EN3225 Propulsão Aeroespacial

Universidade Federal do ABC

Aula 9 Geradores de gás

e Ignitores

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GERADORES DE GÁS

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Sistemas a gás .

Os sistemas de alimentação de combustível (turbo-bombas e tanques) são acionados por gás a alta pressão.

Gases comprimidos, tais como hélio, podem ser usados para estes fins.

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Sistemas a gás .

No entanto, a utilização de gases de temperatura mais elevada, gerados por dispositivos apropriados, alcança desempenho muito mais elevado.

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Temperaturas típicas

Gera-se gás com temperaturas variando entre 480 K e 800 K para pressurizar os tanques de combustível.

Gases na faixa de 900 K a 1200 K são usados para acionar as turbinas a gás para os sistemas de turbo-bomba.

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Exemplo: V-2

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Funções do gerador de gás

1. Capacidade para produzir gases de forma segura, com as propriedades requeridas (temperatura, pressão, não explosivo) em uma unidade compacta, à taxa exigida.

2. Possibilidade para iniciar e parar suavemente, sem variações bruscas de temperatura, oscilações de pressão, ou overflow de propelentes não queimados.

3. Possibilidade de funcionar ao longo de uma vasta gama de propelentes e taxas e razões de mistura (no caso de bipropelentes), e responder ao sistema de controle.

4. Capacidade de manter o desligamento seguro sem sistemas de esvaziamento e drenagem complicadas.

5. Capacidade de reiniciar (se necessário).

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Classificação dos geradores de gás

(1) Sistemas de combustível sólido

(2) Sistemas líquidos monopropelentes

(3) Sistemas líquidos bipropelentes

Gerador de gás do SATURN H-1 a propelente líquido.

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Geradores de gás a propelente sólido

• Não podem ser reiniciados.

• Curta duração.

• Gases a 1350 K.

Aplicação: partidas, geração de gás auxiliar para alcançar rotação, pressurização de tanques.

Fast Gas Generator da Aerospace

Propulsion Products BV

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Geradores de gás a propelente sólido

Tempo de ação: 1 s

Gás: 1600 K, 6,9 MPa

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Geradores de gás a propelente sólido

n

cpkR

MPa 6,91 pbg RAw n

bc

A

Akp

1

1

0

2

Formulário

R : taxa de queima linear (m/s) k1 : constante que representa a velocidade de combustão linear de um propelente, a uma dada temperatura inicial e uma pressão de câmara de 6,9 MPa. pc : pressão na câmara de combustão (Pa) n : constante que ajusta a sensibilidade da taxa de queima de propelente a alterações na pressão, a uma dada temperatura. : taxa de massa gerada (N/s ou kg/s) Ab : área queimada (m2) A0 : área do orifício de saída (m2) : densidade do propelente k2 : constante característica do propelente a uma dada temperatura

gw

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Geradores de gás a monopropelente

Monopropelentes tais como peróxido de hidrogênio (H2O2) e hidrazina (N2H4) têm sido utilizados como geradores de gás em muitas aplicações.

Eles permitem que o sistema gerador seja bem simples e não requerem ajustes devido à razão de mistura.

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Geradores de gás a monopropelente

Vantagens:

• Relativamente fáceis de controlar

• Temperatura previsíveis

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Geradores de gás a monopropelente

Valores típicos: H2O2 + 10% água Espessura do leito catalítico: 5 a 8 cm

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Geradores de gás a monopropelente

Queda de pressão no leito catalítico

tCp

GCP

c

bb 29,0

95,1

1

Gb : vazão do propelente (kg/m2 s ou N/m2 s) pc : pressão ao final do leito catalítico (Pa) t : tempo de operação (s) C1 e C2 : constantes dependentes do catalisador

Área total do leito catalítico

b

g

bG

wA

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Exemplo 1

Um gerador gás monopropelente usa peróxido de hidrogênio está ligada diretamente à flange de entrada da turbina da bomba de combustível.

Dados: pressão de entrada da turbina, 2,34422 MPa, a área total da entrada da turbina, a 5,00 cm2. Assuma o valor de c* com sendo 938,784 m/s para H2O2 a 90%.

