Supersonic impulse turbine design and optimization for liquid rocket engines
Sıvı yakıtlı roket motorları için ses üstü etki tipli türbin tasarımı ve optimizasyonu
- Tez No: 928477
- Danışmanlar: PROF. DR. BAYRAM ÇELİK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- 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: 101
Özet
Sıvı yakıtlı roket motorları, uzay ve havacılık endüstrisinde yüksek itki üretme kapasitesi ve operasyonel esneklikleri sayesinde kritik bir öneme sahiptir. Bu motorlar, yakıt ve oksitleyicinin yanma odasında kontrollü bir şekilde yakılması ve bu sayede oluşan yüksek basınçlı ve yüksek hızlı gaz akışının itki üretmesi prensibine dayanmaktadır. Sıvı yakıtlı roket motorlarının verimli ve güvenilir bir biçimde çalışması, motor içerisinde yakıt ve oksitleyiciyi uygun basınç ve akış hızında sağlayan turbopompaların başarısına bağlıdır. Turbopompalar, pompa ve türbin olmak üzere iki ana kısımdan oluşmaktadır. Pompa, yakıt ve oksitleyiciyi düşük basınç seviyesinden alarak yanma odasının ihtiyacını karşılayacak yüksek basınç seviyesine çıkarırken; türbin ise pompayı tahrik ederek sistemdeki enerji dönüşümünü gerçekleştirir. Dolayısıyla, turbopompa türbininin tasarımı ve optimizasyonu, roket motoru performansını doğrudan etkilemekte ve motorun genel verimliliği, ağırlığı, güvenilirliği ve çalışma ömrü açısından belirleyici rol oynamaktadır. Günümüzde, roket motorlarında türbin tasarımında öncelikli hedef, mümkün olan en yüksek verimlilik düzeyine ulaşmak ve eş zamanlı olarak kütle, hacim, malzeme dayanımı gibi kısıtları da göz önünde bulundurmaktır. Türbinin ses üstü (süpersonik) rejimde çalışması, özellikle yüksek basınç oranlarına ve yüksek çevrim hızlarına ihtiyaç duyan sıvı yakıtlı roket motorlarında kaçınılmaz bir gereksinim haline gelebilmektedir. Ses üstü akış koşullarının getirdiği yüksek basınç düşüşü ve sıcaklık değişimleri, akışta şok dalgaları ve türbülans oluşumu gibi karmaşık etkilere neden olmakta; bu da tasarım sürecini daha zorlu ve çok yönlü bir problem haline getirmektedir. Dolayısıyla ses üstü türbin tasarımında, akışın aerodinamik ve termodinamik analizlerinin detaylıca yapılması, kanat ve lüle geometrilerinin optimize edilmesi ve malzeme seçimi ile soğutma teknolojilerinin de tasarım aşamasına entegre edilmesi büyük önem taşımaktadır. Bu tez çalışmasında, sıvı yakıtlı roket motorlarında kullanılan ses üstü türbinlerin kavramsal tasarımı için kullanılan yöntemler sırasıyla ele alınmakta ve ardından kanatçık ile lüle tasarım prensipleri incelenmektedir. Kavramsal tasarım aşamasında, türbinin genel geometrik parametreleri, giriş ve çıkış akış koşulları, basınç oranları, sıcaklık değerleri ve rotor ile stator kanatlarının yerleşimi gibi unsurlar dikkate alınmıştır. Bu kapsamda, bir yandan geleneksel aerodinamik tasarım kuralları rehberliğinde türbinin ilk boyutlandırması gerçekleştirilirken, diğer yandan bilgisayar destekli yöntemlerden ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD veya CFD) analizlerinden yararlanılarak tasarımın doğrulanması ve geliştirilmesi hedeflenmiştir. Kanatçık ve lüle tasarımında literatürde kullanılan yöntemler incelenmiş, karakteristikler yöntemi ile ses üstü vorteksli akım teorisi aktarılmış ve uygulamaları referans verilmiştir. Aktarılan çalışmalar temel alınarak, türbin kavramsal tasarımı, kanatçık ve lüle tasarımı için Python programlama dili ile bir hesaplama aracı geliştirilmiştir. Tezin devamında, tasarım ve optimizasyon süreçlerinde yaygın olarak başvurulan genetik algoritmaların genel prensipleri ele alınmaktadır. Genetik