הפוטנציאל של חומרים על-מוליכים לשיפור יעילות טורבומפ ולהפחית את משקל

הבא Frontier in Turbopump Engineering

טורבומפס הם הלב הפועם של מערכות נוזליות בעלות ביצועים גבוהים, ממנועי טילים שדוחפים מטען למסלול טורבינות תעשייתיות המייצרות כוח.מכשירים אלה חייבים להסתובב בעשרות אלפי מהפכות לדקה תוך טיפול בדחפורים מבוכים או גזים ממוזגים, הצבת דרישות קיצוניות על יעילות, משקל, ואמינות.עיצובים מסורתיים להסתמך על רוחות נחושת, פלדה, וטרים כבדים, אשר מציגים כל החיכוך של תפקוד חשמלי מגביל.

חומרים מוליכים סופר מציעים שינוי פרדיגמטי.על ידי מתן אפס התנגדות חשמלית ויצירת שדות מגנטיים אינטנסיביים ללא חום מופרז, מוליכי העל יכולים לשפר באופן דרמטי את יעילות ה- turbopump תוך גילוח משקל משמעותי. מאמר זה חוקר את המדע מאחורי מוליכים על-על, היתרונות הספציפיים שלהם עבור מערכות turbopump, את ההנדסיים ההנדסיים שנותרו, ואת המחקר פורץ הדרך שיכול להביא חומרים אלה לשימוש בתוך העשור הבא.

הבנת חומרים

הפיזיקה של Zero Resistance

מוליכות מתרחשת כאשר חומרים מסוימים מגניבים מתחת לטמפרטורה קריטית (Tc) בשלב זה, אלקטרונים להתחבר זוגות קופר ו condense לתוך מצב קוונטי שזז ללא פיזור.התוצאה היא התנגדות חשמלית נוכחית ישירה טיפות עד אפס בדיוק.עבור שינוי יישומים נוכחיים, הפסדים הם נמוכים מאוד אבל לא אפס, למרות עדיין הזמנות של גודל טוב יותר מאשר מוליכים קונבנציונליים.

תיאטרון נמוך לעומת High-Temperature Superconductors

מוליכים על קונבנציונאלי, כגון niobium-titanium (NbTi) ו niobium-tin (Nb3Sn), דורשים קירור לטמפרטורות מתחת ל -30 K (כ- 243 ° C) חומרים אלה הם מונים היטב ומשמשים במשך עשרות שנים ב מגנטים MRI ומדכאי חלקיקים.

ההתקדמות האחרונה ב-FLT:0iron מבוסס על מוליטורמבייט 1 (FLT:0) ותרכובות עשירות מימן תחת לחץ גבוה מראות כי מוליכות על-טבעית של חדר עשויה בסופו של דבר להיות אפשרית, אם כי חומרים כאלה עדיין אינם מסוגלים לשימוש הנדסי.

כיצד יוצרים סופר-מוליכים יכולים להפוך את Turbopump Design

מנועים חשמליים עבור Turbopumps

בטור קונבנציונלי, מנוע חשמלי מניע את המכשול. Copper רוחings ב הממריץ לייצר חום בשל הפסדים מנוגדים, הדורש מעילי קירור מסיביים והגבלת צפיפות כוח. Reמקם את הרוחות האלה עם סלילים על-מוליכים על-ידי המוליכים מאפשר מנועים לשאת הרבה יותר גבוה של דלק הנוכחי ללא חימום.

תגיות Superconducting Magnetic Bearings (SMB)

נושאים מכניים גורמים חיכוך ודורשים מערכות סיכה אשר מוסיפים משקל ומורכבות.על מוליכים מגנטיים ניצול אפקט Meissner - גירוש שדות מגנטיים ממוליכים על-על - כדי להטיס רוטר ללא מגע פיזי. אלה נושאים לספק יציבות פסיבית, כמעט אפס ללבוש, ויכול לפעול במהירויות גבוהות עם אובדן אנרגיה מינימלי.

חיסכון במשקל באמצעות החלפת חומרים

(החומרים והחוטים של ה- Superconducting) הם בדרך כלל הרבה יותר קלים מאשר נחושת או אלומיניום, משום שהשטח החצוצרה הנדרש הוא קטן יותר – חוט סופר-מוליכים יכול לשאת את אותו זרם כמו חוט נחושת כמה פעמים קוטרו.יתר על כן, חיסול ליבות ברזל כבדות במנועים וגנרטורים עוד יותר מקטין את המסה.

שדות מגנטיים משופרים להופעות גבוהות יותר

מוליכים סופר יכולים לייצר צניחות אלקטרומגנטיות מעל 10 T - הרבה מעבר 1-2 T ניתן להשיג עם מגנטים קבועים או שדות נחושת אלקטרומגנטים. שדות חזקים יותר לתרגם ישירות לתוך צפיפות גבוהה יותר מומנט, המאפשר turbopumps להאיץ נוזלים במהירות רבה יותר להשיג לחץ גדול יותר עולה בשלב אחד.זה ביצועים יכול להפחית את מספר השלבים הדרושים, לפשט את העיצוב הכולל ואת העלות נוספת חיתוך משקל.

