Method Article

Migliorare le prestazioni di combustione di un motore a razzo ibrido utilizzando un nuovo grano combustibile con una struttura elicoiale annidata

DOI:

10.3791/61555

⸱

January 18th, 2021

 ,  ,  ,  , 
1Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, 2School of Engineering Science, University of Chinese Academy of Sciences

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Viene presentata una tecnica che utilizza un granello di combustibile solido con una nuova struttura elicoiale annidata per migliorare le prestazioni di combustione di un motore a razzo ibrido.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Viene presentata una tecnica per migliorare le prestazioni di combustione di un motore a razzo ibrido utilizzando una nuova struttura a grana di combustibile. Questa tecnica utilizza i diversi tassi di regressione dello stirene acrilonitrile butadiene e dei combustibili a base di paraffina, che aumentano gli scambi di materia ed energia attraverso il flusso vorticoso e le zone di ricircolo formate alle scanalature tra le palette adiacenti. La tecnica di fusione centrifuga viene utilizzata per gettare il combustibile a base di paraffina in un substrato di stirene acrilonitrile butadiene realizzato con stampa tridimensionale. Utilizzando l'ossigeno come ossidante, sono state condotte una serie di prove per studiare le prestazioni di combustione del nuovo grano combustibile. Rispetto ai grani di combustibile a base di paraffina, il grano combustibile con una struttura elicoiale annidata, che può essere mantenuto durante tutto il processo di combustione, ha mostrato un miglioramento significativo del tasso di regressione e un grande potenziale nel miglioramento dell'efficienza della combustione.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

È urgente mente necessaria una tecnica per migliorare le prestazioni di combustione di un motore a razzo ibrido. Ad oggi, le applicazioni pratiche dei motori a razzo ibridi sono ancora molto meno di quelle dei motori a razzo solido eliquido 1,2. Il basso tasso di regressione dei combustibili tradizionali limita il miglioramento delle prestazioni di spinta per il motore arazzo ibrido 3,4. Inoltre, la sua efficienza di combustione è leggermente inferiore a quella di altri razzi ad energia chimica a causa della combustione a diffusioneinterna 5, come mostrato nella figura 1. Sebbene siano state studiate e sviluppate varie tecniche, come l'uso di multi-porte6,il miglioramento degli additivi7,8,9,liquefatti10,11,12,iniezione vorticosa13,sporgenze14e bluff body15,questi approcci sono associati a problemi di utilizzo del volume, efficienza di combustione, prestazioni meccaniche e qualità di ridondanza. Finora, il miglioramento strutturale del grano combustibile, che non presenta queste carenze, ha attirato maggiore attenzione come mezzo efficace per migliorare le prestazioni dicombustione 16,17. L'avvento della stampa tridimensionale (3D) ha un modo efficace per aumentare le prestazioni dei motori a razzo ibridi attraverso la capacità di produrre rapidamente ed economicamente progetti di grani convenzionali complessi o grani di combustibile non convenzionali18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. Tuttavia, durante il processo di combustione, questi miglioramenti nelle prestazioni di combustione diminuiscono con la caratteristica combustione della struttura, con conseguente diminuzione delle prestazioni di combustione23. Abbiamo dimostrato che un nuovo design è utile per migliorare le prestazioni dei motori a razzo ibridi31. I dettagli di questa tecnica e i risultati rappresentativi sono presentati in questo documento.

Il grano combustibile è costituito da un substrato elicoilicoilico fatto da acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) e da un combustibile a base di paraffina annidata. Sulla base della stampa centrifuga e 3D, sono stati combinati i vantaggi dei due combustibili con diversi tassi di regressione. La speciale struttura elicoiale del grano combustibile dopo la combustione è illustrata nella figura 2. Quando il gas passa attraverso il grano combustibile, numerose zone di ricircolo vengono create simultaneamente a scanalature tra lame, come mostrato nella figura 3. Questa struttura caratteristica sulla superficie interna aumenta l'energia cinetica della turbolenza e il numero di vortice nella camera di combustione, che aumentano gli scambi di materia ed energia nella camera di combustione. In definitiva, il tasso di regressione del nuovo grano combustibile è effettivamente migliorato. L'effetto del miglioramento del tasso di regressione è stato ben dimostrato: in particolare, il tasso di regressione del nuovo grano combustibile è stato dimostrato essere superiore del 20% a quello del combustibile a base di paraffina al flusso di massa di 4 g/s·cm2,32.

