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
Yazar: MUHAMMED BATUHAN KÖROĞLU
Danışman: PROF. DR. SEYHAN ONBAŞIOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Yazılım araçları, mühendislik çalışmalarında önemli bir rol oynar. Bu araçlar, projelerin daha efektif ve etkin bir şekilde yönetilmesine, tasarım ve geliştirme sürecinin daha hızlı ve verimli hale getirilmesine ve sonuç olarak da ürünlerin daha kaliteli hale getirilmesine yardımcı olur. Yazılım araçları, projelerin planlanması, tasarımı, geliştirilmesi, test edilmesi, dağıtılması ve bakımı gibi birçok farklı aşamada kullanılabilir. Örneğin, bir projenin planlaması sırasında, yazılım araçları kullanılarak projenin öncelikleri belirlenebilir, tasarımı yapılırken ise yazılım araçları yardımıyla tasarımın daha iyi anlaşılması ve değiştirilmesi kolaylaştırılabilir. Yazılım araçlarının önemi, mühendislik çalışmalarının çeşitliliğine ve büyüklüğüne göre değişebilir. Örneğin, küçük çaplı projelerde yazılım araçlarının kullanımı daha az gerekirken, büyük çaplı projelerde bu araçların kullanımı oldukça yaygındır ve projenin başarısının önemli bir parçasıdır. Mühendislik yazılım araçları genel olarak ikiye ayrılabilir. Birincisi ücretli paket yazılımları, ikincisi ise açık kaynaklı ücretsiz yazılımlar.
Ücretli mühendislik paket yazılımları, genellikle kuruluşlar ve bireyler tarafından satın alınan, özel olarak tasarlandığı için desteklenen yazılımlardır. Bu yazılımlar, genellikle profesyonel kullanım sebebiyle tasarlandığı için çok işlevseldir ve geniş özellikler sunar. Ancak, bu yazılımların bir dezavantajı, yüksek maliyetli olabilmesidir.
Açık kaynaklı mühendislik yazılımları, herkes tarafından ücretsiz olarak kullanılabilen, kaynak kodları açık olarak paylaşılan yazılımlardır. Bu yazılımlar genellikle topluluk tarafından geliştirilir ve düzenlenir ve çeşitli platformlarda çalışabilir. Açık kaynaklı yazılımların bir avantajı, maliyetlerinin ücretsiz olmasıdır. Ayrıca, bu yazılımların kaynak kodları açık olduğu için, kullanıcılar tarafından özelleştirilebilir ve geliştirilebilirler. Ancak, açık kaynaklı yazılımların bir dezavantajı, genellikle profesyonel destek olmayabilir ve özelliklerinin ücretli yazılımlara göre daha sınırlı olabilir.
Sıvı yakıtlı turbopompa beslemeli roket motorları, uzay araçlarının ve balistik füzelerin hareketine sağladığı güç için kullanılan önemli bir mühendislik sistemidir. Bu tip roket motorlarının tasarımı, üretimi ve işletilmesi, çok sayıda farklı mühendislik disiplinini içerir ve yazılım araçlarının etkin bir şekilde kullanılması bu süreci daha verimli hale getirir. Yazılım araçları, sıvı yakıtlı turbopompa beslemeli roket motorlarının tasarımı ve geliştirilmesi sürecinde önemli bir rol oynar. Örneğin, yazılım araçları kullanılarak roket motorunun tasarımının 3D modellemesi yapılabilir, mekanik ve termal yüklerin analizi yapılabilir ve tasarım değişikliklerinin etkisi incelenebilir. Ayrıca, yazılım araçları kullanılarak roket motorunun performansının simülasyonu yapılabilir ve bu sayede motorun nasıl çalışacağı önceden tahmin edilebilir.
Sıvı yakıtlı turbopompa beslemeli roket motorlarının performansı, roketin hareketini ve gücünü belirleyen önemli bir faktördür ve bu nedenle performans tahmini yapmanın önemi büyüktür. Performans tahmini, sıvı yakıtlı turbopompa beslemeli roket motorlarının tasarımı ve geliştirilmesi sürecinde önemli bir aşamadır. Örneğin, performans tahmini yapılarak, roket motorunun alt elemanlarının sisteme etkileri hesaplanabilir ve bu sayede tasarım değişikliklerinin etkisi incelenebilir. Bu sebeple roket motorunun alt sistemlerinin de performans değerlerinin önceden tahmin edilmesi ve doğrulanması önem arz eder.
Bu tez kapsamında sıvı yakıtlı turbopompa beslemeli roket motorlarında kullanılmak üzere tasarlanan kriyojenik pompanın meridyenel eksendeki 1 boyutlu tasarım aracı ve bu pompaya ait çarkın parametrik Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) dayanaklı geometri optimizasyon aracı geliştirilmiştir. 
