Turbopompa çarkı mekanik tasarım çalışması
Turbopump impeller mechanical design study
Yazar: YUNUS TÜFEK
Danışman: PROF. DR. HİKMET KOCABAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Pompa çarkları = Pump impellers

Özet:
Sıvı yakıtlı roket motorlarında, yanma odasında yakılmak üzere depolanmış akışkanları yanma odasına aktarabilmek için besleme sistemine ihtiyaç duyulmaktadır. Akışkan depolama tanklarının basınçlandırılması prensibine dayalı sistem olan basınç beslemeli sistem ve akışkanın pompa yardımıyla basınçlandırılma prensibine dayalı olan turbopompalı besleme sistemi olmak üzere iki farklı basınçlandırma sistemi kullanılmaktadır. Yüksek basınçta yanma gerektiren sıvı yakıtlı roket motorlarında yanıcı ve oksitleyici sıvılar turbopompa yardımıyla basınçlandırılarak yanma odasına gönderilmektedir. Bu turbopompaların tasarımları  yüksek dönme hızı, yüksek basınç ve özel çalışma koşulları ihtiyacı nedeniyle endüstriyel pompalardan ve türbinlerden önemli ölçüde farklıdır. Turbopompa sistemi, pompaları tahrik etmek için gerekli gücü sağlayacak türbin, türbinin iş yapması için gereken enerjiyi sağlayacak gaz jeneratörü, yakıtları basınçlandıracak yakıt pompaları ve yardımcı bileşenlerden oluşmaktadır. Pompalar ise ana basınçlandırmayı sağlayan pompa çarkı, ön basınçlandırmayı sağlayan ön çark, akışkanın düzgün bir şekilde pompa içine girmesini sağlayan giriş manifoldu, salyangoz gövdesi ve sızdırmazlık elemanlarından oluşmaktadır.
Çarklar turbopompa verimini doğrudan etkilediğinden turbopompanın en kritik bileşenlerinden biridir. Çarklar genellikle dar, kapalı ve karmaşık akış geometrilere sahip olduğundan hidrodinamik tasarım ve  mekanik tasarım gereksinimlerini birlikte karşılayan ve gerçeklenebilen bir tasarımın oluşturulması son derece önemlidir. Bu çalışmada bir roket motoruna ait turbopompa için yanıcı pompa çarkının yekpare ve iki parçalı olacak şekilde toplamda üç farklı mekanik tasarım alternatifleri, bu alternatifler için kullanılabilir imalat yöntemleri ve tasarım kriterleri ortaya koyulmuş, statik ve modal analizleri gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın ana amacı çark imalat metodlarını ve limitasyonlarını anlayarak hidrodinamik tasarım ve mekanik dayanım gereksinimlerini karşılayan, imal edilebilir çark tasarımı oluşturmaktır. 
Döküm ile üretilebilecek yekpare çark tasarım alternatifi, sert lehim ve elektron ışın kaynağı yöntemlerine uygun olacak şekilde iki parçalı iki farklı tasarım alternatifi olmak üzere toplamda 3 faklı tasarım alternatifi oluşturulmuştur. İki parçalı tasarım alternatiflerinin elektron ışın kaynağı ile üretildiği durumda kaynak derinliği ve kaynak genişliği parametlerinin de etkilerinin gözlemlemek gerekmiştir. Bu sebeple ikinci tasarım alternatifinde bağlantı genişliğinin 2mm ve 0.75mm olduğu iki farklı analiz, üçüncü tasarımda ise bağlantı derinliğinin 1.65mm ve 0.5mm olduğu iki farklı analiz koşturulmuştur. Çark malzemesi olarak döküm, sert lehim, elektron ışın kaynağı gibi çark imalatında kullanılabilecek yöntemlerin tamamına uygun ve sıvı yakıt motorlarında kullanılan akışkanlarla kimyasal açıdan uyumlu, yüksek dayanım özelliğine sahip Inconel 718 malzemesi seçilmiştir. 
Tasarım alternatifi 1 için yapılan statik analizin birinci çözüm adımı sonucunda yalnızca hızın etkisiyle çarkın dış çap kanat bölgesinde yaklaşık 17µm değerinde maksimum radyal deplasman ve göbek diskiyle kanadın birleştiği hücum kenarı radyus bölgesinde 214MPa gerilme oluşmuştur. İkinci çözüm adımında eklenen hidrodinamik basınç etkisi ile aynı bölgedeki radyal deplasman değeri 3µm azalarak 14µm değerine, maksimum gerilme değeri ise 37MPa azalarak 177MPa değerine düşmüştür. Statik analiz sonuçlarına göre  kanat kalınlıkları ve kanat kök radyus değerleri azaltılabilir. Ayrıca daha düşük yoğunluklu malzeme alternatifleri de değerlendirilebilir. 