Un vantaggio del grano combustibile con una struttura elicoiale annidata è che è semplice da produrre. Il processo di stampaggio richiede principalmente un miscelatore di fusione, una centrifuga e una stampante 3D. Il substrato ABS formato dalla stampa 3D riduce notevolmente i costi di produzione. Un altro vantaggio significativo e unico è che l'effetto di miglioramento non scompare durante il processo di combustione.

Questo documento presenta il sistema sperimentale e la procedura per migliorare le prestazioni di combustione di un motore a razzo ibrido utilizzando la nuova struttura del grano combustibile. Inoltre, questo documento presenta tre confronti rappresentativi dei parametri delle prestazioni di combustione per dimostrare la fattibilità della tecnica, tra cui la frequenza di oscillazione della pressione della camera di combustione, il tasso di regressione e l'efficienza di combustione caratterizzata da velocità caratteristica.

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Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Allestimento e procedure sperimentali

  1. Preparazione del grano combustibile
    NOTA: La granulometria con nuova struttura era costituita da due parti, che sono mostrate nella figura 4. Come parte principale del nuovo grano, il combustibile a base di paraffina rappresenta oltre l'80% della massa totale. Il substrato ABS viene utilizzato come combustibile aggiuntivo. La preparazione di questo grano combustibile è stata realizzata combinando stampa 3D e colata centrifuga.
    1. Preparazione del substrato
      1. Aprire il software 3D per il disegno del substrato ABS.
        NOTA: Il substrato ABS, che intendeva fornire la struttura elicoiale e il supporto per il combustibile a base di paraffina, è composto da dodici lame integrate che ruotano di 360° in senso orario nella direzione assiale e nella parete.
      2. Salvare la struttura 3D del substrato ABS come file STL.
      3. Aprire il software di affezione 3D e importare la struttura del substrato ABS.
      4. Fare clic su Avvia affezionee selezionare Modalità di stampa velocità dal modello principale.
        NOTA: Per l'estrusore primario scegliere ABS 1,75 mm.
      5. Fate doppio clic su Velocità (Speed),modificate la densità di riempimento al 100% e selezionate Zattera con gonna (Raft with Skirt) per l'aggiunta della piattaforma.
        NOTA: Per migliorare la qualità di stampa e prevenire la curvatura, è necessario utilizzare una struttura di base di stampa (Zattera con Gonna) per aumentare l'area di contatto tra il corpo di stampa e la piastra inferiore.
      6. Fare clic su Salva echiudi e quindi su Slice.
      7. Accendere la stampante 3D e importare il file slice del substrato ABS.
      8. Impostare la temperatura del letto riscaldato e dell'ugello rispettivamente a 100 e 240 °C.
      9. Fare clic su Avvia per stampare dopo la stabilizzazione.
    2. Preparazione del combustibile a base di paraffina
      1. Preparare materie prime di paraffina, cera di polietilene (PE), acido stearico, acetato di etilene-vinile (EVA) e polvere di carbonio. Configurare il combustibile a base di paraffina in base al rapporto tra questi componenti come 0,58:0,2:0,1:0,1:0,02.
        NOTA: Le informazioni specifiche di ciascuna materia prima sono riportate nella tabella dei materiali. Il rapporto di distribuzione del combustibile a base di paraffina non è fisso e può essere regolato in modo appropriato in base allo scopo dell'esperimento. Lo scopo dell'aggiunta di polvere di carbonio è quello di bloccare il trasferimento di calore radiante e impedire al grano combustibile di ammorbidirsi e collassare durante la combustione.
      2. Posizionare le materie prime configurate nel miscelatore di fusione e sciogliere e mescolare completamente fino a completa miscela.
        NOTA: Il combustibile a base di paraffina viene riscaldato a 120 °C per garantire la fusione completa prevenendo al contempo la deformazione delle lame ABS.
    3. Produzione di grani di combustibile
      NOTA: Per dimostrare meglio l'effetto del miglioramento delle prestazioni di combustione, sono stati impostati granelli di combustibile a base di paraffina con la stessa composizione del controllo.
      1. Posizionare il substrato ABS nella centrifuga e fissarlo con un tappo finale.
      2. Collegare l'alimentazione e accendere l'interruttore della pompa di raffreddamento ad acqua.
      3. Accendere il relè della centrifuga e aumentare la velocità a 1400 giri/min.
      4. Aprire la valvola sul miscelatore di fusione e iniziare a lanciare.
