Poprawa wydajności spalania hybrydowego silnika rakietowego przy użyciu nowego ziarna paliwa o zagnieżdżonej strukturze spiralnej

Summary

Przedstawiono technikę wykorzystującą ziarno paliwa stałego z nowatorską, zagnieżdżoną spiralną strukturą w celu poprawy wydajności spalania hybrydowego silnika rakietowego.

Abstract

Przedstawiono technikę poprawy wydajności spalania hybrydowego silnika rakietowego przy użyciu nowatorskiej struktury ziarna paliwa. Technika ta wykorzystuje różne szybkości regresji paliw na bazie akrylonitrylu-butadienu, styrenu i parafiny, które zwiększają wymianę zarówno materii, jak i energii poprzez przepływ wirowy i strefy recyrkulacji utworzone w rowkach między sąsiednimi łopatkami. Technika odlewania odśrodkowego służy do odlewania paliwa na bazie parafiny na podłoże akrylonitryl-butadien-styren wykonane metodą druku trójwymiarowego. Wykorzystując tlen jako utleniacz, przeprowadzono serię testów w celu zbadania wydajności spalania nowego ziarna paliwa. W porównaniu z ziarnami paliwa na bazie parafiny, ziarno paliwa o zagnieżdżonej spiralnej strukturze, która może być utrzymywana przez cały proces spalania, wykazało znaczną poprawę współczynnika regresji i duży potencjał w poprawie efektywności spalania.

Introduction

Technika poprawy wydajności spalania hybrydowego silnika rakietowego jest pilnie potrzebna. Do tej pory praktyczne zastosowania hybrydowych silników rakietowych są nadal znacznie mniejsze niż w przypadku silników rakietowych na paliwo stałe i ciekłe^1,2. Niski współczynnik regresji tradycyjnych paliw ogranicza poprawę wydajności ciągu dla hybrydowego silnika rakietowego^3,4. Ponadto jej wydajność spalania jest nieco niższa niż w przypadku innych rakiet wykorzystujących energię chemiczną ze względu na spalanie dyfuzyjne w ⁵, jak pokazano na Rysunek 1. Chociaż badano i rozwijano różne techniki, takie jak stosowanie wielu portów⁶, dodatki wzmacniające^7,8,9, skraplanie paliwa^10,11,12, swirl injection¹³, protrusions¹⁴, and bluff body¹⁵, podejścia te wiążą się z problemami w wykorzystaniu objętości, wydajności spalania, wydajności mechanicznej i jakości redundancji. Do tej pory więcej uwagi poświęcono ulepszeniu strukturalnemu ziarna paliwa, które nie ma tych wad, jako skuteczny sposób na poprawę wydajności spalania^16,17. Pojawienie się druku trójwymiarowego (3D) przyniosło skuteczny sposób na zwiększenie wydajności hybrydowych silników rakietowych dzięki możliwości szybkiej i niedrogiej produkcji zarówno złożonych, konwencjonalnych projektów ziarna, jak i niekonwencjonalnych ziaren paliwa^{18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30}. Jednak podczas procesu spalania te ulepszenia wydajności spalania zmniejszają się wraz ze spalaniem charakterystycznej struktury, co skutkuje spadkiem wydajności spalania²³. Wykazaliśmy, że nowatorski projekt jest przydatny w poprawie osiągów hybrydowych silników rakietowych³¹. Szczegółowe informacje na temat tej techniki i reprezentatywne wyniki przedstawiono w niniejszym artykule.

