文摘
影响的氧化剂流在HTPB / N的性能2O混合火箭发动机进行了研究。混合推进实验室已经开发,描述内部弹道漩涡流混合动力汽车的特点和定义操作参数,如燃料回归,特定的冲动,和特征速度和燃烧效率。原始变量,如压力、推力、温度、氧化剂质量流率,记录。模块化的电动机与70毫米外径和可变长度的设计进行实验分析。注入器模块有四个切向喷油器和一个轴向注入器。液体一氧化二氮(N2O)作为氧化剂的燃烧室注入发动机。提要随着pressurant系统使用压缩空气。两组测试已经完成。一些测试轴向和切向氧化剂喷射和轴向测试氧化剂喷射。试验结果表明,燃料颗粒回归率已得到改进采用切向氧化剂喷射头的马达。除此之外,它是发动机的燃烧效率与漩涡流约10%超过汽车轴流。
1。介绍
混合火箭发动机推进系统是一种化学推进系统今天变得有吸引力。安全、低投资、可用性和良好的性能是它的一些特性,使它成为一个理想的推进系统。这些特征是通过液体推进系统和固体推进系统的结合特性。这个选择,可以执行很多任务从低轨道任务像探空火箭1,2)和目标无人机(3)太空任务,如交通工具(4,5],推进器[6),和从头汽车(7]。在这种类型的推进系统,通常情况下,固体燃料是圆筒状的端口(s),放置在喷射器(s)和喷嘴(如图1)。注入液态或气态氧化剂流经该端口(s)。
典型的混合动力汽车的一个重要特点是燃料的回归率低,这是提到的缺乏这种类型的推进系统。使用这个系统的另一个问题是不均匀的回归的燃料在纵向方向。琼斯等人。8)表明,燃料燃烧速率可以增加诱导涡流燃烧室。他们的研究表明燃料回归率增加了16.7%在轴向涡流喷射注入。他们用高密度聚乙烯(HDPE)作为燃料和气态氧作为氧化剂(气态氧)。页和PMMA燃料颗粒旋转和nonswirling氧气流条件下燃烧Masugi et al。9]。他们用一个小的混合火箭发动机有一个很大的石英玻璃窗口直接从前面观察燃烧室。他们说,对PP和PMMA燃料,旋转火焰被发现开发接近粮食表面比那些没有漩涡,导致回归率的增加。在混合火箭发动机研究涡注入一氧化二氮为氧化剂和石蜡为燃料由Bellomo et al。10]。测量性能显示回归的增加率高达51%。汤等人进一步推动实验,开发了一个小型测深与swirling-oxidizer-type混合火箭发动机(11]。他们研究了气态氧/ PMMA的燃烧机理小混合火箭的氧化剂流,发现应用漩涡一个氧化剂流增加燃料回归率(12,13]。Knuth等人研究了涡流的固体燃料燃烧速率的行为和操作特征混合火箭发动机(14]。他们已经测试了电机与手臂960 N气态氧和HTPB固体燃料。他们测量平均燃料回归古典利率7倍混合动力汽车。Kumar研究涡流对燃油的影响回归率数值。几何特征参数的研究表明,漩涡简称谷物(更有效 )和大直径谷物15]。
一个重要的燃料和氧化剂成分是最著名的应用程序中使用混合动力汽车,船,命名空间HTPB / N2O (16]。没有研究氧化剂漩涡流影响推进剂成分回归的速度和运动性能。在目前的研究中,这篇作文是用作推进剂。四个切向喷油器在马达用于生成漩涡流。测试已经进行了研究应用氧化剂的影响漩涡流组成。氧化剂质量流率是常数测试期间使用了空泡文丘里。
2。实验仪器和测试过程
图2展示了一个示意性的混合火箭发动机实验室。一氧化二氮是用作氧化剂。它是由高压空气加压。测试后,高压气体氮用于清洗给水管路和电机和冷却电机。这有助于防止不受欢迎的燃烧后测试和提供了一个锋利的推力终止。压力传感器、热电偶、流量计和负载细胞被用来记录测试数据。压力传感器是TML PWF-PB系列。一个TML CLA-1KNA负载细胞是用来测量电机的推力,这是安装在一个铁路和马车机制。因为它是图所示2轴向注入饲料中,有一个丁字路口,哪一个的结束坐在负载细胞。负载细胞本身是安装在一个结构螺栓。由于氧化剂入口垂直轴流,它不会影响电动机的推力测量。K型热电偶用于测量氧化剂温度氧化剂来看。
