Pressure regulator design for liquid propellant rocket engines
Sıvı yakıtlı roket motorları için basınç regülatörü tasarımı
- Tez No: 844719
- Danışmanlar: PROF. DR. ALİM RÜSTEM ASLAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Savunma ve Savunma Teknolojileri, Defense and Defense Technologies
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 117
Özet
Sıvı yakıtlı roket motorları (SYRM), uzay keşfi ve uçuş teknolojilerinde önemli bir rol oynayan güçlü ve karmaşık sistemlerdir. Bu motorlar, genellikle oksitleyici ve yanıcı yakıt olmak üzere bir yakıt çifti kullanırlar. Bu yakıtların yanma reaksiyonundan elde edilen itki roketi hareket ettirir. Sıvı yakıtlı roket motorları, yüksek itme kuvveti, yüksek verimlilik ve kontrol edilebilirlik avantajlarına sahiptir. Bu motorlar, uzay araştırmaları, uydu fırlatmaları, derin uzay keşifleri ve insansız araçlar gibi birçok uygulama alanında kullanılmaktadır. Yüksek teknoloji gerektiren bu motorların tasarımı, yakıt beslemesi, yanma kontrolü ve soğutma gibi bir dizi karmaşık mühendislik problemlerini içerir. Sıvı yakıtlı roket motorları, insanlı ve insansız uzay seyahatlerinin geleceği açısından büyük öneme sahiptir ve sürekli olarak geliştirilen teknolojilerle daha verimli, güvenilir ve güçlü hale gelmektedir. Sıvı yakıtlı roket motorlarında akış kontrol bileşenleri, sıvı yakıtların doğru ve düzenli bir şekilde motorun yanma odasına beslenmesini sağlayan önemli bir parçalardır. Bu akış control bileşenleri; yakıtın tanklara doldurulmasını, uygun bir basınçta yanma odasına yönlendirilmesini ve yanma reaksiyonunun istikrarlı bir şekilde gerçekleşmesini sağlar. Ayrıca, akış kontrol bileşenleri, yakıtın yanma odasındaki basınç ve sıcaklık değişikliklerine uyum sağlamak için esneklik göstermeli ve güvenli bir şekilde işlevini sürdürebilmelidir. Bu bileşenlerin tasarımı, sistemi optimize etmek, enerji kayıplarını en aza indirmek ve motorun performansını artırmak için hassas mühendislik hesaplamaları ve malzeme seçimlerini gerektirir. Akış kontrol bileşenleri, sıvı yakıtlı roket motorlarının güvenilirliği, verimliliği ve başarılı bir şekilde çalışabilmesi için kritik bir unsur olup, sürekli geliştirilen teknolojilerle daha etkin ve dayanıklı hale getirilmektedir. Basınç regülatörleri, yakıtların sabit bir basınçta yanma odasına ulaşmasında çok önemli bir rol oynadıklarından, sıvı yakıtlı roket motorlarında önemli bir akış kontrol bileşenidir. Bu da motor vanalarının, ana yakıt valflerinin, gaz jeneratoru valflerinin, başlatma sistemlerinin düzgün çalışmasına ve en önemlisi yanma için yakıtların basınçlandırılmasına olanak tanır. Sıvı yakıtlı roket motorlarındaki basınç regülatörleri farklı tiplere sahip olabilirler. Bu çalışmada dört farklı basınç regülatörü tipinden bahsedilmektedir. Bu regülatör tiplerinin birbirlerinden farkları, avantajları ve dezavantajları listelenmektedir. Basınç regülatörü bir çok parçadan oluşan ufak bir sistem olarak nitelendirilebilirler. Gerçekleştirilen çalışmada basınç regülatörüne ait en önemli parçalar, tek tek listelenmekte ve parçanın türlerinden bahsedilmektedir. Belirtilen bu parçaların tiplerine ait avantajlar ve dezavantajlar listelenmektedir. Uzay uygulamalarındaki basınç regülatörlerinin tasarımı ve üretimi, zorlu gereksinimleri karşılamak için daha özeldir. Etkili bir basınç regülatörü tasarlamanın ilk adımı, uygulamanın özel gereksinimlerini ve sınırlamalarını dikkate alan matematiksel modeldir. Bu tezde SYRM'de kullanılan akış kontrol