liquid propellant rocket engine (Motor foguete Liquido) part8

EN3225 Propulsão Aeroespacial

Universidade Federal do ABC

Aula 8 Resfriamento ablativo e radiativo

Injetores

EN 3255 Propulsão Aeroespacial


RESFRIAMENTO ABLATIVO


Proteção ablativa

• Uma camada de material da câmara de combustão sofre fusão e subsequentemente vaporização.

• Isso gera fluxos de gases relativamente frios na superfície da parede, criando assim uma camada limite que auxilia o processo de resfriamento.


Proteção ablativa

• Usado em motores de combustível sólido e também com propelentes líquidos a baixa pressão.


Proteção ablativa

A câmara e o bocal e são revestidos com uma camada de material ablativo.

O revestimento ablativo é composto de resinas e materiais a base de silício (materiais pirolizáveis).


Proteção ablativa simples


Elemento ablativo composto


Modelamento térmico

em direção ao bocal

parede metálica

gases quentes

Gases frios

camada ablativa

ainda intacta

camada com

reação

camada porosa


Espessura de material ablativo

4,0

5,0

1001ln

2

nsc

p

dawpvr

pvr

p

L

TTCRR

CRR

tkca

Esta expressão é válida para o interior da câmara de combustão e para a garganta.


Espessura de material ablativo

4,0

5,0

6894761ln

2

nsc

p

dawpvr

pvr

p

L

TTCRR

CRR

tkca

a: espessura da camada ablativa (m) c: fator de correção Rr : fração de massa de resina no material ablativo Rv : fração de massa compostos pirolizados no material ablativo Cp: calor específico a pressão constante dos gases da pirólise (J/kg K) : densidade do material ablativo (N/m3) pg: pressão dos gases no interior da câmara (Pa) k : condutividade térmica do material ablativo (W/m K) t : duração da combustão (s) Lp: calor latente da pirólise (J/N) Taw: temperatura do gás (K) Td: temperatura de decomposição da resina (K)

100 psi


Ao longo do bocal...

Para outras seções do bocal, pode-se usar a expressão:

xebta0247,05,0

duração da combustão (s)

Razão das áreas no ponto considerado

Constante dependente do

material ablativo


Exemplo 1

Calcular a espessura da camada ablativa na garganta em no ponto em que x = 5, após 410 s de queima. Considere um motor com as seguintes características:

c = 1,05 Rr = 0,3 Rv = 0,41 Cp = 1590,98 J/kg K = 1,68847 N/m3

k = 2,72653x10-12 W/m K Lp = 1595,636 (kJ/N) Taw = 2811,11 K Td = 811,11 K (pc)ns = 689476 Pa b = 0,0335


Resolução

4,0

5,0

6894761ln

2

nsc

p

dawpvr

pvr

p

L

TTCRR

CRR

tkca

4,05,0

3

312-

689476

689476

101595,636

11,81111,281110636,159541,03,01ln

1,68847636,159541,03,0

410)102,72653(205,1

a

cm 2,103a

Espessura da camada ablativa na garganta


Resolução

Espessura da camada ablativa na garganta em no ponto em que x = 5.

xebta0247,05,0

50247,05,0

5 4100335,0

eax

cm 1,52146in 599,05 xa


RESFRIAMENTO RADIATIVO


Transferência de calor por radiação

Este método é prático apenas para pequenas câmaras ou extensões de bocais, onde as tensões de pressão são mais baixas.


Modelagem térmica

em direção ao bocal

parede metálica

gases quentes

awT

wgawgc TThq

wgT

.

4

wgTq

radiação


Modelagem térmica

Igualando o fluxo de calor dos dois lados da parede, temos

Condutividade térmica do gás

Emissividade da parede metálica

Constante de Stefan-Boltzmann

= 5,6704x10-8 J/s m2K4

= 0,3337x10-14 Btu/in2 s oR4

4

wgwgawgc TTTh


Técnica de projeto

A abordagem de design para o arrefecimento via radiação de é determinar um valor de Twg que satisfaz ambos esta equação e a capacidade estrutural do material da parede usada sob condições operacionais.

4

wgwgawgc TTTh


Escolha do material

Somente as ligas que suportem por curta duração na gama de temperatura de 1500 K a 2000 K tem sido aplicadas com sucesso ao arrefecimento por radiação.


Escolha do material

Ligas de molibdênio contendo 0,5 por cento de titânio, ou ligas de tungstênio-tântalo parecem ter resistência suficiente para utilização a 2000 K.

Devido à baixa emissividade, , do molibdênio coloca-se um revestimento de MoSi2 em ambos os lados da parede metálica. Este revestimento também aumenta a resistência contra a oxidação.


Escolha do material

As ligas de titânio e outras ligas comerciais, tais como Haynes 25, resistem com sucesso a 1500K.

Para regimes mais críticos, usam-se revestimentos de materiais isolantes cerâmicos sobre a superfície da parede do lado do gás.

Desvantagem: fragilidade devido à falta de elasticidade mecânica.


Exemplo 2

Um motor foguete tem as seguintes características:

Assumindo-se uma emissividade de 95%, determine a temperatura exterior e o fluxo de calor irradiado.