Pompa 1 boyutlu tasarım aracı "python" dilinde nesne tabanlı geliştirilmiş olup hacimsel debi, basma yüksekliği ve dönme hızı gibi performans parametreleri ile şaft çapı, kanat kalınlığı gibi yapısal/mekanik limitleri girdi alarak çalışır. Bu araç, girdi verilerini değerlendirerek önceden belirlenmiş kurallara göre yine önceden belirlenmiş pompa konfigürasyonlarına karar verir. Bu konfigürasyonlar, tek kademeli pompa, çift kademeli pompa, önçarklı tek kademeli pompa ve önçarklı çift kademeli pompa olmak üzere 4 adettir. Nesne tabanlı programlanmış olmasının verdiği avantaj ile çark, önçark ve salyangoz gibi alt eleman nesnelerinin, giriş ve çıkışlarındaki geometrik büyüklükleri ve performans değerlerini hesaplar. 
Çark parametrik geometri optimizasyon aracı, birden fazla açık kaynaklı yazılımın birlikte çalıştırıldığı çark geometrisini sabit sınır koşullarında ve seçilen parametreler üzerinden optimize eden python dilinde yazılmış komutlar bütünüdür. Bu aracın optimizasyon aşaması Sandia National Laboratories tarafından geliştirilen açık kaynaklı Dakota optimizasyon ve belirsizlik analizi yazılımı kullanılmıştır. Bu yazılım, başlangıç girdi parametrelerini kullanarak tanımlanan fonksiyonu çalıştırır ve çıktı parametrelerini, bünyesinde barındırdığı seçim yöntemleri ile bir sonraki girdi parametrelerini belirlemede kullanır. Bu şekilde belirtilen hedefe ulaşana kadar iterasyona devam eder.
Optimizasyon aracında fonksiyon olarak belirtilen yapı, çarkın 1 boyutlu tasarımını girdi kabul ederek çarkın 3 boyutlu geometrisini oluşturur, 3 boyutlu geometri ile hesaplama ağını hazırlar, bu hesaplama ağı ile Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizi yaparak çark verimini çıktı olarak yazar. Kısaca bu yapı, çarkın 1 boyutlu analizini, HAD analizi dayanaklı verime dönüştüren bir fonksiyon olarak tanımlanabilir. Bu fonksiyonun ilk aşmasında python ortamında çarkın 3 boyutlu yüzeyleri oluşturulur ve Stereolitografi (STL) formatında yazdırılır. Hesaplama ağı oluşturucu olarak açık kaynaklı OpenFOAM yazılımı dahilinde olan "snappyHexMesh" aracı kullanılmıştır. HAD analizi, benzer şekilde OpenFOAM yazılımı dahilinde k-$\omega$ SST (Shear Stress Transport) turbülans modeli ile pasaj geometrisi kullanılarak çözülmüştür. 
Sonuç olarak, bu çalışmada performans gereksinimleri verilen bir pompanın 1 boyutlu tasarım aracı geliştirilmiştir ve literatürdeki benzer sistemlerde kullanılan pompalar ile kıyaslanmıştır. Devamında, tasarlanan pompa çarkı, geliştirilen parametrik HAD analizi dayanaklı geometrik optimizasyon aracı ile en iyilenmiştir.

Abstract:
Software tools are an integral part of engineering projects. They aid in the more effective and efficient management of projects, streamline the design and development process, and ultimately result in higher-quality products. These tools can be utilized at various stages of a project, such as planning, design, development, testing, deployment, and maintenance. For example, software tools can be used to set priorities during the planning phase of a project and facilitate the understanding and modification of the design during the design phase. The significance of software tools may vary depending on the size and complexity of the engineering work being done. For instance, the use of software tools may be less critical for small-scale projects, whereas they are widely employed and crucial for the success of large-scale projects. Engineering software tools can generally be classified into two categories: proprietary software and open-source software.
Proprietary engineering software packages are commercially purchased and supported software that is specifically designed for professional use. These software programs are usually feature-rich and highly functional due to their professional design, providing a wide range of tools and capabilities to assist in engineering work. However, a disadvantage of proprietary software is that it may be expensive, especially for larger organizations or individuals with multiple software needs. This can be a significant barrier to entry, especially for smaller businesses or individual users with limited budgets.
Open-source engineering software is freely available software that shares its source code openly. These software programs are often developed and maintained by a community of users and developers and can work on various platforms. An advantage of open-source software is that it is free of cost, making it accessible to anyone who wants to use it. Additionally, because the source code is open, users can customize and develop the software to fit their specific needs and requirements. This allows for a high level of flexibility and adaptability, as users can make changes and improvements to the software as needed. However, a disadvantage of open-source software is that it may not have professional support, as it is typically not developed by a single company or organization. As a result, users may have to rely on community support or their own knowledge and resources to troubleshoot issues or resolve problems. Additionally, open-source software may have more limited features compared to proprietary software, as it may not receive the same level of investment and resources in development.