        NOTA: Il combustibile fuso a base di paraffina fluisce nella sezione iniziale dello stampo attraverso il tubo e il coperchio finale con un'apertura centrale. Sotto l'effetto della gravità, il combustibile liquido si diffonde lungo la direzione assiale dello stampo. In combinazione con un raffreddamento efficace, è necessario un metodo di fusione multipla, che è quello di dividere il processo di riempimento una volta originale in più volte, per ridurre lo stress termico.
      5. Rimuovere la granulosità del carburante e tagliare la forma.
    4. Misurazione e registrazione del grano combustibile
      1. Misurare e registrare il peso, la lunghezza e il diametro interno del grano combustibile.
      2. Fotografa il grano combustibile completo.
  2. Preparazione del sistema di motori a razzo ibrido
    NOTA: Come mostrato nella figura 5, il sistema di motore a razzo ibrido era composto da quattro parti: il sistema di alimentazione, il sistema di accensione, il motore e il sistema di misurazione e controllo. La parte del motore comprendeva cinque parti: l'accenditore della torcia, la testa, la camera di combustione, la camera di post-combustione e l'ugello. La lunghezza totale del motore a razzo ibrido è di circa 300 mm e il diametro interno della camera di combustione è di 70 mm.
    1. Assemblaggio di motori a razzo ibridi
      NOTA: I dettagli esaustivi del razzo ibrido su scala di laboratorio e la composizione del sistema sperimentale sono disponibili nel precedente articolo32.
      1. Fissare la sezione della camera di combustione del motore a razzo ibrido sul binario scorrevole.
      2. Caricare il grano combustibile e installare la sezione della camera di post-combustione.
      3. Installare la testa e l'ugello.
      4. Installare l'accenditore della torcia sulla testa del motore a razzo ibrido.
      5. Installare la candela e collegare l'alimentatore.
    2. Collegare le linee di alimentazione di azoto, ossidante, metano di accensione e gas ossigeno di accensione tra il banco di prova e la bombola del gas.
    3. Collegare il computer industriale, la scheda di acquisizione dati multifunzione, il controller di flusso di massa e la scatola di controllo del banco di prova.
    4. Alimentazione sul banco di prova, sul controller del flusso di massa e sull'accenditore.
  3. Controllare il sistema di test e impostare le condizioni sperimentali.
    1. Aprire il software FlowDDE e fare clic su Impostazioni comunicazioni dalla comunicazione.
    2. Fare clic sull'interfaccia di connessione corrispondente e fare clic su OK.
    3. Fare clic su Apri comunicazione per stabilire la comunicazione con il controller di flusso e aprire il programma di misurazione e controllo (MCP).
    4. Impostare il canale di I/O della scheda di acquisizione dati multifunzione e fare clic su Esegui per stabilire la comunicazione con l'intero sistema.
    5. Controllare lo stato di esecuzione di MCP e impostare la modalità di controllo manuale.
      NOTA: l'MCP include due modalità: il controllo manuale viene utilizzato per il debug e il controllo automatico viene utilizzato durante gli esperimenti. L'MCP scritto da LabVIEW è illustrato nella figura 6.
    6. Controllare le condizioni di lavoro della candela ed eseguire un test della valvola.
    7. Funzione di registrazione dei dati di prova.
    8. Aprire l'interfaccia di impostazione e impostare il tempo di test, inclusi l'orario di apertura e chiusura della valvola, il tempo di accensione e la durata della registrazione dei dati.
      NOTA: Ci vuole un po 'di tempo perché il regolatore di flusso di massa regoli il flusso dell'ossidante al valore impostato, quindi il tempo di accensione è stato impostato su 2 s dopo la fornitura dell'ossidante.
    9. Impostare i requisiti di sicurezza e liberare il personale dall'area sperimentale.
    10. Aprire la valvola del cilindro e regolare la pressione di uscita della valvola di regolazione in base alle diverse condizioni di portata di massa.
      NOTA: Con la pressione di alimentazione di 6MPa, l'intervallo di portata di massa dell'ossidante è compreso tra 7 g/s e 29 g/s.
    11. Aprire l'interfaccia di impostazione e impostare la portata di massa dell'ossidante.
  4. Accensione del motore a razzo ibrido
    1. Accendi la fotocamera.
    2. Impostare l'MCP sulla modalità di controllo automatico e attendere il trigger.
    3. Fate clic su Avvia (Start) sull'MCP per avviare l'esperimento.
    4. Dopo circa un minuto, fare clic su Interrompi sull'MCP e spegnere la fotocamera.
    5. Chiudere la bombola del gas e aprire la valvola nella tubazione per alleviare la pressione.
    6. Spegnere il banco di prova e rimuovere la grana del carburante.
    7. Ripetere il passaggio 1.1.4.