Taw = 2722,22 K hgc = 7,77658x10-10 W/m2K


Resolução

Partindo do fluxo de calor radiativo:

4

wgwgawgc TTTh

4-8-10 105,670495,022,2722107,77658 wgwg TT

K 1477,78wgT


Resolução

O fluxo de calor radiativo vale:

78,147722,2722107,77658 -10 q

2 W/m0,00348319q

wgawgc TThq


INJETORES


Sistemas de injeção

O sistema de injetores tem como função inserir na câmara de combustão do foguete os líquidos (combustível e comburente).

Esse mecanismo é realizado por meio de orifícios cujo efeito é a conversão do propelente em pequenas gotículas em forma de “sprays” por meio do processo de “atomização”.



O diâmetro inicial das gotas é dependente da velocidade de queima e está ligado ao comprimento da câmara de combustão.


Tipos de injetores


Exemplos de injetores


Oefelein, J. C., and Yang, V., “Comprehensive Review of Liquid Propellant Combustion Instabilities in F-1 Engines,” Journal of Propulsion and Power, Vol. 9, No. 5, Sept.-Oct. 1993, pp. 657-677.

F-1 Engine: Like-on-Like Impinging Doublet

Elements


Pintle Injector (LMDE)

Dressler, G. A., “Summary of Deep Throttling Rocket Engines with Emphasis on Apollo LMDE,” AIAA Paper 2006-5220

Pintle Injector (LMDE)


Fuel (Preburner Products) Oxidizer (LOX) SSME: Shear Coaxial

Injector

Lepore, Frank A., “Flow induced vibrations in the SSME injector heads,” NASA CR-184209


RD-180 (Russian ORSC Engine) Swirl Coaxial

271 elements, 1722 lbf each, d = 0.5 in

Vasin, A., et al., United States Patent, US 6,244,041 B1, Jun. 12, 2001

Oxidizer (Preburner Products)

Fuel (Kerosene)


Orifício de injeção

O tamanho do orifício de injeção está relacionado com quantidade de alimentação dentro do injetor.

Um maior volume do orifício permite menor velocidade de passagem e melhor distribuição do fluxo sobre a secção transversal da câmara.


Orifício de injeção

Já um volume menor ocasiona uma redução no peso do injetor e da quantidade de partículas encontradas após as válvulas principais serem fechadas.

A passagem em alta velocidade causa um fluxo com mais irregularidades através de diferentes orifícios de injeção. Resultado: má distribuição e maior variação na composição do gás local.


Velocidade de injeção

A relação básica para a velocidade de injeção é dada por

A

wV

Velocidade do jato

Área dos orifícios Densidade do

líquido


Queda de pressão

Ao atravessar os injetores, o fluido perde parte da pressão. A queda de pressão é dada por

22

2

1

2

AC

w

gC

V

gP

dd

i

“Coeficiente de descarga” (depende do tipo de injetor)

Área total de injeção (todos os orifícios)


Razão de impulso de injeção

Parâmetro usado no projeto de injetores.

Utilizado para garantir a estabilidade da combustão e desempenho de certas combinações de propelente.

ff

oom

Vw

VwR

Taxa de momento do oxidante

Taxa de momento do combustível



No projeto de injetores para a combinação oxigênio/hidrogênio, a razão de impulso de injeção varia entre 1,5 e 3,5 para o hidrogênio líquido, e de 0,5 até 0,9 para a injeção de hidrogênio gasoso.

ff

oom

Vw

VwR

Taxa de momento do oxidante

Taxa de momento do combustível


Exemplo 3

Determinar

a) A área total de injeção,

b) A velocidade de injeção e

c) A razão de momento

do motor com as seguintes características:

Número de injetores: 700 Tipo: auto-impacto de dois jatos

75,0

MPa 20,265

g/cm 81,0

g/cm 141,1

N/s 3678,68

N/s 8634

3

lcombustíve

3

oxidante

lcombustíve

oxidante

d

i

C

P

w

w


Resolução

Queda de pressão no oxidante:

2cm 209,032oA

id PgC

wA

2

2

2

1

AC

w

gP

d

i

610265,201141275,0

8634

oA


Resolução

Queda de pressão no combustível:

id PgC

wA

2

610265,20810275,0

68,3678

fA

2cm 105,806fA


Resolução

Diâmetro dos orifícios

Para o oxidante:

Para o combustível

mm 4,3688cm 0,1496777002

cm 209,032 22

oo da

mm 3,0988cm 0,07548377002

cm 105,806 22

ff da


m/s 43,8912)g/cm 81,0)(cm 105,806(

N/s 678,6832

f

ff

f

f VA

wV

Resolução

Velocidade de injeção

Para o oxidante:

Para o combustível

m/s 36,8808)g/cm 141,1)(cm 209,032(

N/s863432

o

oo

oo V

A

wV

A

wV


Resolução


ff

oom

Vw

VwR

)m/s 43,8912)(N/s 3678,68(

)m/s 36,8808)(N/s 8634(mR

97,1mR

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