氧化剂质量流量测量的两种方法。空泡文丘里和差压流量计用于氧化剂给水管路。智能差压变送器的模型是shhdp - 9600 f12。通过使用一个空泡在氧化剂给水管路文丘里,氧化剂期间监管质量流率测试。空泡的文丘里图所示3。
2.1。测试电机
一个电动机设计灵活对不同喷油器测试中,变量与预燃室的长度和postchamber。燃料颗粒具有不同长度和端口直径可以在这个电机配置进行测试。图4显示了电机设计的示意图。
预燃室被认为是在燃烧室的进口,以确保完全蒸发的液体氧化剂到达燃料表面。Postchamber被认为完成未燃烧的燃料气的燃烧的燃料。的长度postchamber对燃烧效率有显著影响(17]。
喷油器用于分裂和蒸发氧化剂到达燃料颗粒。注射器与1 - 1.5 -,2毫米孔直径被用于轴向注入测试。漩涡流测试,一个新的注射器头法兰设计有四个切向喷油器插槽和一个轴向喷油器位置如图5。
2.2。测试程序
5测试是基于试验设计进行的。四个切向注入测试和一个轴向注入进行了测试。轴向注入测试叫做基准测试代表一系列测试已进行轴向注入配置。氧化剂质量通量变化在变化的漩涡流测试为了研究回归。
进行一个测试,一氧化二氮是美联储从水库运行坦克坦克。使用高压空气增压油箱一氧化二氮的运行。通过把火按钮时,氧化剂阀打开,氧化剂注入电动机。0.5秒后,触发点火器和燃烧的开始。测试时间后,通常设置为5秒,氧化剂阀将关闭,清洗线就会打开。有一个旁路管线环境开幕。这条线帮助立即终止推力和有一个锋利的压力和推力曲线的测试,从而导致更准确的平均结果。
空泡文丘里用于维护氧化剂质量流率。空泡文丘里调节流量,而下游压力波动或变化。实验表明,空泡文丘里可以承受下游压力变化多达85%的上游压力,提供几乎恒定的质量流率(18]。虽然将两相流空泡文丘里的喉咙,氧化剂改变文丘里后立刻液体,它可以确保在液态氧化剂进入电机有一个文丘里和电动机之间的距离。
2.3。数据简化
为了研究汽车的性能、压力喷嘴之前,点火器压力、注入压力、推力,燃料质量变化和氧化剂流量测量。使用这些数据,电动机的弹道参数,如燃料燃烧速率、燃烧效率,和特定的冲动,是派生的。
回归的速度。时空回归平均率可以被评估 在(1),是最初的粮食港口直径,测量在测试之前,燃烧时间,是平均最后粮食端口直径。燃烧时间的定义是点火和推力终止之间的时间。随着安装设计的方式快速推力终止,计算平均回归率将是准确的。最后一个端口直径通常是沿着燃料颗粒不均匀;因此,最终端口直径将估计平均等效平均最终直径 在(2)和分别初始和最终燃料谷物质量。燃料密度定义为930公斤/米3和燃料粒长度。
计算回归的氧化剂流与轴向氧化剂流旋转回归。经典混合固体燃料燃烧速率、引入Chiaverini [19),是 在这个关系和经验常数,是氧化剂通过燃料谷物质量流量端口这将在稍后讨论。
氧化剂质量流量和质量流量。质量流率()计算空泡文丘里的 在(4),,,文丘里流量系数、咽喉区和喉咙的压力,分别氧化剂密度,上游压力。空泡文丘里设计了这样的喉咙压力小于流体在工作温度下的蒸汽压。因此,将蒸汽压的氧化剂。为venturies收敛角超过10°所表现出的流量系数是99%以上Reader-Harris et al。20.]。本研究文丘里的收敛角是30°如图3。因此,在文丘里流量系数公式一直被忽视。
氧化剂质量流量决定了燃料回归的粮食。与时间和空间回归率是衡量平均燃烧期间,方便测量氧化剂质量流量一样。平均氧化剂质量流量计算 在(5),氧化剂质量流率和吗是平均港区估计以下方程: 在这里,平均端口直径平均初始和最终的端口直径。用(6)和平均直径港(5)收益率(7),它可以通过测试测量仪器。
