Polskie Towarzystwo Rakietowe - Amatorskie Konstrukcje Rakiet

Nadejszła wiekopomna chwiła i hybrydy zagościły także u nas.
Jest to pierwszy test, silnika "mono tube" gdzie utleniaczem jest klasyczny n2o, natomiast paliwem zasadniczym Pa6 - lub jak kto woli poliamid/nylon.
Test wykonany bez pomiarów - chodziło głownie o sprawdzenie systemu zapłonu, czasu pracy itd...



Zaskoczyła mnie praca silnika - dla tego proszę o jakieś uwagi, sugestie....
Wygląda to tak, jakby płomień się pojawił, wraz z spalaniem masy zapłonowej, potem jakby gaśnie, i znowu się zapala, gaśnie i resztka podtlenku po prostu wytryskuje przez dysze. Zapomniałem zrobić zdjęcia ziemi pod silnikiem, ale wyglądała jakby zroszona konewką.

Co można powiedzieć na podstawie tego filmu?

Witam.

Nie znam się więc powinienem siedzieć cicho, ale mam pewną teorię.

Takie schowanie się płomienia to zmniejszenie osiągów silnika, jeżeli zmniejszyć by gęstość paliwa ( czyt. ilość utleniacza w komorze utleniacza), osiągi spadną.

Stąd mam taki wniosek, że nawalił wtrysk, albo podtlenek "sikał" na wylot przez silnik ( co tłumaczyło by wilgoć pod silnikiem), albo coś się przytkało.

Oto dane które mogą okazać się pomocne w analizie testu:

Średnica wtrysku - 3mm
Pole wtrysku - 7mm^


Średnica krytyczna dyszy - 9mm
Pole śr. krytycznej - 63,5mm^

Zatem stosunek wtrysk - śr krytyczna = 9

Długość ziarna - 18cm można powiedzieć że 17cm, bo 1cm w głąb wchodzi wtryskiwacz.
Średnica początkowa kanału w paliwie 27mm

Zatankowałem około 460g N2O w około 6s.
Zużycie paliwa wyniosło około 25g

Zatem udział utleniacz - paliwo wyniósł 18-1 - z tego co wiem, to idealnie było by coś około 10-1.

Jakieś sugestie - jak można to poprawić?

Po pierwsze - gratuluję pierwszego płomyka hybrydowego!

Tofifi pisze:udział utleniacz - paliwo wyniósł 18-1 (...) Jakieś sugestie - jak można to poprawić?

No to masz odpowiedź czemu płomień się dziwnie zachowywał. Stechiometria jest totalnie do bani. Generalizując, dobry udział paliwa do około 15%, u Ciebie było 5%. Impuls jest na pewno niski, nie wykorzystany utleniacz wydostaje się przez dyszę powodując zapewne jej dużą erozję.
Przeciwdziałać temu można zwiększając powierzchnię paliwa (wydłużenie, kanał typu gwiazda, ziarno wieloportowe itp.), stosując paliwo, które bardziej eroduje (parafina, asfalt), lub podnosząc erozję paliwa przez skierowanie na jego powierzchnię strumienia podtlenku (tu trzeba uważać, żeby nie wypalić sobie w nim dziury na wylot. Znaczenie też ma rodzaj wtrysku - jeśli to jedna "dziura", to utleniacz wpada szerokim strumieniem i potrzebuje dużo czasu na rozproszenie, odparowanie i rozkład więc i trudniej o prawidłowe zachodzenie reakcji w komorze.

Dziękuje za gratki oraz cenne rady.
Generalnie założenia wyjściowe były takie aby postawić na Poliamid, ponieważ:
-nie wymaga, ważenia, topienia, odlewania, wiercenia itpd
-jest względnie tani
-można go kupić na metry
-posiada wewnątrz kanał 27mm, średnica zewnętrzna bodajże 45mm, a więc idealnie wpasowuje się w tuleje kartonowe (grubość ścianek 2,2mm), które też łatwo pozyskać
-słabo przewodzi ciepło, a wiec spalajac się na zewnatrz kanałem niejako termicznie zabezpiecza główny izolator
-blok, jest "stabilny" grubościenny

Wszystkie te składowe zadecydowały o tym aby wykorzystać ten materiał. Po prostu kupuje tyle cm ile chcem, wkładam w izolacje z kartonu w którą ciasno wchodzi i już ....

