[AR] Re: Electric driven Turbo Pumps

  • From: Henry Vanderbilt <hvanderbilt@xxxxxxxxxxxxxx>
  • To: arocket@xxxxxxxxxxxxx
  • Date: Thu, 15 Dec 2016 18:46:21 -0700

So, one might also need to factor in gearing to match motor and piston-pump RPM's in these tradeoffs. Good to know.

On 12/15/2016 6:12 PM, Jake Anderson (Redacted sender jake for DMARC) wrote:

For an electric motor torque is proportional to amps, voltage to RPM and
heating is amps ^ 2.
In short, the higher the RPM the more power you can get out of a given
sized motor.

If you were looking to optimise motor mass, it'd potentially be
interesting (and solve vacuum operation issues) if you stuck it in your
working fluid.

On 16/12/16 12:04, Henry Vanderbilt wrote:
"Yes, they [piston pumps] generally run at lower RPM than turbopumps,
although making the cylinder volume larger at a given maximum pressure
costs mass, so there tends to be an optimum."

So there IS the possibility of that optimum involving trading off
increased piston-pump mass for reduced NPSH which could allow reduced
tank+press-system mass.


An entirely separate question for the crowd: How does electric motor
RPM relate to maximum motor power-to-weight?  If, to pull numbers out
of the air, the optimum piston-pump implied above wants to operate at
a few thousand RPM (rather than the tens of thousands mentioned for
turbine pumps) does that make the electric motor heavier?  Lighter?
No difference?

Henry

On 12/15/2016 3:55 PM, Jordin Kare wrote:
That’s correct.  Oversimplifying, piston pumps are inherently
constant-pressure, vs. turbopumps which are inherently constant flow
(they optimize fairly sharply for a specific flow rate) and they are
efficient all the way to zero flow.  Piston pumps tend to win over
turbopumps at small sizes
(John Whitehead, who did a lot of work on piston pumps at LLNL in the
late 80s, put the crossover at 5000 lbf thrust) and/or intermittent
flow or widely-varying
flow rates.  Yes, they gnerally run at lower RPM than turbopumps,
although making the cylinder volume larger
at a given maximum pressure costs mass, so there tends to be an optimum.

On Dec 15, 2016, at 12:32 PM, Henry Vanderbilt
<hvanderbilt@xxxxxxxxxxxxxx> wrote:

My impression is that piston pumps don't lose efficiency at lower
RPMs to the same degree turbine pumps do.  This might imply that for
given performance requirements a physically larger, slower-rotating
piston pump might tend to have lower minimum required feed pressure
without impractically low efficiency.  Maybe.

This opinion and two bucks will get you a cup of coffee...

On 12/15/2016 1:20 PM, Pierce Nichols wrote:
The piston cylinder volume still needs to be filled from tank
pressure,
so there's a relation there between tank pressure and maximum pump
speed. IOW, it becomes another knob for the designer to twiddle.

-p

On Thu, Dec 15, 2016 at 12:03 PM, Brian Feeney <alaiadesign@xxxxxxxxx
<mailto:alaiadesign@xxxxxxxxx>> wrote:

  Would a piston pump reduce or eliminate the problem of cavitation
  one can get with a turbine? If yes, this would lead to lower tank
  pressure, lighter weight tanks - buys back some of the weight
  increase of the piston vs turbopump??

  Cheers
  Brian Feeney

  On Dec 15, 2016 2:40 PM, "Henry Vanderbilt"
  <hvanderbilt@xxxxxxxxxxxxxx <mailto:hvanderbilt@xxxxxxxxxxxxxx>>
wrote:

      On 12/15/2016 9:15 AM, Dave McMillan wrote:


          On 12/15/2016 11:01 AM, Thomas McNeill wrote:

              I have been curious about different pumping mechanisms.
              Instead of a
              turbo pump what about positive displacement pumps, like
              gear or lobe?
              Has there been any attempt at using one of these types
              of pumps?


              I have to admit to being curious why I've never heard
of any
          amateurs trying a variant on XCOR's piston(less) pumps --
          those seem
          like a much lower bar to get over than any kind of
          turbomachinery. Some
          subtle difficulty I'm not seeing, there?


      XCOR's pumps are not pistonless; that's Flometrics you're
      thinking of.

      As for the root question, I see no reason why developing an
      electric-drive piston propellant pump should be particularly
      challenging.

      Off the top of my head...

       - You need to pay attention to compatible piston-seal materials
      (and to flow-path materials compatibility in general, of
course).

       - For cryos, you need to pay attention to thermal dimensional
      issues, seal & lube temperatures, and flow-path conditioning.

       - You need to pay attention to output pressure variations, to
      the extent your motor/application may be sensitive to them.

      None of those involve bleeding-edge new tech development.  Just
      a matter of known detail engineering.  And there's this: There's
      a HUGE existing parts-base out there for piston machinery
      components, both in pumps for other applications
      (pressure-washers anyone?) and in the small IC engine field.

      I'd lean toward the explanation that people haven't looked at
      piston over turbine pumps more out of established habit than for
      fundamental practical reasons.

      After all, if you're using a turbine for pump power, making the
      pump a turbine wheel on the same shaft uses design/manufacturing
      resources you'll need regardless.

      Going to electric pump power, that no longer holds true.  You
      can now skip the (apparently) considerable investment in
      high-performance turbine design/fab capabilities.

      Henry












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