Pompa turbo

Turbopump adalah pompa propelan dengan dua komponen utama: pompa rotodinamik dan turbin gas penggerak, biasanya keduanya dipasang pada poros yang sama, atau terkadang dipasang bersama-sama. Awalnya dikembangkan di Jerman pada awal tahun 1940-an. Tujuan turbopump adalah untuk menghasilkan cairan bertekanan tinggi untuk mengisi ruang pembakaran atau penggunaan lainnya. Meskipun ada kasus penggunaan lainnya, namun paling umum ditemukan pada mesin roket cair.

Bagian dari turbopump aksial yang dirancang dan dibangun untuk mesin roket M-1

Roket V-2 menggunakan turbopump melingkar untuk memberi tekanan pada propelan.

Pada turbopump sentrifugal, cakram yang berputar melemparkan cairan ke tepi.

Kompresor aksial

Ada dua jenis pompa umum yang digunakan dalam turbopump:

• pompa sentrifugal, yang pemompaannya dilakukan dengan menyemprotkan fluida ke luar dengan kecepatan tinggi, atau
• pompa aliran aksial, yang bilahnya berputar dan statis secara bergantian menaikkan tekanan fluida.

Pompa aliran aksial memiliki diameter kecil tetapi memberikan peningkatan tekanan yang relatif sederhana. Meskipun diperlukan beberapa tahap kompresi, pompa aliran aksial bekerja dengan baik dengan cairan berdensitas rendah. Pompa sentrifugal jauh lebih kuat untuk cairan berdensitas tinggi tetapi membutuhkan diameter besar untuk cairan berdensitas rendah.

Sejarah

Perkembangan awal

Pompa tekanan tinggi untuk rudal yang lebih besar telah dibahas oleh pelopor roket seperti Hermann Oberth. Pada pertengahan tahun 1935 Wernher von Braun memulai proyek pompa bahan bakar di perusahaan Jerman barat daya Klein, Schanzlin & Becker yang berpengalaman dalam membangun pompa pemadam kebakaran besar. Desain roket V-2 menggunakan hidrogen peroksida yang terurai melalui generator uap Walter untuk memberi daya pada turbopump yang tidak terkontrol yang diproduksi di pabrik Heinkel di Jenbach, sehingga turbopump V-2 dan ruang bakar diuji dan dicocokkan untuk mencegah pompa memberi tekanan berlebih pada ruang. Mesin pertama berhasil menyala pada bulan September, dan pada tanggal 16 Agustus 1942, roket uji berhenti di udara dan jatuh karena kegagalan pada turbopump. Peluncuran V-2 pertama yang sukses terjadi pada tanggal 3 Oktober 1942.

Dimulai dari tahun 1938-1940, tim Robert H. Goddard juga secara independen mengembangkan turbopump kecil.

Perkembangan dari tahun 1947 sampai 1949

Insinyur utama untuk pengembangan turbopump di Aerojet adalah George Bosco. Selama paruh kedua tahun 1947, Bosco dan kelompoknya mempelajari tentang pekerjaan pompa orang lain dan membuat studi desain awal. Perwakilan Aerojet mengunjungi Universitas Negeri Ohio tempat Florant bekerja pada pompa hidrogen, dan berkonsultasi dengan Dietrich Singelmann, seorang ahli pompa Jerman di Wright Field. Bosco kemudian menggunakan data Singelmann dalam merancang pompa hidrogen pertama Aerojet.

Pada pertengahan tahun 1948, Aerojet telah memilih pompa sentrifugal untuk hidrogen cair dan oksigen cair. Mereka memperoleh beberapa pompa radial-vane Jerman dari Angkatan Laut dan mengujinya selama paruh kedua tahun tersebut.

Pada akhir tahun 1948, Aerojet telah merancang, membangun, dan menguji pompa hidrogen cair (diameter 15 cm). Awalnya, ia menggunakan bantalan bola yang dioperasikan dalam keadaan bersih dan kering, karena suhu rendah membuat pelumasan konvensional tidak praktis. Pompa pertama kali dioperasikan pada kecepatan rendah untuk memungkinkan komponennya mendingin hingga mencapai suhu operasi. Ketika pengukur suhu menunjukkan bahwa hidrogen cair telah mencapai pompa, dilakukan upaya untuk mempercepat dari 5.000 menjadi 35.000 putaran per menit. Pompa rusak dan pemeriksaan komponen menunjukkan kegagalan bantalan, serta impeller. Setelah beberapa pengujian, bantalan super-presisi, yang dilumasi oleh oli yang diatomisasi dan diarahkan oleh aliran nitrogen gas, digunakan. Pada pengujian berikutnya, bantalan bekerja dengan memuaskan tetapi tekanannya terlalu besar untuk impeller yang dibrazing dan ia terlepas. Yang baru dibuat dengan penggilingan dari blok aluminium padat . Dua pengujian berikutnya dengan pompa baru sangat mengecewakan; instrumen tidak menunjukkan aliran atau kenaikan tekanan yang signifikan. Masalah ini ditelusuri ke penyebar keluar pompa, yang terlalu kecil dan tidak cukup dingin selama siklus pendinginan sehingga membatasi aliran. Hal ini diperbaiki dengan menambahkan lubang ventilasi di rumah pompa; ventilasi dibuka selama pendinginan dan ditutup saat pompa dingin. Dengan perbaikan ini, dua kali pengujian tambahan dilakukan pada bulan Maret 1949 dan keduanya berhasil. Laju aliran dan tekanan ditemukan hampir sesuai dengan prediksi teoritis. Tekanan maksimum adalah 26 atmosfer (26 atm (2,6 MPa; 380 psi)) dan alirannya 0,25 kilogram per detik.

