liquid propellant rocket engine (Motor foguete Liquido) part6
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EN3224 Propulsão Aeroespacial
Universidade Federal do ABC
Aula 6 Projeto da Câmara de Combustão
EN 3255 Propulsão Aeroespacial
EN3224 Propulsão Aeroespacial
PARÂMETROS DE PERFORMANCE DA CÂMARA DE COMBUSTÃO
EN3224 Propulsão Aeroespacial
A câmara de combustão
É um dos componentes críticos do projeto
• Maior temperatura
• Maior pressão
• Injetores
Vulcain Rocket Engine - Thrust Chamber F-1 Engine
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Queima de gotículas
C
C
C
O
O
O
C
C
C
C
O
O
O
O
C
C
C
O
O
O
C
C
C
C
O
O
O
O
O
O
O
O
O
C
C
C
C
C
C
O P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
injeção dispersão atomização combustão ejeção mistura (mixing)
par
a a
garg
anta
EN3224 Propulsão Aeroespacial
F-1 Engine
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Equações termoquímicas
Os dados teóricos de combustão de combustível tem sua origem em cálculos termoquímicos.
calor de reação dos propelentes
aumento da entalpia dos gases
de combustão
(maiores detalhes no curso de Combustão I)
lcombustíve
oxidantew
m
mr
“stay time” ts Tempo de permanência dos propelentes na câmara de combustão
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Dados de combustão (teóricos)
Propelentes: LO2 /RP-l
(pc)ns=1000 psi
(6894 kPa)
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Dados de combustão (teóricos)
Propelentes: LO2 / LH2
(pc)ns=800 psi
(5515 kPa)
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Dados de combustão (teóricos)
Propelentes: LF2 / LH2
(pc)ns=100 psi (689,4 kPa)
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Dados de combustão (teóricos)
Propelentes: N2 O4 / N2 H4
(pc)ns=100 psi (689,4 kPa)
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Exemplo 1
Obtenha os parâmetros de performance c*, Cf e (Isp)tc para os seguintes motores:
a) 750K A-1 Stage Engine propelentes: LO2 /RP-l rw = 2,35 (pc)ns = 6895 kPa, pa=1 atm e = 14 b) 150K A-2 Stage Engine propelentes: LO2 / LH2 rw = 5,22 (pc)ns = 5515 kPa, pa=0 e = 40
Estes motores servem de estudo
de caso no capítulo 2 do H&H
Propelentes Fator de correção hv
* Fator de
correção hf
LO2 /RP-l 0,975 0,98
LO2 / LH2 0,975 1,01
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Resolução
a) 750K A-1 Stage Engine
propelentes: LO2 /RP-l
rw = 2,35
(pc)ns = 6895 kPa , pa=1 atm
e = 14
rw = 2,35
(Tc)ns = 6000 oF
M = 100 N/mol
(Tc)ns = 3589 K c* = 1771 m/s = 1,222
M = 22,5 lb/mol
c*= 5810 ft/s
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Coeficiente de empuxo x relação de área e relação de calor específico
Slide 10, aula 5 e = 14
= 1,222
Cf = 1,768
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Resolução
M = 100 N/mol
(Tc)ns = 3589 K c* = 1771 m/s (teórico) = 1,222 Cf = 1,768 (teórico)
Cálculo de Cf de projeto:
nsc
a
teóricofatmfp
pCC
)(1
e
562,15515
101,35240768,1
1
atmfC
562,198,01
atmffprojetof CC h
531,1projetofC
Cálculo de c* de projeto:
c*projeto = c*hv*
c*projeto = 1771 . 0,975
c*projeto = 1725 m/s
a) 750K A-1 Stage Engine
propelentes: LO2 /RP-l
rw = 2,35
(pc)ns = 6895 kPa , pa=1 atm
e = 14
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Resolução
c*projeto = 1725 m/s
Cálculo de (Isp)tc:
g
CcI
f
tcsp
*
531,1projetofC
8,9
531,11725
tcspI
s270tcspI
a) 750K A-1 Stage Engine
propelentes: LO2 /RP-l
rw = 2,35
(pc)ns = 6895 kPa , pa=1 atm
e = 14