Basınç etkisinin deplasman ve gerilme değerlerini azaltması sebebiyle tasarım alternatifi 2 ve 3'ün statik analizleri sadece hız etkisi altında incelenmiştir. Tasarım alternatifi 2'de maksimum gerilme lokal olarak bağlantı bölgesinin hücum kenarında 2mm bağlantı genişliği için 549MPa, 0.75mm bağlantı genişliği için ise 527MPa olarak gerçekleşmiştir. Bağlantı bölgesindeki ortalama eşdeğer gerilme değerleri ise 0.75mm bağlantı genişliği için 74MPa, 2.00mm bağlantı genişliği için ise 90MPa olarak bulunmuştur. Lokal gerilme değerleri göz ardı edildiği durumda ortalama eşdeğer gerilme değerleri sert lehim ve elektron ışın kaynağı imalat yöntemlerinin her ikisi ile imal edilmeye uygun olarak değerlendirilmiştir.
Tasarım alternatifi 3'te maksimum gerilme lokal olarak bağlantı bölgesinin hücum kenarında 1.65mm bağlantı bölgesi genişliği için 467MPa, 0.5mm bağlantı genişliği için ise 506MPa olarak gerçekleşmiştir. Bağlantı bölgesindeki ortalama eşdeğer gerilme değerleri 0.50mm ve 1.65mm bağlantı derinliği için sırasıyla 225MPa ve 105MPa olarak bulunmuştur. Lokal gerilme değerleri göz ardı edildiği durumda ortalama eşdeğer gerilme değerleri elektron ışın kaynağı imalat yöntemi ile imal edilmeye uygun olarak değerlendirilmiştir.
Tasarım alternatiflerinin doğal frekans değerlerini belirlemek için %109 şaft hızında modal analizler koşturulmuştur. Elde edilen frekans değerlerine göre Campbell diyagramı oluşturulmuşturulmuş ve frekans majları hesaplanmıştır. 12. engine order'a göre doğal frekans marjları tasarım alternatifi 1 için %78, tasarım alternatifi 2 için %72 ve %75, tasarım alternatifi 3 için ise %23 ve %16 olarak hesaplanmıştır. Bu değerler titreşim tasarım kriterinde belirtilen minimum %10 marj değerinden büyüktür ve uygundur.
Tasarım alternatiflerindeki bağlantı genişliği ve bağlantı derinliği değişimleri çarkın doğal frekans değerlerini değiştirmiştir. Bağlantı genişliğindeki değişim doğal frekans değerlerini tasarım alternatifi 2'de en fazla %1.7 oranında değiştirmiştir. Tasarım alternatifi 3'teki bağlantı derinliğindeki değişim ise doğal frekans değerlerini ortalama %6 oranında değiştirmiştir.

Abstract:
In liquid propellant rocket engines, the reliable and efficient transfer of fluids from the storage tanks to the combustion chamber is of paramount importance. To accomplish this, two primary pressurization systems are utilized: the pressure fed system and the turbopump feeding system. The pressure fed system involves pressurizing the fluid storage tanks directly, while the turbopump feeding system utilizes a pump to pressurize the fluid and deliver it to the combustion chamber. For liquid propellant rocket engines requiring high-pressure combustion, the turbopump system proves to be a crucial component. This system pressurizes fuel and oxidizing liquids with the help of a specialized turbopump, ensuring a continuous flow of propellants into the combustion chamber. However, designing and constructing such turbopumps are highly intricate processes, as they must accommodate exceptionally high rotational speeds, handle high-pressure conditions, and operate under unique and demanding circumstances.
The turbopump system is an intricate assembly of various components, each playing a vital role in its smooth operation. These components include the turbine, which harnesses the necessary power to drive the pumps; the gas generator, which generates the required energy for the turbine to function; the fuel pumps, responsible for effectively pressurizing the propellants; and several auxiliary elements. Among these components, the impellers stand out as one of the most critical elements in turbopump design, as their efficiency directly influences the overall performance of the system. Given their narrow, closed, and complex flow geometries, designing impellers that not only meet hydrodynamic design requirements but also fulfill mechanical design criteria is an exceptional challenge.