Ziarno paliwa składa się z spiralnego podłoża wykonanego z akrylonitrylu-butadienu-styrenu (ABS) oraz zagnieżdżonego paliwa na bazie parafiny. W oparciu o druk odśrodkowy i druk 3D połączono zalety tych dwóch paliw o różnych wskaźnikach regresji. Specjalną spiralną strukturę ziarna paliwa po spaleniu pokazano na rysunku 2. Gdy gaz przepływa przez ziarno paliwa, w rowkach między łopatkami powstają jednocześnie liczne strefy recyrkulacji, co pokazano na rysunku Rysunek 3. Ta charakterystyczna struktura na wewnętrznej powierzchni zwiększa energię kinetyczną turbulencji i liczbę zawirowań w komorze spalania, co zwiększa wymianę zarówno materii, jak i energii w komorze spalania. Ostatecznie współczynnik regresji nowego ziarna paliwowego ulega skutecznej poprawie. Efekt poprawy współczynnika regresji został dobrze udowodniony: w szczególności wykazano, że współczynnik regresji nowego ziarna paliwa jest o 20% wyższy niż paliwa na bazie parafiny przy strumieniu masowym 4 g/s·cm^2,32.

Jedną z zalet ziarna paliwa o zagnieżdżonej spiralnej strukturze jest to, że jest łatwe w produkcji. Proces formowania wymaga głównie mieszalnika stopu, wirówki i drukarki 3D. Podłoże ABS uformowane przez druk 3D znacznie obniża koszty produkcji. Kolejną istotną i unikalną zaletą jest to, że efekt wzmocnienia nie znika podczas procesu spalania.

Ten artykuł przedstawia eksperymentalny system i procedurę poprawy wydajności spalania hybrydowego silnika rakietowego przy użyciu nowatorskiej struktury ziarna paliwa. Dodatkowo w artykule przedstawiono trzy reprezentatywne porównania parametrów wydajności spalania w celu udowodnienia wykonalności tej techniki, w tym częstotliwości oscylacji ciśnienia w komorze spalania, szybkości regresji oraz sprawności spalania charakteryzującej się prędkością charakterystyczną.