bileşenlerinden basınç regülatörünün ilk olarak basınç regülatörünün matematiksel ve dinamik modellemesi gerçekleştirilmektedir. Matematiksel ve dinamik modeli oluşturulan regülatörün gerçek dünya koşulları altındaki davranışının daha doğru bir temsilini oluşturmak için izentropik denklemleri ve mekanik parçaların kuvvet eşitliği denklemlerini kullanılmaktadır. Ayrıca değişken koşullar için ortaya çıkabilecek değişken modelleri de ortaya koymaktadır. Örneğin, değişken çıkış hacmine sahip basınç regülatörlerinde farklı bir matematiksel model kullanılırken, sabit çıkış hacmine sahip basınç regülatörlerinde farklı bir denklem seti kullanılmaktadır. Geliştirilen bu matematiksel ve dinamik modelleri kullanarak MATLAB Simulink ile üç farklı regülatör için simülasyonlar yapılmaktadır. Bu çalışmada basınç regülatörünün üç adet control hacmine sahip olduğu kabul edilmiştir. Bu control hacimleri; giriş kontrol hacmi, çıkış kontrol hacmi ve algılama kontrol hacmi olarak sıralanabilir. Çalışmanın ikinci adımı olarak basınç regülatörünün tasarlanabilmesi için gerekli olan gereksinimler tanımlanmaktadır. Bu gereksinimler giriş basıncı, ayar basıncı ve kütlesel debi gibi önemli girdiler içermektedir. Bu girdilere ek olarak çalışılan akışkana ait parametrelerin de tanımlanması gerekmektedir. Bu çalışmada akışkan olarak azot ve helyum gazları kullanılmaktadır. Çalışmanın üçüncü adımında ise basınç regülatörüne ait mekanik parametreler belirlenmelidir. Mekanik parametreleri belirleyebilmek için matematiksel model üzerinden statik hesaplamalar yapılarak parametreler kabaca hesaplanır. Daha sonra optimum parametreleri elde etmek için MATLAB Simulink üzerindeki dinamik model, optimizasyon aracı ile birlikte kullanılır. Bu çalışmada, hesaplamalar sadece birinci regülatör için yapılmış ve diğer regülatörler, simülasyon ve test sonuçları karşılaştırılarak dinamik modeli doğrulamak için kullanılmıştır. Üç farklı basınç regülatörünün, kurulan pnömatik test düzeneğinde her birinin kendi gereksinimleri doğrultusunda testleri gerçekleştirilmektedir. Bu testlere ait veriler regülatörlerin giriş ve çıkışlarındaki basınç sensörelrinden ve hattaki kütlesel debi sensöründen toplanmaktadır. Geliştirilen matematiksel ve dinamik modellerin doğruluğunu gözlemlemek için testteki girdileri kullanarak MATLAB Simulink ile simülasyonlar yapılmaktadır. Ve bu simülasyonlardan elde edilen sonuçlar ile üç farklı basınç regülatörlerinden elde edilen test sonuçları karşılaştırılmaktadır. Geliştirilen modelin doğrulaması yapıldıktan sonra üç farklı regülatör için farklı simülasyonlar yapılmaktadır. Her regülatör için gereksinimler ve tasarım girdileri ayrı ayrı belirtilmektedir. Bu regülatörler boyutlar, ayar basıncı, kütlesel debi değişimleri ve çalıştıkları akışkan açısından farklılık göstermektedir. Simülasyonlar, her bir regülatör için giriş basıncı, kütlesel debi ve çıkış hacmindeki değişimleri içeren dört farklı senaryo ile gerçekleştirilmiştir. Tüm senaryoların sonuçları her bir regülatör için kendi aralarında karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlarda değişken giriş basıncı, kütlesel debi ve çıkış hacmi altında regülatörün çıkış basıncı gözlenmiştir. Bu çalışmada geliştrilen model, sıvı yakıtlı roket motorlarında kullanılan basınç regülatörlerinin farklı koşullar altında nasıl davrandığına dair değerli bilgiler sağlar ve bu gelecekteki uzay uygulamalarında bu kritik bileşenin tasarımını ve performansını iyileştirmeye yardımcı olabilir.