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Exemplo 1

As constantes do leito catalítico são:

Gb = 2757,9 Pa/s, C1 = 7,2 x 104 e C2 = 144,79 Pa/s.

Determine a vazão gerador de gás, , a área do leito catalítico, e a queda de pressão após 480 segundos de tempo de execução.

cw

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Resolução

• A pressão do gerador de gás deve ser igual à pressão de entrada da turbina: 2,34422 MPa.

• A área da garganta do gerador de gás deve ser igual à área total da entrada da turbina: 5,00 cm2.

Usando a expressão da velocidade característica (aula 4, slide 42):

c

tc

w

gApc

*

*c

gApw tc

c

938,784

8,9105102,34422 46 cw N/s 12,2771cw

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Resolução

2cm 44,516bAb

g

bG

wA

2757,9

2771,12bA

tCp

GCP

c

bb 29,0

95,1

1

48079,144102,34422

757,92 107,29,06

95,14

bP

Área do leito catalítico:

Queda de pressão no leito catalítico após 480 s:

kPa 506,7 bP

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Geradores de gás a bipropelente

Este sistema de geração de gás é usado mais amplamente em sistemas de motores foguetes de combustível líquido que qualquer outro, uma vez que faz uso dos propelentes primários.

Saída do gerador de gás do motor F-1.

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Geradores de gás a bipropelente

Geradores de gás bipropelentes funcionam da mesma maneira que a câmara combustão principal.

A única exceção é a proporção oxidante-combustível, que é ajustada para produzir diferentes temperaturas e pressões.

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Efeitos da mistura

• Misturas ricas em oxidante tendem a acelerar a erosão dos elementos estruturais.

• Misturas ricas em combustíveis tendem a continuar a queimar no ar ambiente, requerendo medidas especiais para evitar danos.

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Gerador de gás do SATURN H-1

Caso de estudo

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“Desvio de gás”

• Uma parte dos gases gerados na câmara de combustão principal é desviada para alimentar a turbina.

• Funciona bem com LO2/LH2.

• Ainda exige um sistema para dar a partida.

Tapoff system

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IGNITORES

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“dar a partida”

O início da queima no motor pode ser realizada através de vários métodos:

• Velas

• Hipergólica

• Catalizadores

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Tempo mínimo de ignição

Se os propelentes que entram na câmara de combustão não são prontamente inflamados, pode-se formar misturas explosivas e causar explosões prejudiciais.

A garantia de perfeita ignição é dependente de

1. escolha do método de ignição

2. qualidade do projeto

3. liberação de calor adequada.

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Ignitores pirotécnicos

Tempo de combustão de poucos segundos.

Na câmara de combustão, pode ser montado junto dos injetores ou inserido externamente, através do bocal.

Para uma melhor distribuição de calor, pode-se usar várias unidades em distribuição radial.

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Ignitores pirotécnicos

Uso em foguetismo amador.

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Ignitores hipergólicos

Um “par hipergólico” designa dois líquidos que entram em combustão instatânea quando são misturados.

Esse par, em geral é constituído por um combustível e um oxidante. Exemplos:

• Tetróxido de nitrogênio + Hidrazina

• Metil-hidrazina + Dimetil-hidrazina assimétrica

Tanques de combustíveis hipergólicos do controle de atitude do ônibus

espacial.

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Ignitores hipergólicos

O desenvolvimento de motores de foguetes usando pares hipergólicos remonta a 1931, quando Valentin Glushko fez algumas experiências, e a 1935, quando O. Lutz, cientista alemão, efetuou experiências com mais de 1000 compostos químicos, com essa finalidade.

Esquema de um ignitor hipergólico.

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• Uma vela de ignição é um dispositivo elétrico inflama a mistura de propelentes por meio de uma faísca elétrica.

• A vela recebe a voltagem de 20 ou 30 mil Volts da bobina e, devido à propriedade de continuidade de circulação da corrente nos circuitos indutivos, faz saltar uma centelha em sua ponta.

Ignitores elétricos

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Ignitores elétricos

• Como a ponta da vela está no interior da câmara de combustão, tal centelha provoca a explosão da mistura.

• Especialmente útil no caso de motores de devem ser ligados e desligados.

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Ignitores elétricos

• Circuito básico

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Na próxima aula...

• Sistemas de pressurização