Liquid-propellent turbopump-fed rocket engines are a vital engineering system used to provide the power for the movement of spacecraft and ballistic missiles. The design, production, and operation of these rocket engines involve many different engineering disciplines, and the effective use of software tools can greatly improve the efficiency of this process. Software tools have a significant role in the design and development of liquid-propellent turbopump-fed rocket engines. They can be used to create 3D models of the rocket engine design, allowing for the visualization and analysis of the engine's components and their interactions. Software tools can also be used to perform mechanical and thermal load analysis, which helps to identify potential issues and optimize the design for the operating conditions of the rocket. Additionally, software tools can be used to study the impact of design changes, allowing for the optimization of the rocket engine's performance and reliability.
The performance of liquid-propellent turbopump-fed rocket engines is a critical factor that determines the movement and power of the rocket. As a result, predicting the performance of these engines is crucial in the design and development process. Performance prediction allows for the calculation of the impact of the rocket engine's subcomponents on the system, helping to optimize the design and ensure that it meets the required performance and reliability specifications. Additionally, performance prediction allows for the identification of potential issues and the development of solutions to address them. This can help to reduce the risk of failures or malfunctions during operation, improving the safety and reliability of the rocket engine. The prediction and verification of the performance values of the rocket engine's sub-systems is also important, as it ensures that the engine's components are functioning properly and meet the required specifications.
In the scope of this thesis, a one-dimensional design tool and a parametric Computational Fluid Dynamics (CFD)-based geometry optimization tool for the impeller of a cryogenic pump intended for use in liquid-fueled turbo pump-fed rocket engines have been developed. 
The one-dimensional design tool was developed using the "python" programming language and is object-oriented. It takes input such as performance parameters, including volumetric flow rate, head, and rotational speed, as well as structural/mechanical limits, such as shaft diameter and blade thickness. The tool evaluates the input data and decides on one of four predetermined pump configurations based on predetermined rules: a single-stage pump, a double-stage pump, a single-stage pump with an inducer, or a double-stage pump with an inducer. Object-oriented programming allows the tool to calculate the geometric dimensions and performance values of subcomponents such as the impeller, inducer, and volute at the inlet and outlet locations.
The parametric geometry optimization tool for the impeller is a set of Python commands that optimize the impeller geometry within fixed boundary conditions and selected parameters. The optimization stage of this tool uses the open-source Dakota optimization and uncertainty analysis software developed by Sandia National Laboratories. This software runs a defined function using the initial input parameters and uses the output parameters to determine the next input parameters using the optimization methods it contains. It continues to iterate until the specified goal is reached.
The function specified in the optimization tool takes the one-dimensional design of the impeller as input, creates the three-dimensional geometry of the impeller, prepares a computation mesh using this three-dimensional geometry, and writes the efficiency of the impeller as output using Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis. This structure can be defined as a function that converts the one-dimensional analysis of the impeller into a CFD-based efficiency of the impeller. In the first step of this function, the three-dimensional surfaces of the impeller are created in a Python environment and printed in Stereolitografi (STL) format. The open-source "snappyHexMesh" tool in the OpenFOAM software is used as a mesh generator. The CFD analysis is similarly solved using the k-$\omega$ SST (Shear Stress Transport) turbulence model with the passage geometry in the OpenFOAM software.
In this study, a one-dimensional design tool for a pump has been developed and compared with pumps used in similar systems in the literature. The design tool, implemented in the Python programming language, considers performance parameters such as volumetric flow rate, head, and rotational speed, as well as structural and mechanical constraints such as shaft diameter and blade thickness, to generate pump configurations that satisfy the input constraints. The pump configurations include single-stage pumps, double-stage pumps, single-stage pumps with a prefilter, and double-stage pumps with a prefilter. The design tool also calculates the geometric dimensions and performance values of the pump's sub-components, such as the impeller, prefilter, and volute, using object-oriented programming.
In addition, a parametric CFD-based geometry optimization tool has been developed to optimize the design of the pump impeller under fixed boundary conditions and selected parameters. The optimization tool uses the Dakota optimization and uncertainty analysis software developed by Sandia National Laboratories to iteratively improve the performance of the impeller by adjusting the input parameters and minimizing a target objective function. The objective function converts the one-dimensional analysis of the impeller into the efficiency of the impeller based on CFD analysis, which is performed using the k-$\omega$ SST (Shear Stress Transport) turbulence model and the passage geometry in the OpenFOAM software.
To summarize, the one-dimensional design tool and the parametric CFD-based geometry optimization tool have been developed and applied to improve the design of a pump impeller with given performance requirements.