M = 100 N/mol
(Tc)ns = 3589 K c* = 1771 m/s (teórico) = 1,222 Cf = 1,768 (teórico)
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Resolução
b) 150K A-2 Stage Engine
propelentes: LO2 / LH2
rw = 5,22
(pc)ns = 5515 kPa, pa = 0
e = 40
rw = 5,22
(Tc)ns = 5580 oF
M = 53,38 N/mol
(Tc)ns = 3355 K c* = 5386 m/s = 1,213
M = 12 lb/mol c*= 7670 ft/s
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Coeficiente de empuxo x relação de área e relação de calor específico
Slide 10, aula 5 e = 14
= 1,213
Cf = 1,876
EN3224 Propulsão Aeroespacial
b) 150K A-2 Stage Engine
propelentes: LO2 / LH2
rw = 5,22
(pc)ns = 5515 kPa, pa = 0
e = 40
Resolução
M = 53,38 N/mol
(Tc)ns = 3355 K c* = 5386 m/s (teórico) = 1,213 Cf = 1,876 (teórico)
Cálculo de Cf de projeto:
876,101,1 teóricoffprojetof CC h
895,1projetofC
Cálculo de c* de projeto:
c*projeto = c*hv*
c*projeto = 5386 . 0,975
c*projeto = 5251 m/s
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Resolução
c*projeto = 5251 m/s
Cálculo de (Isp)tc:
g
CcI t
tcsp
*
895,1projetotC
8,9
895,15251
tcspI
s440tcspI
b) 150K A-2 Stage Engine
propelentes: LO2 / LH2
rw = 5,22
(pc)ns = 5515 kPa, pa = 0
e = 40
M = 53,38 N/mol
(Tc)ns = 3355 K c* = 5386 m/s (teórico) = 1,213 Ct = 1,876 (teórico)
EN3224 Propulsão Aeroespacial
DETALHAMENTO DA CÂMARA DE COMBUSTÃO
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Detalhamento da câmara de combustão
A partir dos parâmetros de performance c*, Cf e (Isp)tc , pode-se calcular a área da garganta:
nscf
tpC
FA
EN3224 Propulsão Aeroespacial
O volume da câmara de combustão
O volume da câmara de combustão deve garantir que haja a dispersão das gotas, a completa atomização e combustão.
stcc tVWV
Taxa em peso dos propelentes
Volume da câmara de combustão
Volume específico da
mistura
Tempo de permanência
dos propelentes
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Comprimento característico da câmara
Pode ser usado para especificar o tempo de permanência dos propelentes na câmara de combustão.
t
stc
t
c
A
tVW
A
VL
*
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Comprimento característico da câmara
Quanto maior L*,
• Maior o peso da câmara de
combustão
• Maior superfície para ser resfriada
• Mais perdas devido ao atrito
Vel
oci
dad
e ca
ract
erís
tica
c*
(ft
/s)
Comprimento característico, L* (in)
EN3224 Propulsão Aeroespacial
L* para alguns propelentes
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Formato da câmara de combustão
Fácil fabricação
Menos material
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Câmara cilíndrica
1cot
3
1 3/1
ct
cctc
ALAV e
e
t
cc
t
e
A
A
A
A ee
Relação entre os elementos:
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Área das paredes
tctcc AAL 1seccos2 totalÁrea ee
t
cc
t
e
A
A
A
A ee
Área total das paredes com exceção do plano de
injeção:
EN3224 Propulsão Aeroespacial
CÁLCULO DO BOCAL SUPERSÔNICO
EN3224 Propulsão Aeroespacial
O desenho do bocal
O desenho do bocal deve equilibrar:
1. Tamanho do bocal (necessário para obter um melhor desempenho), versus o peso.
2. Complexidade da forma para o desempenho sem choques versus custo de fabricação
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Tipos de bocais
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Tipos de bocais
Bocal cônico • Mais fácil de fabricar - para pequenos propulsores • perdas de divergência: a velocidade de saída não é apenas na direção
desejada.
