Centrifugal Turbopumps - Flow Physics and Modelling

Abstract

Choices made in the early stages of a design process are crucial. They dictate many of the limitations and freedoms the designer has in later stages of the design. Informed decisions are therefore crucial at this stage. With the increasing computational power of modern computers, more and more designers utilise CFD software to design and evaluate performance of turbopumps. The simulations allow the designer to visualise intricate flow patterns and simulate effects of advanced 3D geometry. However, even with modern computers, CFD simulations are relatively slow and should, therefore, mainly be used to improve an already decent design.

Centrifugal pumps are complicated, and in order to perform fast calculations the flow is modelled in a simplified fashion. Analogies from the field of centrifugal compressors are utilised since research within this field has progressed further in certain areas. Generally, the flow in radial turbomachinery is not well understood, and many empirical correlations are still in use, at least in open literature. An extensive literature review has been made, detailing the flow through the pump. Ways to model these flows are presented and discussed.

The main aim of this degree project is to develop a computer-program for the early stages of new centrifugal turbopump development. In order to develop this software, the flow physics of a centrifugal pump has been studied and broken down in a way that allows the vital parts to be easily implemented in computer code. The developed tool achieves its main purpose, being able to quickly deliver a preliminary design with analysis regarding off-design performance.

The software developed from these models allows generation of a preliminary design, from specified design criteria, in less than a second. The program has been validated against a similar, commercial, program, with satisfactory results. All geometry created within the software can also be analysed in off-design, i.e. varied mass-flow and rotational speed. Another aspect regarding off-design is the stable operating-range, which is included in the analysis.

Abstract (Swedish)

Val som görs tidigt i en designprocess kan vara avgörande. De dikterar många av de begränsningar och friheter som konstruktörer har i senare skeden av processen. Informerade beslut är därmed viktiga i detta skede. Med den ökande beräkningskraften hos moderna datorer använder fler och fler konstruktörer CFD-programvara för att utforma och utvärdera prestanda hos turbopumpar. Simuleringarna gör det möjligt för konstruktören att visualisera invecklade flödesmönster och simulera effekter av avancerad 3D-geometri. Även med moderna datorer är CFD-simuleringar relativt långsamma och bör därför huvudsakligen användas för att förbättra en befintlig design.

Centrifugalpumpar är komplicerade och för att kunna göra snabba beräkningar behöver flödet modelleras på ett förenklat sätt. Analogier från centrifugalkompressorer har
använts eftersom forskningen har kommit längre där i vissa avseenden. Flödet i radiella turbomaskiner saknar en tydlig beskrivning, och många empiriska samband används
fortfarande, åtminstone i allmänt tillgänglig litteratur. En omfattande litteraturstudie har genomförts, i vilken flödet genom pumpen beskrivs. Alternativ för att modellera dessa flöden presenteras och diskuteras.

Huvudsyftet med detta examensarbete är att utveckla ett datorprogram för de tidiga stadierna i utformningen av en ny centrifugal turbopump. För att utveckla denna programvara har flödesfysiken för en centrifugalpump studerats och förenklats på ett sätt som möjliggjort implementering i datorkod. Programmet uppnår sitt huvudsyfte, att snabbt kunna leverera en preliminär design med analys av prestanda vid varierande
massflöden och rotationshastigheter.

Programvaran som utvecklats från dessa modeller möjliggör generering av en preliminär design, från specificerade designkriterier, på mindre än en sekund. Programmet har validerats mot ett liknande, kommersiellt, program med tillfredsställande resultat. All geometri som skapas i programvaran kan även analyseras vid olika operationspunkter. Ytterligare en aspekt som utvärderas är vilka operationspunkter som ligger inom det stabila arbetsområdet.

Popular Abstract

During the 15th and 16th century mankind started exploring Earth. She sought out riches on far-away shores and thus required ships that could travel the oceans. The shipbuilders of the day had to develop new concepts in order for these vessels to withstand the voyage. Progress was made. This progress increased rapidly during the 18th and 19th century through marvellous engineering breakthroughs such as the piston-, and steam engine that paved the way for more daring explorations onto shores even farther away.

It lies in our nature to seek out the unknown and find answers to questions that trouble our minds. We are a curious specie and as such we cannot hinder progress - nor should we. In the 1950s we resumed our obsession for exploration and a new shore had emerged. Space. John F. Kennedy said: "We choose to go to the Moon in this decade and do the other things, not because they are easy, but because they are hard...". He captured the essence of engineering and what mankind is all about.