אתגרים ופתרונות הנדסה

דרישות מגניבות Cryogenic

הצורך בקירור פעיל נשאר המכשול העיקרי.מוליכים על-טבעיים נמוכים דורשים helium נוזלי (4.2K), הדורש מערכות קירור מורכבות כי מנפחות משקל ויעילות.עם זאת, חומרים HTS הפועלים בטמפרטורות חנקן נוזלי הם הרבה יותר תואמים סביבות חנקן נוזלי - במיוחד במנועי ניהול טילים שכבר מטפלים בדחפורים מבוכיים כמו מימן (20K) וחמצן נוזלי (90, אך אינו דורש קירור) אך אינו דורש למערכות הפעלה נוקשות או מכובשישהוכותלכותלכותלציה (K).

חומר בריפל וייצור

רבים בעלי העל-טבעיים הם תרכובות קרמיקה כי הם שופע וקשה ליצור חוטים או סלילים.התקדמות משמעותית נעשתה בייצור קלטת HTS גמישה באמצעות תת-קרקעית מתכת עם שכבת buffer וסרט סופר-מוליכים דק.חברות כמו FLT:0 SuperFLT:1 ו AMSC עכשיו אספקת קלטות באורך של ק"מ שיכול להיות פצע לתוך תכונות מתקדמות יותר כדי לשפר את הטכניקות מורכבות יותר.

שילוב עם מערכות קיימות

החלת מרכיבים על-מוליכים לאדריכלות של זעזועים קיימים דורש ניהול זהיר של התרחבות תרמית, בידוד חשמלי בטמפרטורות Cryogenic, והגנה מפני אירועים קונצ'ים (אובדן פתאומי של superconductivity) מעגלים הגנה קווינצ'ים, מסלולים קירור מכוסים, ואבחון חזק הם חיוניים כדי להבטיח ניתוח בטוח.

יישומים אמיתיים ומחקר

מנוע אווירי: להגיע ל-Ter Efficient Rocket Engines

(ה) ,0) , מתקדם שלב Cryogenic Evolved (ACES) LT:1 , הרעיון של FPLT:2 Exploration Upper StageFLT 3 (ACE) חקרו זעזועים על-מוליכים-על כדרך להפחית את המסה יבשה המנוע ולהגדיל את הדחף הספציפי.

חברת האנרגיה: Superconducting Turbopumps for Power Generation

turbopumps מוליכים הם גם מבטיחים כוח סולארי מרוכז (CSP) צמחים וכורים גרעיניים מתקדמים, שבו נוזלי עתירי זמן גבוהה חייב להיות מופצים ביעילות.בצמח CSP עם העברת חום מלוטש, החלפת משאבות מכניות עם משאבה מגנטית-על מוליכים על ידי מגנטית יכול להפחית הפסדים קצביים ולשפר את היעילות התרמית הכוללת.

פרויקטים למחקר

• פרויקט "סופרטורבו" של ESA: אנדלוסיה 1:1 סוכנות החלל האירופית מממנת קונסורציום לפתח מנוע סופר-מוליכים ומגנטי הנושא עבור מפגין טורב 500 קילו-וואט, שמטרתו ירידה במשקל 40 אחוזים.
• החוקרים בודקים מנוע HTS קומפקטי המשתמש ב- REBCO (ר'אר-ת' בריום נחושת) כדי להשיג 15 קילו-וואט / ק"ג צפיפות כוח - יותר מ-3 מנועים אוויר קונבנציונליים.
• (FLT:0 Japan's JAXA:FLT: 1) הסוכנות היפנית לחלל שילבה סליל על-מוליכים למחצה לתוך מיטת מבחן נוזלי-hydrogen, המדגימה בהצלחה את פעולת האפס-התנגדות במשך יותר מ-200 שעות ללא השפלה.

תוצאות עתידיות של Outlook ואפקטים פוטנציאליים

« התקדמות ב-High-Temperature Superconductors

התגלית של hydride superconductors המציגה מוליכות בטמפרטורת החדר ליד לחץ גבוה energ את קהילת המחקר, אם כי פריסה מעשית נותרה במרחק עשרות שנים משם, חומרים HTS ממשיכים לשפר: זרמים קריטיים בטייפ YBCO הגבירו את עשר פעמים במהלך עשר השנים האחרונות, ועלויות הייצור ירדו בחצי.

יתרונות כלכליים וסביבתיים

החיסכון במשקל ויעילות מרוויחות מתופעות לוואי של מוליכים ישירות להפחית צריכת דלק פליטות פחמן בתחבורה ואנרגיה.עבור רכב שיגור גדול, ירידה של 30% במסה טורמפופ עלולה להגדיל את יכולת העומס על ידי כמה טון מטרי, הורדת העלות לקילוגרם למסלול. בתחנות כוח ארצי, יעילות משאבה גבוהה יותר פירושה פחות אנרגיה מבוזבזת כמו חום, לתרגם עלויות התפעול נמוכות יותר ולהפחית את ההשפעה הסביבתית מופחתת.

מסקנה

חומרים מוליכים הם כבר לא סקרנות מעבדה - הם מאפשרים מעשי לדור הבא של טורפים ביצועים גבוהים. על ידי חיסול התנגדות חשמלית, צמצום משקל, ומאפשר שדות מגנטיים חזקים יותר, חומרים אלה מבטיחים זעזועים כי הם קטנים, בהיר יותר ויעיל יותר מכל דבר אפשרי עם מנצחים קונבנציונליים. בעוד אתגרים הקשורים קריאות, ייצור, מערכת שילוב, להמשיך מחקר מתמשך וטרטור הם במהירות מכשולים של מערכות מורכבות של אנרגיה מתקדמת, כמו גם כן, כמו גם מוליכים במהירות.