Özet (Çeviri)
Liquid propellant rocket engines (LPRE) are powerful and complex systems that play an important role in space exploration and flight technologies. These engines use a propellant pair, usually an oxidizer and a combustible propellant. The thrust obtained from the combustion reaction of these propellants, propels the rocket. Liquid propellant rocket engines have the advantages of high thrust, high efficiency and controllability. These engines are used in many application areas such as space exploration, satellite launches, deep space exploration and unmanned space missions. The design of these high-tech engines involves a series of complex engineering problems such as fuel supply, combustion control and cooling. Liquid propellant rocket engines are of great importance for the future of manned and unmanned space travel, and are becoming more efficient, reliable and powerful with continuously developed technologies. Flow control components in liquid propellant rocket engines are an important part that ensures correct and regular feeding of liquid propellants into the combustion chamber of the engine. These components ensure that the propellants are filled into the tanks, directed to the combustion chamber at an appropriate pressure and that the combustion reaction takes place in a stable manner. In addition, flow control components must be flexible and able to function safely to adapt to pressure and temperature changes in the combustion chamber. The design of these components requires precise engineering calculations and material selections to optimize the system, minimize energy losses and increase engine performance. Flow control components are a critical element for the reliability, efficiency and successful operation of liquid propellant rocket engines, and are made more effective and durable with constantly improved technologies. Pressure regulators are an essential component in liquid propellant rocket engines as they play a crucial role in maintaining a constant pressure of gas in the propellant lines. This, in turn, allows for the smooth operation of engine control valves, main propellant valves, gas generator valves, start systems, and most importantly, the pressurization of propellants for combustion. Pressure regulators in liquid propellant rocket engines can have different types. In this study, four different types of pressure regulators are mentioned. The differences, advantages and disadvantages of these regulator types are listed. The pressure regulator can be described as a small system consisting of many elements. In the study, the most important elements of the pressure regulator are listed one by one and the types of the elements are mentioned. The advantages and disadvantages of the types of these elements are listed. The design and manufacturing of the pressure regulators in space applications are always special to meet rigid requirements. The first step of designing an effective pressure regulator is mathematical model that considers the specific requirements and limitations of the application. In this thesis, the design, mathematical and dynamic modeling of the pressure regulator is carried out. The developed mathematical and dynamic model uses isentropic equations and force balance equations of the mechanical parts to create a more accurate representation of the regulator's behavior under real-world conditions. It also reveals variable models that may arise for variable conditions such as variable outlet volume. For example, pressure regulators with variable outlet volume use a different mathematical model, while pressure regulators with fixed outlet volume use a different set of equations. Using these developed mathematical and dynamic models, simulations are made for three different regulators with MATLAB Simulink. In this study, it is assumed that the pressure regulator has three control volumes. These control volumes are; inlet control volume, outlet control volume and sensing control volume. As the second step of the study, the requirements for designing the pressure regulator are defined. These requirements include important parameters such as inlet pressure, set pressure and mass flow rate. In addition to these parameters, the parameters of the working fluid also must be defined. Nitrogen and helium gases are used as working fluids in this study. In the third step of the study, the mechanical parameters of the pressure regulator should be determined. In order to determine the mechanical parameters, static calculations are made by using the mathematical model and the parameters are roughly calculated. Then the dynamic model on MATLAB Simulink is used with the optimization tool to obtain the optimum parameters. Optimum parameters are the inputs of the pressure regulators for the simulations. In this study, calculations of mechanical parameters were made only for the first regulator and other regulators were used to validate the dynamic model by comparing simulation and test results. Tests of three different pressure regulators are carried out in accordance with the requirements of each of them in the established pneumatic test setup. The data of these tests are collected from the pressure sensors on the line just before and after the pressure regulators and from the mass flow sensor in the line. In order to validate the accuracy of these developed mathematical and dynamic models, the simulations are made in MATLAB Simulink using the inputs in the test. And the results of the simulations obtained from this model is compared with the test results obtained from there different pressure regulators. After validation of the developed model, the simulations are made for three different regulators. The requirements and design inputs for each regulator are specified separately. These regulators differ in terms of dimensions, set pressure and mass flow rate variations, and the fluid they regulate. Simulations are performed with four different scenarios which include variations in inlet pressure, mass flow rate, and outlet volume for each regulator. All of the results of scenarios were compared among themselves for each regulator. In the results obtained, the effects of varying inlet pressure, mass flow rate and outlet volume on the outlet pressure of the regulator are observed. The model developed in this study provides valuable insight into how pressure regulators behave under different conditions and could help improve the design and performance of this critical component in future space applications.
Benzer Tezler
- Sıvı yakıtlı roket motorları için itki kontrolörü tasarımı
Thrust controller design for liquid propellant rocket engines
KAMİL YEKTA US
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLHAN KOCAARSLAN
- Kısılabilir gaz jeneratörü çevrimli sıvı yakıtlı roket motoru tasarım aracı
Throattable open cycle liquid rocket engine design tool
SELİN ÖNDER SONER
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Astronomi ve Uzay Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERKAN AYDER
- Yatay boru üzerindeki havuz kaynamanın incelenebileceği deney düzeneği tasarımı ve aseton için havuz kaynamanın deneysel olarak incelenmesi
Experimental setup design for pool boiling on horizontal tube and experimental investigation of pool boiling of acetone
RESUL YILDIZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ÖZDEMİR
- Taşıtlarda yakıt dolum performansını etkileyen parametrelerin incelenmesi
Investigation of parameters affecting refueling performance on vehicles
OKAN GÜNDOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEM SORUŞBAY
- Alternatif motor yakıtları ve LPG'nin motor yakıtı olarak benzinle deneysel olarak karşılaştırılması
Başlık çevirisi yok
B.MURAT ÇEVİKÖZ