ISBN 9783843955812

978-3-8439-5581-2, Reihe Raumfahrt

Lucrezia Veggi
Auslegung und numerische Untersuchungen von Turbopumpenkomponenten für Flüssigkeitsraketentriebwerke

248 Seiten, Dissertation Technische Universität München (2024), Softcover, B5

Zusammenfassung / Abstract

Getrieben durch die zunehmende Privatisierung der Raumfahrt und die wachsende Aktivität auf dem Trägersystemmarkt werden Entwicklungsansätze notwendig, die ein hohes Maß an Kontrolle über den Entwicklungsprozess kritischer Systeme von Raumfahrzeugen ermöglichen. Daraus entsteht u.a. ein Bedarf nach integrierten Auslegungswerkzeugen, die die Entwicklung von Turbopumpen als Gesamtsystemen abbilden. Die vorliegende Arbeit leistet dazu einen Beitrag, indem die Architektur und erste Module für die Pumpenseite eines solchen Werkzeugs vorgestellt werden. Die Auslegungslandschaft deckt den Prozess von ersten Grobdimensionierungen über dreidimensionale Schaufelauslegungen bis hin zu detaillierten Strömungsanalysen der entworfenen Geometrien ab. Das entwickelte 1D-Auslegungstool TUMPA ermöglicht erste Leistungsrechnungen sowie die Vorauslegung der Turbopumpenkomponenten. Das Auslegungsverfahren basiert auf der Lumped Parameter-Methode und auf 1D-Mittelschnittsrechnungen. Die Hauptabmessungen der Komponenten werden mithilfe von empirischen Korrelationen und Annahmen ermittelt. Um fundierte Annahmen zu treffen, wurden in TUMPA Empfehlungen formuliert, die auf publizierten Erfahrungen und selbstgewonnen Erkenntnissen basieren. Mit TUMPA wurde eine gesamte LOX Pumpe für ein fiktives 120 kN LOX/LH2 Raketentriebwerk ausgelegt. Die rotierenden Pumpenkomponenten wurden mithilfe von RANS Simulationen einzeln untersucht. Während des iterativen Entwurfsprozesses wurden Parameterstudien durchgeführt, um den Einfluss von einzelnen Geometrieparametern auf die Leistung, die Strömungsphänomene und das Kavitationsverhalten zu analysieren und zu quantifizieren. Für die Simulationen unter kavitierenden Bedingungen wurden die Parameter des Zwart-Modells für kroygene Fluiden wie Flüssigstickstoff und -sauerstoff kalibriert. Die gesamte Pumpe wurde numerisch untersucht.