مقدمه: مرز بعدی در مهندسی Turbopump

Turbopumps قلب تپ سیستم های مایع با عملکرد بالا، از موتورهای راکت است که محموله ها را به مدار به توربین های صنعتی که قدرت تولید می کنند، می بایست در ده ها هزار انقلاب در دقیقه چرخش کنند و در عین حال با استفاده از محرک های مس و مقاومت الکتریکی که باعث کاهش شدید و کاهش شدید می شود، تقاضاهای شدید بر کارایی، وزن و قابلیت اطمینان.

مواد فوق العاده یک تغییر پارادایم را ارائه می دهند.با فعال کردن مقاومت الکتریکی صفر و تولید میدان های مغناطیسی شدید بدون گرمای بیش از حد، ابررسانندگان می توانند به طور چشمگیری بهبود بهره وری توربوپump در حالی که وزنه قابل توجهی را برداشته اند، این مقاله علم پشت ابررسانان، مزایای خاص خود را برای سیستم های توربوپump، موانع مهندسی که باقی مانده اند، و تحقیقات پیشگامانه که می تواند این مواد را به استفاده اصلی در دهه آینده.

درک مواد فوق العاده

فیزیک مقاومت صفر

ابررسانی زمانی اتفاق می افتد که برخی مواد زیر دمای بحرانی (Tc) خنک شوند، الکترون ها به جفت های کوپر جفت می شوند و به حالت کوانتومی که بدون پراکنده شدن جریان می یابد، جریان می یابد، مقاومت الکتریکی فعلی مستقیم است که دقیقاً به صفر می رسد. برای برنامه های متناوب فعلی، زیان ها بسیار کم اما نه صفر، اگرچه هنوز سفارشات از اندازه بهتر از هادی های معمولی است.

پایین- ⁇ در مقابل ابررسانه های بالا- ⁇

ابررسانندگان کنوانسیون، مانند بار کم کردن سدیم (NbTi) و niobium-tin (Nb3Sn)، نیاز به خنک سازی در دمای کمتر از 30 K (در حدود -243 ° C) این مواد به خوبی درک شده و برای دهه ها در آهنرباها و شتاب دهنده های ذرات استفاده شده است.

پیشرفت های اخیر در ابررسانان مبتنی بر ابررسانون و ترکیبات غنی از هیدروژن تحت فشار بالا نشان می دهد که ابررسانی دمای اتاق ممکن است در نهایت قابل دستیابی باشد، اگرچه چنین مواد هنوز برای استفاده مهندسی قابل استفاده نیستند.

چگونه ابررسان ها می توانند طراحی Turbopump را تغییر دهند

Supering Electric Motors برای Turbopumps

در یک توربوپپump معمولی، یک موتور الکتریکی پیچ های مس را در استاتور ایجاد گرما به دلیل ضررهای مقاومت، نیاز به ژاکت های خنک کننده بزرگ و محدود کردن چگالی قدرت، قرار دادن این پیچ ها با کویل های سوپرپینگ اجازه می دهد تا موتورهای به حمل بسیاری از پروتزهای فعلی بدون حرارت مقاومتی.

Superingling Magnetic (SMBs)

بلبرینگ های مکانیکی باعث اصطکاک و نیاز به سیستم های روانکاری می شوند که اضافه وزن و پیچیدگی را اضافه می کنند (پردااز مغناطیسی) اثر Meissner - اخراج میدان مغناطیسی از ابررسانه - برای تقویت یک روتور بدون تماس فیزیکی، این یاتاقان ها ثبات منفعل، تقریبا صفر، و می تواند با سرعت بالا با حداقل کاهش انرژی کار کند.

صرفه جویی در وزن از طریق جایگزین مواد

نوارها و سیم ها به طور معمول بسیار سبک تر از مس یا آلومینیوم هستند، زیرا منطقه مقطعی مورد نیاز کوچکتر است - یک سیم ابررسانی می تواند همان جریان را به عنوان یک سیم مس چندین بار قطر آن حمل کند، علاوه بر این، حذف هسته های آهن سنگین در موتورهای و ژنراتورها بیشتر جرم را کاهش می دهد.هنگامی که با وزن ذخیره شده از سیستم های خنک کننده کوچکتر (که توسط مواد HTS ساخته شده است)، به طور کامل می تواند از یک مرکز پردازش اولیه (F) باشد.

زمینه های مغناطیسی پیشرفته برای عملکرد عالی

سوپررسانه ها می توانند پروتزهای مغناطیسی را بالای 10 T تولید کنند – به مراتب فراتر از 1 تا 2 T قابل دستیابی با آهنرباهای دائمی یا الکترومغناطیس مس. میدان های قوی تر به طور مستقیم به چگالی گشتاور بالاتر تبدیل می شوند و اجازه می دهند تا مایعات را سریعتر شتاب دهند و به افزایش فشار بیشتر در یک مرحله برسند.این عملکرد می تواند تعداد مراحل مورد نیاز را کاهش دهد، ساده سازی طراحی کلی و کاهش وزن و کاهش هزینه بیشتر.

چالش های فعلی و راه حل های مهندسی

نیاز به خنک کننده Cryogenic

نیاز به خنک کننده فعال مانع اصلی است. ابررسانه های دمای پایین نیاز به هلیوم مایع (4.2 K)، که نیاز به سیستم های یخچال پیچیده است که برخی از وزن و بهره وری را جبران می کند، با این حال، مواد HTS که در دمای نیتروژن مایع کار می کنند، بسیار سازگار تر با محیط های توربوپپپپپپپپک هستند - به ویژه در موتورهای راکت که قبلاً محرک های التهابی مایع (مدیریت مایع) و اکسیژن را اضافه می کنند، نیازی به سیستم های جداگانه ندارند؛ اما در حال حاضر نیازی به سیستم های تهویه مطبوع ندارند.

