Design, analysis and testing of cryogenic centrifugal pump for hybrid rocket applications
Hibrit roketlerde kullanılmak üzere santrifüj pompa tasarımı, analizi ve test edilmesi
- Tez No: 816378
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MUSTAFA ARİF KARABEYOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 113
Özet
Roket sistemlerinin en büyük ve önemli bir alt başlığı olan kimyasal roketler uzay sektörünün bel kemiği görevini üstlenmektedir. Kimyasal roketlerden katı yakıtlıların barındırdığı tehlikeli çalışma ortamı ve sıvıların karmaşıklığı ve pahalı oluşları uzay sektöründe dikkatleri daha basit sistem ve maliyet olarak daha etkin olan hibrit roket sistemlerine çevirmiştir. Bu sistemlerde sıvı fazda bulunan oksitleyici katı fazda bulunan yakıtın bulunduğu yanma odasına belirli bir debi ve basınç ile nakledilmesi lazımdır. Bu işlemi yapacak olan besleme sistemi roket sisteminin itki performansını direkt olarak etkileyeceğinden roket biliminde çok önemli bir yere sahiptir. Sıvı oksitleyici yüksek basınçlı gaz besleme sistemi veya besleme hattına entegre edilmiş pompa kullanılarak yanma odasına transfer edilebilir. Yüksek basınçlı gaz ile besleme yönteminde soğuk olan inert gaz sıvı olan yakıtı ve oksitleyiciyi hedeflenilen basınca getirerek yanma odasına transfer etmektedir. Bu yöntem ucuz ve basit olmasına rağmen besleme sisteminin elemanları yüksek basınca maruz kalacağından yapısal ağırlığı çok yüksek olan sistemler ortaya çıkmaktadır. Yüksek yapısal ağırlık ve“blow-down”etkisi gibi sebeplerden ötürü bu besleme sistemi genel olarak küçük ve orta boy sonda roket sistemlerinde kullanılmakta olup büyük sistemler için yapısal ağırlığı çok fazla artıracağından dolayı uçuşa uygun olmamaktadır. Bu besleme sistemin aksine pompa ile besleme seçeneği sadece belirli elemanları yüksek basınç altında bırakacağından yapısal yükü hafifleterek tüm roket sistemini uçuşa uygun hale getirmektedir. Ayrıca sıvı oksitleyici sabit bir debi ile sağlanacağından itki profili açısından da avantaj sağlamaktadır. Bu tezin ilk hedefi hibrit yakıtlı roket sisteminde kullanılmak üzere sıvı oksijen basınçlandıracak küçük boyutlara sahip santrifüj pompayı gerekli metotları kullanarak tasarlamaktır. Uygun üretim yöntemleri ile üretilen bu pompa sistemini su ve sıvı oksijen ile test edilmiş olup hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile sonuçlar karşılaştırılmıştır. Sistemin güvenilirlik testlerinden sonra uygun boyutlardaki bir parafin yakıtlı hibrit motor ile ateşleme testleri icra edilmiş olup pompa beslemeli hibrit motor sisteminin performansı incelenmiştir. Küçük boyuttaki pompadan elde edinilen kazanımlarla büyük boyutta bir hibrit roket sisteminin besleme sisteminde kullanılmak üzere yeni bir pompa tasarlanmıştır. Büyük boyutlu pompanın hesaplamalı akışkanlar dinamiği yapılmış olup bu pompa ile beslenen bir hibrit roketin motor performans analizi yapılmıştır. Sonuçlar yüksek basınç beslemeli aynı total itici kuvvete sahip bir hibrit roket sistemi ile karşılaştırılmıştır ve besleme sisteminde pompa kullanımının ağırlığı önemli ölçüde azaltıp ΔV performansını önemli ölçüde artırdığı gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Chemical rockets are one of the biggest and most critical sub-group of rocket systems and undertake the task of being backbone of the space industry. The dangerous working environment of solid fuels and the complexity and expensiveness of liquid propellants have turned the attention to hybrid rocket systems, which are simpler and more cost-effective solution among chemical rocket propulsion types. In hybrid rocket systems, the oxidizer which is in liquid phase must be transferred into the combustion chamber, where the solid fuel is located, with a certain flow rate and pressure. The feed system that will do this process is very crucial in rocket science as it will directly affect the thrust performance of the rocket system. The liquid oxidizer can be transferred to the combustion chamber using either high-pressure gas or a pump. In the high-pressure gas feeding method, the cold inert gas is used to pressurize the liquid