B. Wagner, A. Stampfl, P. Beck, L. Veggi, J.D. Pauw, W. Kitsche

Untersuchungen zu Turbopumpen in Flüssigraketenantrieben ist ein Teilaspekt des Projekts KonRAT: Komponenten von Raketenantrieben für Anwendungen in Transportsystemen der Luft- und Raumfahrt. Dieses Projekt ist dem Ludwig Bölkow Campus zugeordnet, einem Zusammenschluss von Forschung und Industrie in Bayern. Im Bereich der Turbopumpen liegt der Fokus auf dem allgemeinen Kompetenzaufbau im Bereich der Auslegung der Hauptkomponenten und Grundlagenuntersuchungen im Bereich operationellen Lasten, dynamisches Verhalten und Verständnis für Dichtungen und die Lagerung. Die hier vorgestellten Arbeiten zu Sekundärsystemen sind in diesen Kontext eingebettet. Dabei werden Lagerkühlung und Schmierung, Sperrgassysteme und Spaltströmungen unter dem Begriff Sekundärsysteme zusammengefasst. Die Spaltströmungen zwischen rotierenden Bauteilen lassen sich nicht vermeiden und begrenzen den Wirkungsgrad, gleichzeitig werden durch die Druckkräfte in den Spalten Lasten auf den drehenden Teilen generiert. Diese müssen durch die Lager aufgenommen werden, falls sie nicht über das gesamte System ausgeglichen werden. Ein üblicher Zustand in Turbopumpen, doch gerade beim Einsatz in Flüssigkeitsraketenantrieben sind die Lager durch die hohe Drehzahl, axiale und radiale Kräfte und die schlechte Schmierung, bei der der kryogene Raketentreibstoff eingesetzt wird, sehr hohen Belastungen ausgesetzt. Somit sind genaue Kenntnisse über die wirkenden Radial- und Axialkräfte im Nominalbetrieb für die Auslegung der Lagereinheit notwendig und später für einen sicheren Betrieb der Turbomaschine wichtig. Dazu ist wiederum ein Verständnis über die Strömung in den Radseitenräumen erforderlich, da sich daraus eine Druckverteilung und damit Kräfte ableiten lassen. Es wurde ein Programm zur Berechnung der Lagerkräfte erstellt. Dieses ist allgemein für unterschiedliche Turbopumpenkonfigurationen anwendbar. Eine Schnittstelle mit Auslegungsdaten ist vorhanden. Durch die Variation von Eingabedaten mit Hilfe von Zufallszahlen können Unsicherheiten in der Vorauslegung berücksichtigt werden. Ergebnisse werden vorgestellt und diskutiert.

"Investigations into turbopumps in liquid-fueled rocket propulsion systems are a sub-aspect of the KonRAT project: Components of Rocket Propulsion Systems for Applications in Aerospace Transportation Systems. This project is affiliated with the Ludwig Bölkow Campus, a collaboration between research institutions and industry in Bavaria. In the area of turbopumps, the focus is on building general expertise in the design of main components and conducting fundamental research in the areas of operational loads, dynamic behavior, and understanding seals and bearings. The work on secondary systems presented here is embedded within this context. Bearing cooling and lubrication, barrier gas systems, and gap flows are collectively referred to as secondary systems. Gap flows between rotating components are unavoidable and limit efficiency; simultaneously, the pressure forces in the gaps generate loads on the rotating parts. These loads must be absorbed by the bearings if they are not balanced across the entire system. A common condition in turbopumps, but especially in liquid-propellant rocket propulsion systems, the bearings are subjected to very high loads due to the high rotational speed, axial and radial forces, and the poor lubrication resulting from the use of cryogenic rocket propellant. Therefore, precise knowledge of the radial and axial forces acting during nominal operation is necessary for the design of the bearing unit and is crucial for the safe operation of the turbomachine. This, in turn, requires an understanding of the flow in the impeller side chambers, as this allows for the derivation of pressure distributions and thus forces. A program for calculating the bearing forces has been developed. This program is generally applicable to different turbopump configurations. An interface with design data is available. By varying input data using random numbers, uncertainties in the preliminary design can be taken into account. Results are presented and discussed."

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2016, Braunschweig

Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2016

Conference Paper

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 10 Seiten

urn:nbn:de:101:1-201610283464

Flüssigraketenantriebe, Turbopumpen

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28.10.2016