Forma de sino • forma complexa • maior eficiência (fluxo quase totalmente axial no escape) • grande arrasto após o burn-out
Spike (linear ou circular) • X-33, VentureStar, 1960 concept, Aerospike • compensação intrínsica de altitude
Bocal de expansão de deflexão (E-D) • experimentais – geometria complexa.
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Diagrama T-S para um bocal
i: reagentes na câmara de combustão f: mistura final na câmara de combustão em condições de estagnação t: condições na garganta: Mach 1, pt, Tt
e: condições de saída pe, Te (assumindo-se expansão total)
Caso ideal
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Diagrama T-S para um bocal
i: reagentes na câmara de combustão f: mistura final na câmara de combustão em condições de estagnação t: condições na garganta: Mach 1, pt, Tt
e: condições de saída pe, Te (assumindo-se expansão total)
Com perdas
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Bocal cônico
te RR e
e
tan
)1(sec1
RRL t
n
varia entre 12o e 18o
O valor mais comum é = 15o
1R
tR
Ponto “N” (xN,yN)
Para bocais cônicos, adota-se
)cos-(1
sen
1
1
RRy
Rx
tN
N
y x
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Bocal cônico
te RR e1R
tRy
x
O bocal cônico tem perdas intrínsecas. O momento do gás é reduzido em Para = 15o, l = 0,983
)cos1(21 l
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Bocal “sino”: Método de Rao
Não existe solução exata para o bocal “de Laval” ideal.
Em 1961, o prof. Rao desenvolveu para a NASA um método de aproximação que calcula um perfil de bocal constituído de dois arcos de círculo e um arco de parábola.
Este é o método usado até hoje.
G. V R. Rao. "Recent Developments in Rocket Nozzle Configurations", ARS Journal, Vol. 31, No. 11 (1961), pp. 1488-1494. doi: 10.2514/8.5837
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Bocal “sino”: Método de Rao
1R
tRy
x eixo do bocal
te RR e
“N” L
. 2R
t
t
RR
RR
328,0
5,1
2
1
Antes da garganta: Depois da garganta:
.
.
1º passo: Garganta
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Bocal “sino”: Método de Rao
tRy
x eixo do bocal
te RR eN
e
y’
x’
“N” L
2º passo: Extensão
parabólica
TSxQPxy '''
.
“e”
EN3224 Propulsão Aeroespacial
e e N
Lf: percentual do comprimento do bocal quando comparado ao bocal cônico de 15 o. G. V R. Rao. "Recent Developments in Rocket Nozzle Configurations", ARS Journal, Vol. 31, No. 11 (1961), pp. 1488-1494. doi: 10.2514/8.5837
EN3224 Propulsão Aeroespacial
e e N
Lf: percentual do comprimento do bocal quando comparado ao bocal cônico de 15 o.