oxidizer to the desired pressure and the pressurized oxidizer is pushed into the combustion chamber. Although this method is cheap and simple, it results in a rocket system with a very high structural weight, as the elements of the feeding system are exposed to high pressure. Due to its high structural weight, this feeding system is generally used in small and medium sounding rocket systems and is not suitable for flight for large systems because it increases the structural weight too much. Contrary to this feeding system, feeding the oxidizer with a pump will only leave certain elements under high pressure. Thus, the latter method reduces the structural weight and increases thrust-to-weight ratio of rocket systems. Even for large-scale systems the use of pump as a pressurizing element is necessary to make the rocket suitable for high ΔV missions. Additionally, thrust profile is improved because the blow-down effect is minimized with the pump supplying the oxidizer with a constant flow rate. The first goal of this thesis is to design a small-scale centrifugal pump to pressurize LOX to be used in a hybrid rocket system. This pump system, which is manufactured with appropriate techniques, has been tested with water and LOX and the results are compared with CFD results. After the reliability tests of the system, static hot-firing test is carried out with a small-scale hybrid motor with paraffin fuel and the performance of the hybrid engine system is evaluated. A new pump has been designed to be used in the feeding system of a large-scale hybrid rocket system with the experience gained from the small-scale pump design process. CFD analysis of the large-scale pump along with an appropriately sized hybrid rocket motor performance analysis have been performed. Another hybrid rocket system with a high-pressure gas feeding system with the same total impulse is designed to compare the performances of both pressurization system methods. Therefore, a detailed simulations of entire feeding systems have been made. The simulation results are compared to a pressure-fed hybrid rocket system with the same total impulse, and it is observed that the use of pumps in the feed system significantly reduces the structural weight and improves ΔV performance of the hybrid rocket.
Benzer Tezler
- Design, methodology development and production of composite cryogenic liquid oxygen tank for space applications
Uzay uygulamalarına yönelik kompozit kriyojenik sıvı oksijen tank tasarımı, metodoloji geliştirilmesi ve üretimi
RECEP UFUK
Doktora
İngilizce
2024
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL MURAT EREKE
DOÇ. DR. MUSTAFA ARİF KARABEYOĞLU
- Turbopompa beslemeli sıvı yakıtlı roket motorları için kriyojenik pompa tasarım ve çark optimizasyon aracı oluşturulması
Development of cryogenic pump design and impeller optimization tool for turbopump-fed liquid propellant rocket engines
MUHAMMED BATUHAN KÖROĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEYHAN ONBAŞIOĞLU
- Rocket engine altitude test facility design and 1D altitude simulation of IoX/LH2 propellant rocket engine
Roket irtifa test düzeneği tasarımı ve IoX/LH2 yakıtlı roket motorunun 1D irtifa simülasyonu
İSMAİL ÖZCAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FIRAT OĞUZ EDİS
- 520 nm dalga boylu harici optik geri beslemeli diyot lazer sistemi için çizgisel geometrili hacim fazlı kırınım ızgaralı lazer kovuğu tasarlanması, kurulması ve çalıştırılması
Designing, constructing and working a laser beam with a diffraction grating with volume phase with linear geometry for 520 nm wavelength external optical feedback diode laser system
ZÜLFÜ DOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Fizik ve Fizik MühendisliğiMersin ÜniversitesiNanoteknoloji ve İleri Malzemeler Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İBRAHİM KÜÇÜKKARA
- Design of cooled and heated cabinet by using liqid nitrogen
Sıvı azot kullanarak ısıtma ve soğutma kabini tasarımı
EMRE DEMİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Makine MühendisliğiAtılım ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CİHAN TURHAN