algoritmalar; doğal seçilim, çaprazlama ve mutasyon gibi biyolojik süreçlerden esinlenerek, çok sayıda parametrenin aynı anda optimize edilmesini mümkün kılar. Bu tezde tercih edilen NSGA-II (Nondominated Sorting Genetic Algorithm II) yöntemi, çoklu hedefleri (örneğin, hem türbin verimliliğini hem de toplam kütleyi aynı anda iyileştirmek) aynı anda ele alabilmesi ve Pareto tabanlı sıralama yaklaşımıyla çok sayıda çözüm kümesi sunması nedeniyle seçilmiştir. NSGA-II, daha önce farklı mühendislik uygulamalarında da başarılı sonuçlar elde etmiş, nispeten hızlı ve kararlı yakınsama özelliği taşıyan bir yöntemdir. Bu algoritmanın temel işleyiş yapısı, nüfusun rassal olarak oluşturulması, uygunluk fonksiyonlarının hesaplanması, pareto öncelikli sıralama, çaprazlama ve mutasyon aşamalarını içermektedir. Bu sayede popülasyon tabanlı yaklaşım, tasarım uzayında farklı bölgelere hızla yayılma olanağı sağlamaktadır. Aktarılan algoritma yine Python programlama dili ile yazılmış ve hesaplama aracına eklenmiştir. Önerilen algoritmanın türbin kavramsal tasarım yöntemi ile entegrasyonu sayesinde, yalnızca tek bir optimize edilmiş çözüm bulmak yerine, farklı tasarım kısıtlarını ve performans hedeflerini dengeleyen çok sayıda aday çözüm elde etmek mümkündür. Bu yaklaşım çerçevesinde türbin giriş koşulları, beslenen gazın özellikleri ve optimizasyon sırasında kullanılacak sınırlamalar tanımlanmıştır. Ardından, NSGA-II algoritmasının oluşturduğu popülasyon içindeki her bireyin performans parametreleri aktarılan kavramsal tasarım eşitlikleri ile hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar, türbin gücünü en iyilerken en düşük türbin çapına erişmek amaçlı Pareto tabanlı sıralama bir ön sonuç kümesi şeklinde düzenlenmiştir. Böylece tasarımcı, hangi kriterlere öncelik verdiğine bağlı olarak en uygun çözüm veya çözümleri seçebilmektedir. Çalışmada popülasyonun büyüklüğünün sonuca etkisi de incelenmiş ve yeterli çözünürlükte bir çözüm uzayı elde edebilmek için gerekli popülasyon büyüklüğü ifade edilmiştir. Türbin kavramsal tasarımı konusunda optimizayon entegrasyonunu takiben, türbin performansında belirleyici bölge olan türbin kanatçıklarının da optimizasyonu için bir çalışma yapılmıştır. Türbin kanatçıkları arasında kalan bölgede şok dalgası oluşumu ve akım ayrılması gibi çözümü karmaşık fenomenler bulunmaktadır. Buradaki optimizasyon çalışmasının başarılı olması adına hesaplamalı akışkanlar dinamiği araçları ile yapılan analizler önerilen optimizasyon algoritması ile bir arada çalışacak şekilde kurgulanmıştır. Ansys yazılımının hesaplamalı ağ yapısı oluşturma ve analiz uygulamaları olan Turbogrid ve Fluent programlarına Python programlama dili ile kullanım sağlıyor olması bir arayüze ihtiyaç duymadan bu uygulamaların kullanılabilmesini sağlamıştır. Anlatılan optimizasyonu döngüsü sayesinde türbin kanatçığının performansı en iyilenirken, entropi üretiminin düşürülmesi sağlanmıştır. Bu tez, ses üstü türbin tasarımı alanında kapsamlı bir rehber sunarken ve türbin optimizasyonu alanında genetik algoritma tabanlı bir yaklaşımın etkinliğini ortaya koyarak, sıvı yakıtlı roket motoru gelişimine katkı sağlamayı amaçlamaktadır. Elde edilen sonuçlar, turbopompa tasarımcılarına, yüksek basınç ve sıcaklık koşullarında çalışan ses üstü türbinlerin geliştirilmesinde yol gösterici olacak bir kaynak sunmaktadır. Böylelikle sıvı yakıtlı roket motorlarının toplam verimliliğinin artırılması, performans sınırlarının daha da yukarı taşınması ve roket motoru kütlesinin azaltılması gibi temel hedeflerin gerçekleştirilmesi için önemli bir adım atılmaktadır.