côniconfn LLL
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Dedução do trecho parabólico
• Condições inicias nos pontos N e e :
Ponto N Ponto e
N
N
N
y
x
0
0
e
e
e
e Nt
N
yRy
xLx
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Dedução do trecho parabólico
2/1TxSQxPy NNN
0
0
N
N
y
x
2QT
No pontos N:
No pontos e :
2/1TxSQxPy
eee
QxPyTxS eee
2/1
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Dedução do trecho parabólico
2/1TxSQxPy NNN
Como
Nxd
yd
2/12
tanTxS
SP
N
N
0Nx
2/12tan
T
SPN
)(tan2 P
SQ
N
2QT
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Dedução do trecho parabólico
Usando o mesmo processo para o ponto e :
Igualando com a expressão anterior, podemos isolar S:
2/12
tanTxS
SP
e
e P
STxS
e
etan2
2/1
e
eee
tantan
tantan2
N
N xPyPPS
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Dedução do trecho parabólico
Fazendo
e usando
chega-se a
e
2
QxPyTxS eee
2/1
)(tan2 P
SQ
N
ee
ee
yx
PxPyS
N
N
tan
tan2
eeee
eeeee
tantan2
tantan2tantan
xxy
xyyP
N
NN
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Dedução do trecho parabólico
Resumo:
eeee
eeeee
tantan2
tantan2tantan
xxy
xyyP
N
NN
ee
ee
yx
PxPyS
N
N
tan
tan2
)(tan2 P
SQ
N
2QT
TSxQPxy '''
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Exemplo 2
Obtenha o perfil da câmara de combustão e bocal parabólico do motor descrito pelas seguintes características:
750K A-1 Stage Engine
F1 atm= 3,32282 MN (pc)ns = 6895 kPa, pa=1 atm (Cf)projeto= 1,531 e = 14, ec = 1,6 L* = 114,3 cm Lf = 80%
Este motor foi um caso de estudo no capítulo 2 do H&H
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Resolução
Raio da garganta e raio da saída:
2
6
6
cm3141,9310895,6531,1
1032282,3
nscf
tpC
FA
3141,93 t
t
AR cm31,623tR
623,3114 te RR ecm118,618 eRRe
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Resolução
Volume da parte cilíndrica da câmara de combustão:
Raio da câmara de combustão:
Arcos de circunferência:
3,11493,3141* LAV tc
3cm359122,5cV
623,316,1 tcc RR e cm04cR
cm 12,065623,31328,0328,0
cm 47,5623,315,15,1
2
1
t
t
RR
RR
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Aproximando a entrada da garganta por um tronco de cone, temos o volume
O ângulo corresponde à inclinação da reta tangente ao primeiro círculo auxiliar e a parede da câmara de combustão.
Resolução
e
tan
)1(sec1 1
RRL
ct
i
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Resolução
2
1
2
1
2 RRRyx t
cRy 2
1
2
1
2 RRRRx tc
c
tc
Ry
RRRRx
2
1
2
1
Cálculo de :
122
2
RRy
x
dx
dy
t
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Resolução
c
tc
Ry
RRRRx
2
1
2
1
No ponto de intersecção entre o círculo e a reta:
1
2
1
2
1tan
RRR
RRRR
dx
dy
tc
tc
47,531,62340
47,531,6234047,5tan
22
o20
EN3224 Propulsão Aeroespacial
o
o
20tan
)120(sec45,7216,131,623 iL
Resolução
Assim,
cm 31,496iL
tctcii RRRRLV 22
3
3cm 127163,6iV
O volume total da câmara de combustão vale
3cm 231958 icic VVV
EN3224 Propulsão Aeroespacial
cm 46,153141,936,1
231958
6,1
t
iciinj
A
VL
Resolução
O comprimento da seção cilíndrica da câmara vale
31,496 46,15 itinjtinj LLL
cm 77,6tinjL
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Resolução
Comprimento do bocal:
cônicobocal
tan
)1(sec1
e
RRLL t
fn
o
o
15tan
)115(sec065,12114623,318,0
nL
cm260nL
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Resolução
N= 27,4o
e= 9,8o
Os ângulos do bocal
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Resolução
Condições inicias nos pontos N e e :
cm 618,118
cm 260
cm 32,9946)cos-(1382,0
cm 5,5626sen382,0
e
n
NttN
NtN
Ry
Lx
RRy
Rx
e
e
cm 86,995623,31618,118
cm 260
0
0
te
n
N
N
RRy
Lx
y
x
e
e
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Resolução
Plano de injeção
cm31,6tR
cm118,6eRN= 27,4o
e = 9,8o
cm04cR
cm 122 R
cm 47,51 R
garganta
saída
cm260nLcm 77,6tinjL
EN3224 Propulsão Aeroespacial
Rao via C++