Space is still our frontier as far as exploration goes. In recent years, travelling to other planets is viewed by some as a calling. Some go as far as saying it is our destiny as a specie. Leaving Earth’s atmosphere is no simple feat and requires shuttles with engines capable of immense thrust and power. These are known as rocket engines and lie at the forefront of engineering. At the heart of the rocket lies the turbopump, a centrifugal machine capable of high rotational speeds and flows. If we want to explore space and find the next shore, we will need advanced turbo-pumps. The task of developing a turbopump can seem daunting and good design tools are needed.

Developing a design tool able to capture the advanced flows with turbopumps require knowledge and experience within the field of fluid dynamics. The thesis accompanying this text serves as an introduction as well as a deep-dive into models and flow phenomena in turbopumps. More specifically, centrifugal pumps.

A new age of exploration is upon us and who knows what the consequences may. Will space-travel further our knowledge of the universe or will we spend a vast amount of Earths resources chasing dreams? It may be that the development of turbo-pumps will actually help us back here on Earth. There are many similarities between turbo-pumps and regular pumps used in the electric power generation and industry. An expected 20% of the electricity produced is spent pumping water. If these pumps can be replaced with more efficient ones, created with the knowledge gained from turbo-pump development, it will be a significant step in the combat of climate change.

Popular Abstract (Swedish)

Under 1400- och 1500-talet började mänskligheten utforska jorden. Hon sökte rikedomar i fjärran och behövde därmed fartyg som kunde klara långa sträckor till havs. Dåtidens skeppsbyggare utvecklade nya koncept för att bygga dessa skepp vilket ledde till nya framsteg. Utvecklingen ökade snabbt under 1700- och 1800-talet med fantastiska tekniska genombrott som t.ex. kolv- och ångmotorn som banade väg för djärvare utforskningar.

Det ligger i vår natur att utforska det okända och hitta svar på våra frågor. Vi är en nyfiken art och som sådan bör vi inte hindra framsteg. På 1950-talet återupptog vi vår besatthet för utforskning och en ny dörr hade öppnats. Rymden. John F. Kennedy sa: We choose to go to the Moon in this decade and do the other things, not because they are easy, but because they are hard...". Han fångade ingenjörskonstens kärna och vad mänskligheten kan åstadkomma.

Det är fortfarande rymden som vi håller på att utforska. Under de senaste åren har resor till andra planeter börjat bli en upprepad realitet. Vissa går så långt som att säga att det är vår arts öde att bilda kolonier på andra planeter. Att lämna jordens atmosfär är ingen enkel bedrift och kräver raketer med motorer som har enorm kraft och effekt. Dessa raketmotorer ligger i framkant av dagens teknik. I hjärtat av raketen hittar man en turbopump, ofta en centrifugalmaskin, som har höga rotationshastigheter och flöden. Om vi vill fortsätta utforska rymden behöver vi turbopumpar som är än mer avancerade. Uppgiften att utveckla en turbopump kan verka omöjlig och det behövs därför bra designverktyg.

Att utveckla ett designverktyg som kan beskriva de avancerade flödena i turbopumpar kräver kunskap och erfarenhet inom fluidmekanik. Uppsatsen som medföljer denna text fungerar som en introduktion till, och en djupdykning i, modeller och flödesfenomen i centrifugala turbompumpar.

En ny era av utforskning ligger framför oss och vem vet vilka konsekvenser det kan få. Kommer rymdresor att öka vår kunskap om universum eller kommer vi att spendera en stor mängd av jordens resurser till att jaga drömmar? Det kan vara så att utvecklingen av turbopumpar faktiskt kan hjälpa oss här nere på jorden. Det finns många likheter mellan turbopumpar och vanliga pumpar som används i elproduktion och industri. En uppskattning är att 20 % av den el vi producerar går åt till att pumpa vatten. Om dessa pumpar ersätts av pumpar med högre verkningsgrad, skapade med kunskapen från turbopumpens utveckling, är det ett viktigt steg i kampen mot klimatförändringarna.

• author: Eriksson, Carl and Henåker, Hampus
• supervisor: Magnus Genrup
• organization: Department of Energy Sciences
• course: MVKM01 20211
• year: 2021
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Centrifugal Pumps, Rocket Science, Turbopumps, Two-Zone Model, Impeller, Vaneless Diffuser, Vaned Diffuser
• report number: LUTMDN/TMHP-21/5485-SE
• ISSN: 0282-1990
• language: English
• id: 9063653
• date added to LUP: 2021-08-26 13:56:41
• date last changed: 2021-08-26 13:56:41