分以下の数値も珍しくありません。一部の用途では効率が低くても許容できるかもしれませんが、ロケット工学ではこれは深刻な問題です。ロケットのターボポンプは重要かつ問題が多いため、ターボポンプを搭載したロケットは「ロケットが取り付けられたターボポンプ」と辛辣に表現されてきました。総コストの最大 55% がこの分野に起因しています。^[9]

よくある問題は次のとおりです:

ポンプのケーシングとローターの間の隙間に沿って高圧リムから低圧入口に戻る過剰な流れ、
入口での流体の過剰な循環、
ポンプのケーシングから出る流体の過度の渦流、
低圧領域におけるインペラブレード表面に損傷を与えるキャビテーション。

さらに、ローター自体の正確な形状も重要です。

ターボポンプの駆動

蒸気タービン駆動ターボポンプは、蒸気船のボイラーなど、蒸気源がある場合に使用されます。ガスタービンは通常、電気や蒸気が利用できず、場所や重量の制限により、より効率的な機械的エネルギー源を使用できる場合に使用されます。

こうしたケースの 1 つがロケットエンジンで、燃焼室に燃料と酸化剤を送り込む必要があります。大型の液体ロケットでは、タンクを単純に加圧するだけでは流体やガスを強制的に流すことができないため、この処理が必要です。必要な流量に必要な高圧には、頑丈で重いタンクが必要になります。

ラムジェットモーターには通常ターボポンプも装備されており、タービンは外部の自由流ラム空気によって直接駆動されるか、または燃焼器の入口から迂回された空気流によって内部で駆動されます。どちらの場合も、タービンの排気流は船外に排出されます。

参照

参考文献

^ Rakete zu den Planetenräumen; 1923年
^ abcd ニューフェルド、マイケル・J. (1995).ロケットと帝国スミソニアン協会pp. 80–1, 156, 172. ISBN 0-674-77650-X。
^ オードウェイ、フレデリック I III ; シャープ、ミッチェル R (1979) 。ロケットチーム。アポジーブックススペースシリーズ36。ニューヨーク：トーマスY.クロウェル。p.140。ISBN 1-894959-00-02012年3月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。
^ ニューフェルド、マイケル (2017-04-12)。フォン・ブラウン：宇宙の夢想家、戦争のエンジニア。クノップ・ダブルデイ・パブリッシング・グループ。ISBN 978-0-525-43591-4。
^ ウォルター、ドルンベルガー(1954) [1952]. Der Schuss ins Weltall / V-2。ドイツ語から米国への翻訳。エスリンガン。ニューヨーク: Bechtle Verlag (ドイツ語)。バイキングプレス（英語）。 p. 17.
^ abc 「推進燃料としての液体水素、1945-1959年」NASA。2017年12月25日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年7月12日閲覧。
^ ヒル、P & ピーターソン、C.(1992)推進力の力学と熱力学。ニューヨーク：アディソンウェスレーISBN 0-201-14659-2
^ Brügge, Norbert. 「電子推進」. B14643.de. 2018年1月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。2016年9月20日閲覧。
^ Wu, Yulin、et al. 油圧機械の振動。ベルリン：Springer、2013年。

外部リンク

ロケット推進の本
ML "Joe" Stangeland ( 1988 年夏)。「液体ロケットエンジン用ターボポンプ」。Threshold – Engineering Journal of Power Technology。Rocketdyne。2009年9 月 24 日のオリジナルからアーカイブ。

[1] Rakete zu den Planetenräumen; 1923年

[Neufeld-2] ニューフェルド、マイケル・J. (1995).ロケットと帝国スミソニアン協会pp. 80–1, 156, 172. ISBN 0-674-77650-X。

[3] オードウェイ、フレデリック I III ; シャープ、ミッチェル R (1979) 。ロケットチーム。アポジーブックススペースシリーズ36。ニューヨーク：トーマスY.クロウェル。p.140。ISBN 1-894959-00-02012年3月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。

[4] ニューフェルド、マイケル (2017-04-12)。フォン・ブラウン：宇宙の夢想家、戦争のエンジニア。クノップ・ダブルデイ・パブリッシング・グループ。ISBN 978-0-525-43591-4。

[5] ウォルター、ドルンベルガー(1954) [1952]. Der Schuss ins Weltall / V-2。ドイツ語から米国への翻訳。エスリンガン。ニューヨーク: Bechtle Verlag (ドイツ語)。バイキングプレス（英語）。 p. 17.

[nasahistory-6] 「推進燃料としての液体水素、1945-1959年」NASA。2017年12月25日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年7月12日閲覧。

[7] ヒル、P & ピーターソン、C.(1992)推進力の力学と熱力学。ニューヨーク：アディソンウェスレーISBN 0-201-14659-2

[b14643-electronnlvpropulsion-8] Brügge, Norbert. 「電子推進」. B14643.de. 2018年1月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。2016年9月20日閲覧。

[9] Wu, Yulin、et al. 油圧機械の振動。ベルリン：Springer、2013年。