Protocol

1. Konfiguracja i procedury eksperymentalne

1. Przygotowanie paliwa grain
   UWAGA: Ziarno paliwa o nowej strukturze składało się z dwóch części, które pokazano na rysunku Rysunek 4. Paliwo na bazie parafiny, jako główna część nowego ziarna, stanowi ponad 80% całkowitej masy. Podłoże ABS jest wykorzystywane jako paliwo dodatkowe. Przygotowanie tego ziarna paliwa zostało zrealizowane poprzez połączenie druku 3D i odlewania odśrodkowego.
   1. Przygotowanie podłoża
      1. Otwórz oprogramowanie 3D do rysowania podłoża ABS.
         UWAGA: Podłoże ABS, które miało zapewnić spiralną ramę i podparcie dla paliwa na bazie parafiny, składa się z dwunastu zintegrowanych łopatek, które obracają się o 360° zgodnie z ruchem wskazówek zegara w kierunku osiowym i ściany.
      2. Zapisz strukturę 3D podłoża ABS jako plik STL.
      3. Otwórz oprogramowanie do krojenia 3D i zaimportuj strukturę podłoża ABS.
      4. Kliknij przycisk Start Ssliceing (Rozpocznij krojenie) i wybierz opcję Speed print mode (Tryb szybkiego drukowania) z Main Template (Szablon główny).
         UWAGA: Dla ekstrudera głównego wybierz ABS 1.75 mm.
      5. Kliknij dwukrotnie Prędkość, zmień gęstość wypełnienia na 100% i wybierz Tratwa z fartuchem dla Dodatek platformy.
         UWAGA: Aby poprawić jakość druku i zapobiec wypaczeniom, konieczne jest użycie struktury podstawy druku (tratwa z spódnicą) w celu zwiększenia powierzchni styku między korpusem wydruku a dolną płytą.
      6. Kliknij przycisk Zapisz i zamknij, a następnie kliknij przycisk Plasterek.
      7. Włącz drukarkę 3D i zaimportuj plik plasterka podłoża ABS.
      8. Ustaw temperaturę podgrzewanego stołu i dyszy odpowiednio na 100 i 240 °C.
      9. Kliknij przycisk Start, aby drukować po ustabilizowaniu się.
   2. Przygotowanie paliwa na bazie parafiny
      1. Przygotuj surowce z parafiny, wosku polietylenowego (PE), kwasu stearynowego, octanu etylenu i winylu (EVA) oraz proszku węglowego. Skonfiguruj paliwo na bazie parafiny zgodnie ze stosunkiem tych składników jako 0,58:0,2:0,1:0,1:0,02.
         UWAGA: Szczegółowe informacje o każdym surowcu są podane w tabeli materiałów. Stosunek dystrybucji paliwa na bazie parafiny nie jest stały i można go odpowiednio dostosować w zależności od celu eksperymentu. Celem dodania proszku węglowego jest zablokowanie promieniowania cieplnego i zapobieżenie mięknięciu i zapadaniu się ziarna paliwa podczas spalania.
      2. Umieść skonfigurowane surowce w mieszalniku stopu i całkowicie rozpuść i mieszaj, aż do całkowitego wymieszania.
         UWAGA: Paliwo na bazie parafiny jest podgrzewane do 120 °C, aby zapewnić całkowite stopienie, jednocześnie zapobiegając deformacji łopatek ABS.
   3. Produkcja zboża opałowego
      UWAGA: Aby lepiej zademonstrować efekt poprawy wydajności spalania, jako kontrolę ustawiono ziarna paliwa na bazie parafiny o tym samym składzie.
      1. Umieść substrat ABS w wirówce i zabezpiecz go zaślepką.
      2. Podłącz zasilanie i włącz przełącznik pompy chłodzenia wodą.
      3. Włącz przekaźnik wirówki i zwiększ prędkość do 1400 obr./min.
      4. Otwórz zawór na mieszalniku stopu i rozpocznij odlewanie.
         UWAGA: Stopione paliwo na bazie parafiny przepływa do początkowej części formy przez rurę i pokrywę końcową z centralnym otworem. Pod wpływem grawitacji ciekłe paliwo rozchodzi się wzdłuż kierunku osiowego formy. W połączeniu z efektywnym chłodzeniem, w celu zmniejszenia naprężeń termicznych wymagana jest metoda wielokrotnego odlewania, która polega na podzieleniu pierwotnego jednorazowego procesu napełniania na wiele razy.