2. Analisi delle prestazioni di combustione

  1. Analisi dell'oscillazione di pressione
    NOTA: I dati sulla pressione della camera di combustione salvati sono rappresentati come Pc(t).
    1. Aprire Pc(t) con il software di elaborazione dati.
    2. Scegli il periodo di tempo durante il processo di combustione del motore a razzo ibrido.
    3. Selezionate Analisi (Analysis) > Elaborazione segnale (Signal Processing) > FFT per analizzare l'oscillazione della pressione.
    4. Usare le impostazioni predefinite e fare clic su OK.
  2. Analisi del tasso di regressione
    1. Calcolare il tasso di regressione del grano combustibile in base alla seguente funzione:
      figure-protocol-1
      dove ΔD rappresenta il cambiamento dei diametri interni medi del grano combustibile solido dopo la prova di cottura; figure-protocol-2 rappresentano il cambiamento di qualità del grano combustibile; L è la lunghezza del grano combustibile; ρ è la densità media del combustibile solido; t è l'orario di lavoro.
      NOTA: La densità media ρ del granello nuovo è stata espressa come:
      figure-protocol-3
      dove figure-protocol-4 e rappresentano la figure-protocol-5 densità rispettivamente del combustibile a base di paraffina nidificata e del materiale ABS; figure-protocol-6 e rappresentano rispettivamente la frazione di massa del figure-protocol-7 combustibile a base di paraffina annidata e del materiale ABS.
    2. Adattare il tasso di regressione in funzione del flusso di ossidante.
      NOTA: la funzione di raccordo è stata selezionata come Allometric1 figure-protocol-8 e l'algoritmo iterativo è stato selezionato come algoritmo di ottimizzazione di Levenberg-Marquardt.
  3. Analisi dell'efficienza di combustione
    1. Calcolare la pressione media della camera di combustione Pc con la seguente funzione:
      figure-protocol-9
      dove Pc(t) rappresenta la pressione della camera di combustione in momenti diversi; t1 e t nrappresentano rispettivamente i tempi iniziali e finali in cui la pressione della camera di combustione era superiore al 50% della pressione media; n rappresenta il numero di punti dati di pressione tra e t1 e tn.
    2. Calcolare la velocità caratteristica di C⃰ in base alla seguente funzione:
      figure-protocol-10
      dove Pc è la pressione media della camera di combustione; Unat è l'area della gola; ḿ è la portata di massa totale.
    3. Calcolare la velocità teorica caratteristica del combustibile paraffina C⃰P dal codice CEA33 dellaNASA.

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Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La figura 7 mostra le variazioni della pressione della camera di combustione e della portata di massa dell'ossidante. Per fornire il tempo necessario per la regolazione del flusso, l'ossidante entra in anticipo nella camera di combustione. Quando il motore costruisce pressione nella camera di combustione, la portata di massa dell'ossigeno diminuisce rapidamente e quindi mantiene un cambiamento relativamente costante. Durante il processo di combustione, la pressione nella camera di combustion...

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La tecnica presentata in questo articolo è un nuovo approccio che utilizza un grano combustibile con una struttura elicoiale annidata. Non vi sono difficoltà nella creazione delle attrezzature e degli impianti necessari. La struttura elicoiale può essere facilmente prodotta dalla stampa 3D e la nidificazione di combustibili a base di paraffina può essere facilmente effettuata mediante colata centrifuga. Le stampanti 3D FDM (Fused Deposition Molding) non sono costose e il costo delle centrifughe è basso.

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Questo lavoro è stato supportato dalla National Natural Science Foundation of China (Grant n. 11802315, 11872368 e 11927803) e dalla Equipment Pre-Research Foundation del National Defense Key Laboratory (Grant n. 6142701190402).

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Stampante 3DRaise3DN2 Plus305 &volte; 305 &volte; 605 mm
Software di disegno 3DAutodeskInventor
ABSRaise3DABS nero1,75 mm
FotocameraSonyA6000
CarbonAibeisiATP-88AT
Macchina centrifugaLuqiao Langbo Motor Co.LtdPersonalizzato≤ 1450 rpm
Software di elaborazione datiOriginLabOrigin 2020
EVADuPont Company360binder
Controllore di flusso di massaBronkhostF-203AV0-1500 ln/min
Melt mixerWinzhou Chengyi Jixie Co.LtdCustom
Scheda di acquisizione dati multifunzioneNIUSB-6211
ParaffinaSinopec Group Company58#Paraffina completamente raffinata, punto di fusione≈ 58 gradi; C
PE ceraQatar industria chimica petrolifera Azienda
Raise3DideaMaker
CandelaNGKPFR7S8EG
Acido stearicoico Reagente AziendaIndurentepersonalizzato
Software di affettatura personalizzato

References

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