To address these challenges, a comprehensive study was undertaken to explore manufacturing methods and design criteria for the combustible pump impeller used in a specific rocket engine's turbopump. A literature search was conducted on impeller manufacturing methods and detailed information on casting, brazing and welding was given. For the mechanical design of the impeller, axial retension, pilotting, fatigue margin, fillet radius and surface texture, speed, clearances, vibration and burst criteria were emphasized.
The study involved conducting mechanical design, static analysis, and modal analysis to gain valuable insights into impeller manufacturing techniques, constraints, and the development of a manufacturable impeller design that meets stringent hydrodynamic and mechanical strength requirements.
Three distinct design alternatives were meticulously developed and evaluated. The first design alternative comprised a one-piece impeller design, feasible for production through casting. Additionally, two two-piece design alternatives were introduced, with each designed to be compatible with brazing and electron beam welding methods. When employing the electron beam welding method for the two-piece designs, extensive analyses were conducted to observe the effects of weld depth and width parameters. Specifically, the second design alternative was subjected to analyses with connection widths of 2mm and 0.75mm, while the third design alternative involved analyses with connection depths of 1.65mm and 0.5mm.
The material of choice for the impeller was Inconel 718, renowned for its exceptional strength properties and chemical compatibility with the fluids utilized in liquid propellant engines. Inconel 718 boasts versatility, as it can be effectively employed in various impeller manufacturing techniques, including casting, brazing, and electron beam welding.
At the static analysis for the design alternative 1, the initial solution step revealed a maximum radial displacement of approximately 17µm in the outer diameter blade region of the impeller. Furthermore, a stress of 214MPa was identified in the region where the hub disc and the blade intersected at the leading edge radius. Notably, these effects were solely attributable to speed. However, the subsequent solution step, incorporating the hydrodynamic pressure, yielded promising outcomes. The radial displacement value in the same region decreased by 3µm to 14µm, while the maximum stress value saw a significant decrease to 177MPa, representing a reduction of 37MPa. The static analysis results provided valuable guidance, suggesting the possibility of reducing blade thicknesses and blade root radius values while also considering lower-density material alternatives.
In the case of design alternatives 2 and 3, the static analyses focused solely on the effects of velocity, as pressure effects were observed to reduce displacement and stress values. For design alternative 2, maximum stress values were determined at the leading edge of the joint area, with 549MPa for a 2mm joint width and 527MPa for a 0.75mm joint width. The average equivalent stress values in the joint area were 74MPa and 90MPa for the 0.75mm and 2.00mm joint widths, respectively. Importantly, disregarding the maximum local stress values because of discontinuity on the geometry, the average equivalent stress values were deemed suitable for fabrication using both brazing and electron beam welding methods.
Similarly, in design alternative 3, maximum stress values were identified at the leading edge of the joint area, measuring 467MPa for a 1.65mm joint depth and 506MPa for a 0.5mm joint depth. The mean equivalent stress values in the joint area were determined to be 225MPa and 105MPa for 0.50mm and 1.65mm joint depths, respectively. Once again, when maximum local stress values were not considered because of discontinuity on the geometry, the average equivalent stress values indicated the feasibility of manufacturing the impeller using the electron beam welding method.
Modal analyzes were run at a shaft speed of 109% to determine the natural frequencies of the design alternatives. According to the frequency values obtained, the Campbell diagram was created and the frequency magnitudes were calculated. According to the 12th engine order, natural frequency margins were calculated as 78% for design alternative 1, 72% and 75% for design alternative 2, and 23% and 16% for design alternative 3. These values are greater than the minimum 10% margin value specified in the vibration design criteria.
Apart from stress and displacement considerations, modifications in joint width and depth were found to impact the natural frequency values of the impeller. The change in the connection width changed the natural frequency values by a maximum of 1.7% in design alternative 2. The change in connection depth in design alternative 3, on the other hand, changed the natural frequency values by 6% on average. The effect of joint width and joint depth changes in design alternatives on the natural frequency values of the impeller should be considered. 
The study extensively explored manufacturing methods and design criteria for the combustible pump impeller of a turbopump used in a rocket engine. Through mechanical design, static analysis, and modal analysis, valuable insights were obtained, enabling the development of manufacturable impeller designs that fulfill hydrodynamic design requirements and exhibit robust mechanical strength. The findings emphasized the significance of impeller design in achieving optimal turbopump performance, considering the intricate flow geometries and demanding operating conditions. The study's outcomes provide a solid foundation for advancing impeller manufacturing techniques, enhancing rocket engine performance, and driving innovation in liquid propellant rocket technology.