شبيه‌ سازي ديناميك توربوپمپ موتور سوخت مايع همراه با اثر مسيرهاي هيدروليك دروني پمپ

Dynamic simulation of the LPRE turbopump with considering the internal hydraulic flows of the pump

رفتار ديناميكي پارامترهاي هيدروليكي جريان در رژيم گذراي عملكردِ توربوپمپ موتورهاي سوخت مايع، متاثر از عوامل متعددي است. در اين مقاله، عواملي چون؛ اينرسي پمپ‌ها، موازنه‌ي توان پمپ‌ها با توربين، افزايش دماي سيال هنگام عبور از پمپ و تغيير بازده با تغيير دور توربوپمپ شبيه‌سازي شده‌اند. نخستين بار، پرشدگي مسيرهاي اصلي پمپ و همچنين پرشدگي مسيرهاي هيدروليكي دروني پمپ نيز، در كنار معادلات اصلي پمپ، شبيه‌سازي و به‌كارگيري شده‌اند. اين شبيه‌سازي با نوشتن معادلات ديفرانسيل حاكم بر هر عامل، كوپل كردن كليه‌ي معادلات و سپس حل مساله به روش حجم محدود در نرم‌افزار سيمولينك متلب انجام شده است. نتايجِ مدل رياضيِ حاصل با داده‌هاي تجربيِ‌ يك توربوپمپ واقعي مقايسه شده و نشان داده شده كه در صورتي كه اثر مسيرهاي هيدروليكي دروني پمپ، در نظر گرفته نشود، «زمان تاخير استارت توربوپمپ» تطابقي با نتايج ندارد و با اعمال اين اثر، تطابق مناسب و قابل قبولي برقرار مي‌شود. هم‌چنين نشان داده شده است كه با افزايش مقاومت و اندوكتانس مسير درونيِ پمپ، مي‌توان زمان تاخير استارت را تغيير داد و از آن به عنوان پارامتر بهينه‌ كردن فرايند استارت موتور استفاده نمود.

Dynamic character of the hydraulic parameters in the transient operating regime of the liquid propellant rocket engine (LPRE) depends on many factors. In this paper some of these factors such as pump inertia, power balance of pumps with turbine, temperature rise of working fluid in pump passages and variation of pump efficiency with the turbopump rotational speed are simulated. For the first time, filling of the inlet main pipeline and filling of the internal hydraulic channels of pump along with main pump equations are also simulated. To achieve this purpose, governing differential equations of each factor are derived, coupled with each other, and then solved by means of Finite Volume method in Simulink-MATLAB software. Results of this mathematical model are compared with experimental data of a real turbopump and shown that, without considering the internal hydraulic channels of the pump, “the delay time of the turbopump” is not matched with real results, but by taking the mentioned hydraulic effects into consideration, acceptable agreement would be achieved. Also shown, by changing the resistance and inductance values of internal channels of pump, the settling time of turbopump could be changed, and used as a good factor to optimize the LPRE start process.