[AR] Re: Electric driven Turbo Pumps

  • From: Jordin Kare <jkare@xxxxxxxxx>
  • To: arocket@xxxxxxxxxxxxx
  • Date: Thu, 15 Dec 2016 18:33:42 -0800

Possibly, but it’s also possible to decrease current and increase voltage by 
winding with 
more turns and thinner wire, or to decrease RPM and increase torque by 
increasing the
number of poles.  Small electric motors do tend to optimize at higher RPM than 
larger ones, but I suspect that at 30 kW you could get a fairly efficient 
direct-drive motor/pump 
combination.

Jordin

On Dec 15, 2016, at 5:46 PM, Henry Vanderbilt <hvanderbilt@xxxxxxxxxxxxxx> 
wrote:

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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