Özet (Çeviri)
Rocket engines that use liquid propellants are well-known for delivering significant thrust and offering versatile operation. Turbopumps are utilized to supply propellants to the combustion chamber at the necessary pressures and flow rates.These turbopumps typically consist of two primary components, called pump and turbine. A pumps are used to boost the pressure of the fuel and oxidizer, requiring a power source to enable their rotation. Turbines are typically used to supply power to pumps and often derive energy from gases at high pressure. The performance of this turbine directly influences the overall performance, mass and reliability of the engine. In open-cycle rocket engines, the primary focus is often reducing the turbine flow rate. Consequently, for a turbine designed for large pressure ratios, the flow inside the turbine becomes supersonic. This research provides an in-depth overview for the design of supersonic turbines. In the study, a conceptual design method is presented that combines analytical relations and semi-empirical correlations first. Subsequently, detailed explanations of the blade and nozzle design methodologies are provided, along with the numerical techniques employed. Following the presentation of design techniques, a validation study of the proposed method is conducted using a CFD tool. To handle the multi-objective nature of turbine design, genetic algorithms such as NSGA-II are frequently employed. Genetic algorithms mimic evolutionary methods such as selection, crossover, and mutation to methodically investigate an extensive design space. By defining performance metrics as objective functions, NSGA-II generates a population of candidate solutions in each iteration. It then evolves these solutions toward a Pareto frontier, thereby revealing optimal trade-offs among competing design criteria. This population-based approach provides flexibility, allowing engineers to prioritize different objectives depending on the mission requirements. The study integrates a proposed optimization algorithm with a conceptual design approach to explore the solution space that maximizes turbine power output while reducing the diameter. Furthermore, the algorithm is integrated with CFD tools to enhance the optimization of turbine blade design. As a result, employing genetic algorithms in design activities can be advantageous for achieving design objectives and fulfilling requirements.
Benzer Tezler
- Sesüstü türbin tasarımı
Supersonic turbine design
SALİH DENİZ DEVELİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERKAN AYDER
- A Cell vertex method for 3 d inviscid internal flows
3 boyutlu viskozitesiz iç akışlar için eleman köşesi yöntemi
ERDAL OKTAY
- Generalised audio synthesis algorithm for simulating firearm and subsonic/supersonic projectiles
Atşli silahlar ve subsonik/süpersonik cephaneler için genelleştirilmiş ses sentez algoritması
TEKSİN SAKA
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolOrta Doğu Teknik ÜniversitesiOyun Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HÜSEYİN HACIHABİBOĞLU
PROF. DR. HÜSEYİN NAFİZ ALEMDAROĞLU
- Supersonic jet-wall interactions in model rocket launchers
Model roket fırlatıcılarında ses üstü jet-duvar etkileşimi
METİN UÇAK
Yüksek Lisans
İngilizce
1998
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İ. BEDRİ ÖZDEMİR
- Numerical investigation of the effects of baffle geometry and number on the flow structure and acoustics in a gun suppressor
Bir silah susturucusunda perde geometrisi ve sayısının akış yapısı ve akustik üzerindeki etkilerinin sayısal incelenmesi
EZEDIN AYALIEW YIMAM
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Makine MühendisliğiKırıkkale ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ TOLGA DEMİRCAN