      5. Usuń ziarno paliwa i przytnij kształt.
   4. Pomiar i rejestracja ziarna paliwa
      1. Zmierz i zapisz masę, długość i średnicę wewnętrzną ziarna paliwa.
      2. Sfotografuj całe ziarno paliwa.
2. Przygotowanie hybrydowego układu silnika rakietowego
   UWAGA: Jak pokazano na Rysunek 5, hybrydowy system silnika rakietowego składał się z czterech części: układu zasilania, układu zapłonowego, silnika oraz systemu pomiaru i kontroli. Część silnikowa składała się z pięciu części: zapalnika pochodni, głowicy, komory spalania, komory dopalania i dyszy. Całkowita długość hybrydowego silnika rakietowego wynosi około 300 mm, a wewnętrzna średnica komory spalania 70 mm.
   1. Zespół hybrydowego silnika rakietowego
      UWAGA: Wyczerpujące szczegóły dotyczące rakiety hybrydowej w skali laboratoryjnej i składu systemu eksperymentalnego można znaleźć w poprzednim artykule³².
      1. Zamocuj sekcję komory spalania hybrydowego silnika rakietowego na szynie ślizgowej.
      2. Załaduj ziarno paliwa i zamontuj sekcję komory dopalania.
      3. Zamontuj głowicę i dyszę.
      4. Zamontuj zapalnik pochodni na głowicy hybrydowego silnika rakietowego.
      5. Zainstaluj świecę zapłonową i podłącz zasilanie.
   2. Podłącz przewody doprowadzające azot, utleniacz, metan zapłonowy i tlen zapłonowy między stanowiskiem testowym a butlą z gazem.
   3. Podłącz komputer przemysłowy, wielofunkcyjną kartę akwizycji danych, regulator przepływu masowego i skrzynkę sterowniczą stanowiska testowego.
   4. Włącz stanowisko testowe, regulator przepływu masowego i zapalarkę.
3. Sprawdź system testowy i ustaw warunki eksperymentu.
   1. Otwórz oprogramowanie FlowDDE i kliknij Ustawienia komunikacji w oknie Komunikacja.
   2. Kliknij odpowiedni interfejs połączenia i kliknij przycisk OK.
   3. Kliknij Otwórz komunikację, aby nawiązać komunikację ze sterownikiem przepływu i otworzyć program pomiarowo-kontrolny (MCP).
   4. Ustaw kanał I/O wielofunkcyjnej karty akwizycji danych i kliknij przycisk Uruchom, aby nawiązać komunikację z całym systemem.
   5. Sprawdź stan działania MCP i ustaw go w trybie sterowania ręcznego.
      UWAGA: MCP obejmuje dwa tryby: sterowanie ręczne służy do debugowania, a sterowanie automatyczne jest używane podczas eksperymentów. MCP napisany przez LabVIEW jest pokazany w Rysunek 6.
   6. Sprawdź stan pracy świecy zapłonowej i wykonaj test zaworu.
   7. Funkcja zapisu danych testowych.
   8. Otwórz interfejs ustawień i ustaw czas testu, w tym czas otwarcia i zamknięcia zaworu, czas zapłonu i czas zapisu danych.
      UWAGA: Regulator przepływu masowego potrzebuje trochę czasu, aby wyregulować przepływ utleniacza do ustawionej wartości, więc czas zapłonu został ustawiony na 2 s po podaniu utleniacza.
   9. Ustal wymagania bezpieczeństwa i usuń personel z obszaru eksperymentalnego.
   10. Otwórz zawór butli i wyreguluj ciśnienie wyjściowe zaworu regulacyjnego zgodnie z różnymi warunkami masowego natężenia przepływu.
       UWAGA: Przy ciśnieniu zasilania 6 MPa zakres masowego natężenia przepływu utleniacza wynosi od 7 g/s do 29 g/s.
   11. Otwórz interfejs ustawień i ustaw masowe natężenie przepływu utleniacza.
4. Zapłon hybrydowego silnika rakietowego
   1. Włącz aparat.
   2. Ustaw MCP w tryb automatycznego sterowania i poczekaj na wyzwolenie.
   3. Kliknij przycisk Start na MCP, aby rozpocząć eksperyment.
   4. Po około minucie kliknij Stop na MCP i wyłącz kamerę.
   5. Zamknij butlę z gazem i otwórz zawór w rurociągu, aby zmniejszyć ciśnienie.
   6. Wyłącz stanowisko testowe i usuń ziarno paliwa.
   7. Powtórz krok 1.1.4.