۴- Brittleness and Manufacturing

بسیاری از ابررسانه های دمای بالا ترکیبات سرامیکی هستند که شکننده و دشوار هستند تا به سیم ها یا کویل ها شکل دهند.پیشرفت قابل توجهی در تولید نوار های HTS انعطاف پذیر با استفاده از یک لایه فلزی با لایه بافر و یک فیلم فوق العاده نازک مانند شرکت ها مانند سوپرOx [F:1 و AMSC در حال حاضر ارائه می دهد که می تواند به خواص قابل قبول و کامپوزیت در وعده های قابل قبول بیشتر باشد.

ادغام با سیستم های موجود

اجزای ابررسانه های عقب تر به معماری های توربوپ موجود نیاز به مدیریت دقیق گسترش حرارتی، عایق الکتریکی در دمای آبریزش دارد و محافظت در برابر حوادث خاموش (از دست دادن ناگهانی مدارهای حفاظت از ابررسانی) و مسیرهای خنک کننده اضافی و تشخیص های قوی برای اطمینان از عملیات ایمن ضروری است. چندین آژانس هوافضا در حال توسعه "پرنده های توربوپپپپپپپپپپ" برای آزمایش این شرایط واقع گرایانه هستند.

برنامه های کاربردی و تحقیقات واقعی

فضا-هواپیما: دستیابی به موتورهای راکتی کارآمد

ناسا ] پیشرفته Cryogenic Evolved Stage (ACES) Concept و ] مرحله بالا [برنامه volveved] به بررسی فوق العاده سریع توربوپیکس به عنوان یک وسیله برای کاهش توده موتور خشک و افزایش انگیزه خاص.در 2023، یک تیم در دانشگاه کمبریج (F) نمونه اولیه یکپارچه شده است که در نتیجه دستیابی به سوخت موتور مایع است:5.

بخش انرژی: Superdirecting Turbopumps برای تولید برق

توربوپچرهای سوپررسانی همچنین برای نیروگاههای خورشیدی متمرکز (CSP) و راکتورهای هسته ای پیشرفته امیدوار کننده هستند، جایی که مایعات با دمای بالا باید به طور موثر پخش شوند.در یک کارخانه CSP با انتقال حرارت ذوب شده، جایگزینی پمپ های مکانیکی با واحدهای سوپرانس مغناطیسی می تواند ضررهای انگلی را کاهش دهد و بهره وری کلی حرارتی را بهبود بخشد.

پروژه های تحقیقاتی غیر قابل توجه

  • پروژه سوپر تروربو آژانس فضایی اروپا یک کنسرسیوم برای توسعه یک موتور فوق العاده رسانا و مغناطیسی برای یک نمایش ۵۰۰ کیلووات توربوپ، با هدف کاهش وزن ۴۰ درصد است.
  • SpinLab: محققان یک موتور HTS فشرده را آزمایش می کنند که از نوار REBCO (کره زمین سنگ آهن) برای دستیابی به 15 کیلووات / کیلوگرم چگالی قدرت - بیش از سه برابر از موتورهای هوافضا معمولی استفاده می کند.
  • JAXA ژاپن: آژانس فضایی ژاپن یک سیم پیچ فوق العاده را به یک تخت تست توربوپump مایع هیدروگن یکپارچه کرده است، با موفقیت نشان دادن عملیات مقاومت صفر برای بیش از 200 ساعت بدون تخریب.

آینده چشم انداز و تاثیر بالقوه

پیشرفت در Superorsc

کشف ابررسانه های هیدرید که ابررسانی را در دمای نزدیک اتاق تحت فشار بالا نشان می دهد، جامعه تحقیقاتی را تقویت کرده است، اگرچه استقرار عملی دهه ها دور است، در همین حال، مواد HTS همچنان بهبود می یابد: جریان های حیاتی در نوارهای YBCO در ده سال گذشته 10 برابر افزایش یافته اند و هزینه های تولید تا نیمی از این مسیر کاهش یافته است، به طور کامل می تواند با 10 سال آینده به قیمت های معمول تبدیل شود.com

مزایای اقتصادی و زیست محیطی

صرفه جویی در وزن و بهره وری از توربوپرهای ابررسانی به طور مستقیم مصرف سوخت و انتشار کربن در حمل و نقل و انرژی را کاهش می دهد.برای یک وسیله نقلیه پرتاب بزرگ، کاهش 30٪ در توده توربوپپump می تواند ظرفیت بار را با چندین تن متریک افزایش دهد، کاهش هزینه هر کیلوگرم به مدار.در نیروگاه های برق زمینی، بهره وری پمپ بالاتر به معنای انرژی کمتر به عنوان گرما، ترجمه هزینه های پایین تر و کاهش اثرات زیست محیطی است.

نتیجه گیری

مواد ابررسان دیگر یک کنجکاوی آزمایشگاهی نیستند - آنها یک فعال عملی برای نسل بعدی توربوپچرهای با کارایی بالا هستند.با حذف مقاومت الکتریکی، کاهش وزن و فعال کردن میدان های مغناطیسی قوی تر، این مواد وعده می دهند که توربوپپپچرها کوچکتر، سبک تر و کارآمد تر از هر چیز ممکن با هادی های معمولی هستند، در حالی که چالش های مربوط به گریه، تولید و سیستم های یکپارچه سازی انرژی، به سرعت بسته شدن آن را نشان می دهد.