Design of a pintle injector

Abstract

Bu çalışma ile, sıvı oksijen/gaz metan roket motorları için tasarım yöntemi verilmiştir.Sprey karakteristiklerini incelemek için, su ve hava ile soğuk akış testlerigerçekleştirilmiştir. En yüksek itkisi 750N olan ve itkisinin üçte birine indirmekabiliyetine sahip püskürteç tasarımı esas alınarak tasarım süreci başlatılmıştır.Nizami ve eksenel spray elde etmek üzere 3 farklı hazne geometrisi deneysel olarakincelenmiştir. Hazne geometrisi belirlendikten sonra 3 oksitleyici ve 2 yakıtgeometrisinin kombinasyonu olacak şekilde 6 farklı püskürteç tasarlanmıştır.Literatürdeki boyutsuz parametreler kullanılarak soğuk akış deneylerinin su ve havadebileri belirlenmiştir. Faz Doppler parçacık analizcisi kullanılarak parçacıklarınSauter ortalama çapları ve hız profilleri elde edilmiştir. 3 farklı itki seviyesinde budeneyler her püskürteç için gerçekleştirilmiştir. Bunlara ek olarak, hızlı kamera ilesprey açıları ölçülmüştür ve test sonrası incelemeler için kontrastı yüksek görsellerelde edilmiştir. Çalışılan debilerde sadece 20° açılı iğnelerde döngüsel alanlaroluşmuş, 30° ve 40° iğne açılarında döngüsel alanlar oluşmamıştır. Bu alanlarınbitişlerinde ise Sauter ortalama çaplarında bir artış gözlemlenmiştir. Ayrıca, 20° açılıiğne uçlarında, 58° püsküteç yarım açısına ulaşılmışır. Döngüsel alanlarda Sauterortalama çaplarının 20-50 μm arasında çeşitlendiği gözlemlenmiştir. Bunlara ek olarak Sauter ortalama çaplarının 20° iğne ucunda görece daha düşük olduğu gözlemlenmiştir.

Pintle injector design methodology for liquid oxygen/gaseous methane rocket engineis investigated with this study. Cold flow experimental work is conducted with waterand air to investigate the characteristics of designed injectors by observing sprayformations. 750N at maximum thrust with 3:1 throttle ability is chosen as missionrequirement. 3 different reservoir geometries are manufactured and experimentalinvestigation is conducted to ensure uniform and axisymmetric spray cone. Afterdecision of the final reservoir, 6 different injectors are designed which are combinationof 3 different pintle angles and 2 different annular gap thickness. Non-dimensionalparameters from literature are used to determine water and air mass flow rates of coldflow experiments. Phase Doppler Particle Analyzer (PDPA) is utilized to obtaindroplet Sauter mean diameters (SMD) and velocity profile in axial and radial directionwithin the spray. These experiments are carried out for 3 different throttle level for allinjectors designed. Spray half cone angles are measured by high speed camera andhigh contrast images are obtained for post processing observations. At studied flowrates recirculation zone is obtained only for 20° instead of 30° and 40° pintle anglesand Sauter Mean Diameter (SMD) increase is experienced at the end of theserecirculation zones. Moreover, wider spray half angles up to 58° are obtained with thepintle angle of 20°. SMD values are in the range of 20-50 μm for all injector types at recirculation zones and injectors with 20° pintle angle have the lowest SMD valuescompared with the other injectors.