Setelah 1949

Pompa turbo mesin utama pesawat ulang-alik berputar pada kecepatan lebih dari 30.000 rpm, menghasilkan 150 pon (68 kg) hidrogen cair dan 896 pon (406 kg) oksigen cair ke mesin per detik. Rutherford pada Roket Elektron menjadi mesin pertama yang menggunakan pompa bertenaga listrik dalam penerbangan pada tahun 2018.

Pompa turbo sentrifugal

Kebanyakan turbopump bersifat sentrifugal - fluida memasuki pompa di dekat sumbu dan rotor mempercepat fluida ke kecepatan tinggi. Fluida kemudian melewati volute atau diffuser, yang merupakan cincin dengan beberapa saluran yang berbeda. Hal ini menyebabkan peningkatan tekanan dinamis saat kecepatan fluida hilang. Volute atau diffuser mengubah energi kinetik tinggi menjadi tekanan tinggi (ratusan bar bukanlah hal yang tidak biasa), dan jika tekanan balik outlet tidak terlalu tinggi, laju aliran tinggi dapat dicapai.

Pompa turbo aksial

Turbopump aksial juga ada. Dalam kasus ini, poros pada dasarnya memiliki baling-baling yang terpasang pada poros, dan cairan didorong oleh baling-baling ini sejajar dengan poros utama pompa. Secara umum, pompa aksial cenderung memberikan tekanan yang jauh lebih rendah daripada pompa sentrifugal, dan beberapa bar bukanlah hal yang tidak biasa. Keunggulannya adalah laju aliran volumetrik yang jauh lebih tinggi. Karena alasan ini, pompa ini umum digunakan untuk memompa hidrogen cair dalam mesin roket, karena kepadatannya yang jauh lebih rendah daripada propelan lain yang biasanya menggunakan desain pompa sentrifugal. Pompa aksial juga umum digunakan sebagai "inducer" untuk pompa sentrifugal, yang menaikkan tekanan masuk pompa sentrifugal secukupnya untuk mencegah terjadinya kavitasi berlebihan di dalamnya.

Kompleksitas turbopump sentrifugal

Turbopump memiliki reputasi sebagai pompa yang sangat sulit dirancang untuk mendapatkan kinerja yang optimal. Sementara pompa yang direkayasa dan di-debug dengan baik dapat mengelola efisiensi 70–90%, angka kurang dari setengahnya tidak jarang terjadi. Efisiensi rendah mungkin dapat diterima dalam beberapa aplikasi, tetapi dalam peroketan ini merupakan masalah yang serius. Turbopump dalam roket cukup penting dan bermasalah sehingga wahana peluncur yang menggunakannya telah digambarkan dengan sinis sebagai "turbopump dengan roket yang terpasang"–hingga 55% dari total biaya telah dikaitkan dengan area ini.

Masalah umum meliputi:

• aliran berlebihan dari tepi bertekanan tinggi kembali ke saluran masuk bertekanan rendah di sepanjang celah antara casing pompa dan rotor,
• sirkulasi cairan yang berlebihan di saluran masuk,
• pusaran cairan yang berlebihan saat meninggalkan casing pompa,
• kavitasi yang merusak pada permukaan bilah impeller di zona bertekanan rendah.

Selain itu, bentuk rotor yang tepat sangat penting.

Mengendalikan turbopump

Turbopump bertenaga turbin uap digunakan ketika ada sumber uap, misalnya boiler kapal uap. Turbin gas biasanya digunakan ketika listrik atau uap tidak tersedia dan keterbatasan tempat atau berat memungkinkan penggunaan sumber energi mekanik yang lebih efisien.

Salah satu kasus tersebut adalah mesin roket, yang perlu memompa bahan bakar dan oksidator ke dalam ruang pembakarannya. Hal ini diperlukan untuk roket cair berukuran besar, karena memaksa cairan atau gas mengalir hanya dengan memberi tekanan pada tangki seringkali tidak memungkinkan; tekanan tinggi yang dibutuhkan untuk laju aliran yang dibutuhkan akan membutuhkan tangki yang kuat dan berat.

Motor ramjet biasanya juga dilengkapi dengan turbopump, turbin digerakkan baik secara langsung oleh aliran udara ram eksternal atau secara internal oleh aliran udara yang dialihkan dari pintu masuk ruang bakar. Dalam kedua kasus, aliran gas buang turbin dibuang ke laut.