燃烧效率。发动机的燃烧效率将得到划分测试的特征速度理论理想特征速度。 特征速度表明燃烧释放的能量的推进剂组合。理论的理想特征速度由化学平衡计算代码像东航21]。下面的测试被计算为特征速度。 在(9),燃烧室平均压力,喷嘴喉部面积,平均质量流量通过喷嘴由氧化剂近似质量流率和平均燃料质量流率。
2.4。误差分析
等变量的回归,推力,从测试数据和氧化剂质量流量减少。为了量化这些变量的不确定性,对他们进行了误差分析。第一个变量来进行分析是最后一个端口直径,计算(2)。最终直径的相对误差由变化的测量相对误差的燃料颗粒质量,燃料密度和燃料颗粒长度,可以估计(10)。 下一个变量从测试数据回归的速度,减少计算(1)。根据这个方程,回归率的相对误差可以计算使用以下表达式: 氧化剂质量流量是氧化剂质量流率的函数和初始和最终的直径,(7)。因此,这个变量的相对误差可以被评估如下: 氧化剂质量流率本身的相对误差由相对误差的给水压力、空泡文丘里喷嘴直径、温度和氧化剂,根据(4)。 相对误差的测试计算和展示在表1。
3所示。测试结果和讨论
漩涡流测试之前,一系列的测试已经进行了使用单一氧化剂轴向注入器。轴向氧化剂喷射的燃料回归被派生通过使用这些测试。其中一个测试报告作为比较的基准漩涡流测试结果与轴流式检测结果。轴流测试的弹道特征提出了在桌子上2。
实验回归轴流速度测试相同的燃料和氧化剂结合本研究的报道 电机配置测试进行的这项研究发表在表3。
一分之二的涡流测试进行一轴向注入器和四个切向喷油器的配置。压力和推力的这些测试数据所示6和7。
第三个测试是通过使用四切向喷油器和一个轴向注入器的配置。燃料颗粒被向喷嘴入口,根据图4,提供一个更大的预燃室和给更多时间蒸发氧化剂。它预计将有更多统一的燃料颗粒表面测试后,相比与轴向注入器测试。压力和推力与时间图所示8。
第四个测试是由相同的喷油器配置测试# 3。预燃室配置更改为初始状态,也就是说,作为测试# 1和# 2。二次燃烧室在原来的地方在电机尾部,在喷嘴入口。这个测试的压力和推力概要文件在图所示9。
规格的漩涡流和轴向流测试如表所示4。
氧化剂质量流率可以计算(4)和使用测试数据或可以衡量一个差压流量计用于氧化剂给水管路。结果如表所示5。
电机性能和弹道分析已经完成测试。这些计算的结果提供了表6。
试验结果表明,虽然在基准测试氧化剂质量流量高于漩涡流测试,燃料回归率低于漩涡流测试。通过比较这些值的结果大部分回归,这源于漩涡测试,回归的结果显示增强率是由于切向注入燃烧室。图10显示了燃料燃烧速率与氧化剂质量流量为氧化剂流和轴向旋转氧化剂流。
燃料回归率的组合轴向和切向氧化剂喷射派生关系 回归之间的差异率指数的漩涡流和轴向流汽车可以解释如下。经典固体燃料燃烧速率关系推导出混合动力汽车燃料的有关传热表面的动量流。这是通过边界层类比,如雷诺模拟或Chilton-Colborn类比。使用轴向动量和质量通量在经典混合关系,然而,在漩涡流电机,有切向质量和动量通量不考虑。
有两个原因解释增加燃料的回归。首先,离心力引起的漩涡流压缩反应边界层从而增加热反馈燃料表面,增加了燃料热解速率。第二,对流热系数将由旋转流动增强,从而增加燃料颗粒热通量。以数字形式显示,速度大小在流动时流场增加传得沸沸扬扬15]。这将导致增加传热速度燃料表面增加了回归结果。
3.1。漩涡流的影响
介绍了等效回归率为了更好地比较两种类型的流之间的燃料燃烧速率。假定测试回归率由两部分所示 第一部分是轴流的贡献,第二部分是漩涡流的贡献。通过使用(14),等效燃油回归的漩涡流测试质量通量计算。结果如表所示7。
它可以看到从表7采用切向注入,回归的燃料颗粒已得到改进。这是显示在图11氧化剂切向质量流量的增加会增加回归由于漩涡流率的贡献。
根据表6,oxidizer-to-fuel基准测试的比例超过漩涡流测试。这将导致更高的特征速度。速度变化特征对oxidizer-to-fuel率测试压力如图12。实验特征速度已经导出,如图12,太。
