Study on the shape optimization of a slitted inducer in a turbopump for liquid rocket

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The turbopump is one of the most critical components of a liquid rocket, responsible for supplying fuel and oxidizer to the combustion chamber at high pressure. Since the turbopump generates high pressure through high-speed rotation, cavitation is inevitable. To suppress this phenomenon, an inducer is typically installed at the inlet of the turbopump. However, the inducer itself cannot be completely free from cavitation. Moreover, with the recent trend toward developing high-performance liquid rockets, it is essential for the inducer to maintain stable performance even under extreme operating conditions. This study performed a slit-type inducer geometry optimization to suppress rotating cavitation, which is the most destructive form of cavitation in a liquid rocket turbopump inducer, and to enhance its suction performance simultaneously. Numerical analyses were conducted using the commercial CFD software ANSYS CFX 2024 R1, based on the three-dimensional RANS equations, and the Rayleigh–Plesset model was applied to accurately analyze cavitation behavior. First, under non-cavitation conditions, the effects of slit angle, depth, and width on suction performance were evaluated to investigate how the geometric parameters influence the internal flow characteristics. Subsequently, at the design flow rate condition, the cavity symmetry for each geometric variation was compared to identify the range of slit geometries in which rotating cavitation does not occur. In the next step, optimization was carried out to maximize suction performance, applying the DoE, RSM, and Screening technique to determine the optimal combination of slit design parameters. As a result of the optimization, an optimal geometry was derived that achieved approximately 2.79% improvement in suction performance compared to the baseline model, while no occurrence of rotating cavitation was observed. Furthermore, the relative error between the predicted and calculated values was found to be 0.03%, demonstrating the high reliability of the proposed analysis and optimization methodology. In conclusion, this study presents a geometry optimization methodology for slit-applied inducers, providing an effective design guideline for simultaneously improving cavitation stability and suction performance in turbopumps. The proposed approach is expected to contribute to the performance enhancement and technological advancement of next-generation Korean launch vehicle turbopump development.

국문 초록 (Abstract)

터보펌프는 액체로켓의 핵심 구성요소로서, 연료와 산화제를 고압으로 연소실에 공급하는 역할을 수행한다. 이러한 터보펌프는 고속 회전을 통해 높은 압력을 생성하기 때문에, 캐비테이션의 발생을 피할 수 없으며, 이를 억제하기 위해 일반적으로 터보펌프 전단에 인듀서 가 설치된다. 그러나 인듀서 또한 캐비테이션 현상에서 완전히 자유로울 수 없으며, 특히 최근의 고성능 액체로켓 개발 추세에 따라 인듀서는 더욱 극한의 운전 조건에서도 안정적인 성능을 유지해야 한다. 본 연구는 액체로켓용 터보펌프 인듀서에서 발생하는 캐비테이션 중 가장 치명적인 형태인 로테이팅 캐비테이션을 억제하고, 동시에 흡입 성능을 향상시키기 위해 슬릿을 적용한 인듀서 형상 최적화를 수행하였다. 수치해석은 상용 유동해석 프로그램인 ANSYS CFX 2024 R1을 이용하였으며, 3차원 RANS 방정식을 기반으로 하고, Rayleigh–Plesset 모델을 적용하여 캐비테이션 거동을 정밀하게 해석하였다. 우선, 비공동 조건에서 슬릿의 각도, 깊이, 너비 변화에 따른 흡입 성능을 평가하여, 형상 변수가 유동 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 이후 설계유량 조건에서 각 형상 변수 변화에 따른 기포 대칭성을 비교함으로써, 로테이팅 캐비테이션이 발생하지 않는 형상 범위를 규명하였다. 그 다음 단계로, 흡입 성능을 최대화하기 위한 최적 설계를 수행하였으며, 이 과정에서 실험계획법, 반응표면방법, 그리고 Screening 기법을 적용하여 최적의 슬릿 형상 변수 조합을 도출하였다. 최적화 결과, 기준 모델 대비 흡입 성능이 약 2.79% 향상된 최적 형상이 도출되었으며, 로테이팅 캐비테이션이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있었다. 또한, 산출된 예측값과의 상대 오차는 0.03%로 나타나, 제안된 해석 및 최적화 기법의 높은 신뢰도를 입증하였다. 결론적으로, 본 연구는 슬릿이 적용된 인듀서의 형상 최적화 설계 방법론을 제시함으로써, 향후 터보펌프의 캐비테이션 안정성과 흡입 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 효과적인 설계 지침을 제공하며, 이는 차세대 한국형 발사체 터보펌프 개발의 성능 고도화에 기여할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1. Background 1
• 1.2. Related studies 3
• 1.3. Objective and methodology 5
• 2. Theoretical Background 9
• 2.1. Turbopump inducer 9
• 2.2. Cavitation 10
• 2.2.1. Cavitation parameter 11
• 2.2.2. Inducer performance 14
• 2.2.3. Types of cavitation in inducer 15
• 2.2.4. Rayleigh Plesset model 17
• 3. Numerical Analysis 25
• 3.1. Geometry of an inducer 25
• 3.2. CFD analysis 26
• 3.2.1. Governing equations 26
• 3.2.2. Grid systems 29
• 3.2.3. Boundary conditions 30
• 3.3. Validation 31
• 3.4. Case study on suction performance 32
• 3.5. Case study on rotating cavitation 34
• 3.6. Concluding remarks of case study 36
• 4. Results and Discussion 57
• 4.1. Design of Experiments 57
• 4.2. Response Surface Methodology 59
• 4.3. Optimization using Screening 61
• 4.4. Optimization results 62
• 4.4.1. Surface streamline at suction side 64
• 4.4.2. Blade-to-blade pressure distribution 65
• 4.4.3. Pressure and velocity distribution near the slit 65
• 4.4.4. Blade loading and turbulence kinetic energy 67
• 5. Conclusion 83
• References 86