2. Analiza wydajności spalania

1. Analiza oscylacji ciśnienia
   UWAGA: Zapisane dane dotyczące ciśnienia w komorze spalania są reprezentowane jako P_c(t).
   1. Otwórz P_c(t) za pomocą oprogramowania do przetwarzania danych.
   2. Wybierz okres czasu podczas procesu spalania hybrydowego silnika rakietowego.
   3. Wybierz opcję Analysis > Signal Processing (Analiza przetwarzania sygnału> FFT, aby przeanalizować oscylację ciśnienia.
   4. Użyj ustawień domyślnych i kliknij przycisk OK.
2. Analiza wskaźnika regresji
   1. Obliczyć współczynnik regresji ziarna paliwa zgodnie z następującą funkcją:
      
      gdzie ΔD oznacza zmianę średnich średnic wewnętrznych ziarna paliwa stałego po próbie wypalania; reprezentują zmianę jakości ziarna paliwa; L jest długością ziarna paliwa; ρ oznacza średnią gęstość paliwa stałego; t to czas pracy.
      UWAGA: Średnia gęstość ρ nowego ziarna została wyrażona jako:
      
      gdzie i reprezentują gęstość odpowiednio zagnieżdżonego paliwa na bazie parafiny i materiału ABS; i reprezentują odpowiednio ułamek masowy zagnieżdżonego paliwa na bazie parafiny i materiału ABS.
   2. Dopasuj szybkość regresji do funkcji strumienia utleniacza.
      UWAGA: Funkcja dopasowania została wybrana jako Allometric1 , a algorytm iteracyjny został wybrany jako algorytm optymalizacji Levenberga-Marquardta.
3. Analiza efektywności spalania
   1. Obliczyć średnie ciśnienie w komorze spalania P_c za pomocą następującej funkcji:
      
      gdzie P_c(t) oznacza ciśnienie w komorze spalania w różnych momentach; t₁ i t_n oznaczają początkowy i końcowy czas, w którym ciśnienie w komorze spalania było odpowiednio większe niż 50 % średniego ciśnienia; n oznacza liczbę punktów danych ciśnienia między i t₁ i t_n.
   2. Obliczyć prędkość charakterystyki spalania C⃰ zgodnie z następującą funkcją:
      
      gdzie P_c oznacza średnie ciśnienie w komorze spalania; A_t to obszar gardła; ḿ oznacza całkowite masowe natężenie przepływu.
   3. Oblicz teoretyczną prędkość charakterystyczną paliwa parafinowego C⃰_P według kodu NASA CEA³³.

Results

Rysunek 7 pokazuje zmiany ciśnienia w komorze spalania i masowego natężenia przepływu utleniacza. Aby zapewnić niezbędny czas na regulację przepływu, utleniacz wcześniej wchodzi do komory spalania. Gdy silnik wytwarza ciśnienie w komorze spalania, masowe natężenie przepływu tlenu gwałtownie spada, a następnie utrzymuje stosunkowo stałą zmianę. Podczas procesu spalania ciśnienie w komorze spalania pozostaje stosunkowo stabilne.

Obrazy przedstawiające porównanie czę...

Discussion

Technika przedstawiona w tym artykule jest nowatorskim podejściem wykorzystującym ziarno paliwa o zagnieżdżonej strukturze spiralnej. Nie ma trudności z ustawieniem niezbędnego sprzętu i obiektów. Spiralną strukturę można łatwo wytworzyć za pomocą druku 3D, a zagnieżdżanie paliw na bazie parafiny można łatwo przeprowadzić przez odlewanie odśrodkowe. Drukarki 3D do formowania z topionym osadzaniem (FDM) nie są drogie, a koszt wirówek jest niski.

Gdy okazało się, że na wewnętrznej powierzchni uk...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Drukarka 3D	Raise3D	N2 Plus	305 & razy; 305 & razy; 605 mm
Oprogramowanie do rysowania 3D	Autodesk	Inventor
ABS	Raise3D	ABS	1,75 mm
Kamera	Sony	A6000
Carbon	Aibeisi	ATP-88AT
Maszyna odśrodkowa	Luqiao Langbo Motor Co.Ltd	Custom	≤ 1450 obr./min
Oprogramowanie do przetwarzania danych	OriginLab	Origin 2020
EVA	DuPont Company	360	spoiwo
Kontroler przepływu masowego	Bronkhost	F-203AV	0-1500 ln/min
Mieszalnik stopu	Winzhou Chengyi Jixie Co.Ltd	Niestandardowa
wielofunkcyjna karta akwizycji danych	NI	USB-6211
Parafina	Sinopec Group Company	58#	W pełni rafinowana parafina, temperatura topnienia≈ 58&stopni; C
PE wosk	Katar przemysł naftowy chemiczny Firma	Niestandardowe
oprogramowanie do krojenia	Raise3D	ideaMaker
Świeca zapłonowa	NGK	PFR7S8EG
Kwas stearynowy	ical Firma odczynnika	Niestandardowy	utwardzacz