在这项研究中使用的推进剂有最佳 6.5左右的。两轴流和漩涡流测试 从这个值比率足够远。因此,低 效果适用于这两种情况下,更容易达到更高的效率比较最优 。
很明显,速度提高了漩涡流特征。燃烧效率或特征速度效率计算实验特征速度除以速度为每个测试理论特征与特定的试验条件。基于这些结果,很明显,漩涡测试的燃烧效率高于基准测试。此外,它已经表明,通过消除二次燃烧测试# 3室,燃烧效率降低相对于其他漩涡流测试。燃烧效率的测试已被绘制在图13展示的效果切向氧化剂喷射发动机的燃烧性能。轴向注入效率与测试14已经衍生出的关系。
图13表明,通过应用切向氧化剂喷射,燃烧效率提高了近10%。这种改善主要是由于更好的混合氧化剂和燃料热解。这将减少所需的时间反应物消耗。此外,反应物旅行更长的路径退出发动机喷嘴之前,当漩涡流动。因此,他们有更多的时间来反应或完成反应。以这种方式燃烧效率将提高。
喷嘴的流量系数可能会减少由于漩涡流。这种效应会增加汽车的压力。推进剂的特征速度只是一个函数和燃烧室性能特点,喷嘴的行为并不直接影响这个变量。同时,检查燃烧室压力特征速度显示它的影响可以忽略不计,如图12。因此,漩涡流不会影响发动机的燃烧效率减少排放喷嘴。
3.2。预处理和二次燃烧的影响
图广场象征意义11相关的回归测试# 3,预燃室也更长。液体N2O料液和蒸发进入燃烧室。这个过程需要一个持续时间或推迟时间完成。另一方面,由于化学反应类型的混合动力汽车是气相燃烧,火焰的氧化剂前应该蒸发进入区和燃料蒸汽反应。采用切向注入,氧化剂流路径将扩展之前,到达燃料颗粒。这将有助于具有良好的混合氧化剂和燃料的铅燃料之间的一粒一粒和有一个统一的燃料表面后测试。因此,漩涡流之间的对比测试,第三个测试是为了看看给予更多时间为蒸发液体氧化剂有助于提高电机性能和更均匀的燃料颗粒表面后测试。
试验结果表明,延长预燃室不仅没有改善回归率也下降漩涡流的影响,尽管还需要更多的研究,看看有一个最佳值,预燃室长度。
这是之前提到的,对于测试# 3,二次燃烧室是短于其他测试。它的数据中可以看到12和13较短的二次燃烧室导致较低的燃烧效率。原因是缩短二次燃烧室相当于降低特征速度(),是一个著名的燃烧效率的标准。
3.3。燃烧室压力的影响
通过观察表6压力,可以得出这样的结论:没有一个独特的影响回归率和燃烧效率。测试# 3不能与其他测试,因为它有不同的条件。
4所示。结论
在这项研究中,旋转氧化剂流对燃料燃烧速率的影响和电机性能的HTPB / N2混合火箭发动机进行了调查。实验室设置和模块化汽车研发和捏造。电机和实验室设计的完全控制氧化剂质量流率等参数,喷油器的数量和配置,以及预处理和postchambers进一步调查。漩涡流进行了测试和一个轴向和切向四个喷油器。列出了一些结论如下:(1)漩涡的燃料回归估计的氧化剂流测试空间和时间平均法和比较与轴向氧化剂流测试。结果显示增强燃料燃烧速率。(2)看到,燃料燃烧速率关系,来自漩涡流测试,有不同的系数值相比,经典的混合燃料的回归关系。这表明不同的反应边界层结构。(3)结果表明,回归率增强可以与切向氧化剂质量流量有关。(4)漩涡流测试的结果表明,通过应用旋转氧化剂流,整体燃烧效率几乎增加了10%,几乎完全燃烧。这显示了一个更好的混合氧化剂和燃料在燃烧室。(5)虽然燃烧效率是增加了旋转氧化剂流,消除二次燃烧室内燃烧效率下降。这证实了需要使用二次燃烧室甚至在漩涡流运动。(6)结果表明,预燃室中提供更多的长度不提高电机的性能或回归燃料颗粒的速度。这表明液体一氧化二氮有足够的时间来完全蒸发之前达到燃料颗粒在原来的电机设计。此外,较大的预燃室的长度会导致较弱的漩涡流是不可取的。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。