Zatem według Ciebie pójść w kierunku zwiększenia powierzchni spalania?
Fakty są pokrywają się z tym co mówisz - wtrysk to typowa złączka do węży, w ziarnie widać, że najbardziej zerodowało jakieś 5-8cm poniżej wtrysku.
Nie chcę mocno komplikować konstrukcji - ma być cepowata ale skuteczna, w kosmos się nie wybieram, bardziej zależy mi na skutecznym/powtarzalnym silniku coś jak poczciwe rosy czy schermuły - dalekie od ideału ale robotę robią

Najprostsze rozwiązanie jakie widzę, to wydłużyć ziarno, zapewne metodą prób i błędów można za ntym razem znaleźć najlepszą długość, ale czy chociaż pi razy oko można ocenić o ile cm je wydłużyć?
Mam na myśli to, ze mogę z 18cm długości zrobić np 30cm, a po każdym teście skracać i skracać - z tym że to dość nie efektywny sposób, można jakoś wstępnie zawężać widełki w jakich mam szukać właściwej długości ?

Chociaż mnie wstępnie nakierowałeś to jednak chciałbym podrążyć temat zachowania się gazów wylotowych - dla czego płomień jest wyraźny przez 1 sekundę, potem jakby się cofa / znika i znowu pojawia - coś jak efekt pulsacyjny / skoki ciśnień czy jak to rozumieć?

PS. Erozja dyszy nie nastąpiła - w jakimkolwiek nawet najmniejszym stopniu


EDIT: Przemyślałem trochę moje pytanie odnośnie długości kanału w paliwie i doszedłem do wniosku, że skoro widoczna erozja obecnego bloku paliwa zaczęła się powiedzmy te 5-8cm niżej, to znaczy, że mniej więcej tyle drogi potrzebuje podtlenek żeby zacząć porządnie reagować. Czyli według tej teorii to blok trzeba wydłużyć o minimum 5-8cm, lub więcej... teraz tylko pytanie gdzie jest ta druga granica widełek, zdaje sobie sprawę że jeśli zbyt mocno się wydłuży kanał, to paliwo zamiast się utleniać będzie się po prostu topić czyli tez nie najkorzystniej.

Witam!

Z filmu niewiele wynika.Nie widać czy KS jest połączona w jeden blok ze zbiornikiem czy połączona wężem
/jego długość i przekrój?/ na stałe czy przez szybkozłącze.Nie widać sposobu zwalniania podtlenku ręcznie
czy automatycznie.Nie napisałeś o konstrukcji KS ani o materiale dyszy.Trzeba zrobić sekcje ziarna żeby zobaczyć
czy KS jest gładka czy chropowata.Niekoniecznie trzeba wydłużać ziarno może wystarczy zmniejszyć fi kanału
do12/13mm i będzie większy kontakt ziarna z podtlenkiem i większa erozja ziarna.Przy naszych próbach 003
i 005 używaliśmy ziarna z miękkiego PCV dł.200mm z kanałem fi12/13mm z wtryskiem fi4,dysząAl fi10 uzyskiwaliśmy dość dużą erozję ziarna a kanał w środku był bardzo chropowaty /dysza cała/.

Pozdrawiam.tadeusz

tadeusz pisze:Witam!

Z filmu niewiele wynika.Nie widać czy KS jest połączona w jeden blok ze zbiornikiem czy połączona wężem
/jego długość i przekrój?/ na stałe czy przez szybkozłącze
Pozdrawiam.tadeusz

Owszem napisałem na samym początku. Jest to silnik typu monotube czyli konstrukcja jaką jakiś czas temu pokazywał Ksard i Damian.
Rura aluminiowa 50/2mm w której przegroda dzieląca blok paliwa i zbiornik na N2O jest jednocześnie wtryskiwaczem.
Tankowanie odbywa się poprzez wężyk wprowadzany przez dyszę i dokręcony do złączki wkręcanej w przegrodę. Uruchomienie następuje po zainicjowaniu zapłonnika który rozpala masę zapłonową, a ta przepala wężyk który urywa się na wspomnianej złączce i wylatuje przez dyszę (widać na filmie).
Sama złączka (wtrysk) ma otwór o średnicy ok 3mm.
Za blok paliwa służy "grubościenna" rura z Poliamidu (pa6), opisałem również to w pierwszym poście. Wkradł się tam tylko błąd, bo wymiary ziarna to: 18cm długości, średnica zewnętrzna 45mm, a średnica kanału to 30mm.

Co do oględzin ziarna - to w mojej ocenie, kanał wcale nie jest jakoś porowaty, może to kwestia tego że to zupełnie inny materiał? Wy używaliście gumowych węży zdaje się z PE czyli polietylenu. Poliamid jest twardszy i to sporo.
Sama dysza wykonana jest z grafitu, umieszczonego w aluminiowej oprawce. Potworzę jeszcze raz: nei wystąpiła nawet najmniejsza erozja dyszy. Sam silnik zaraz po teście był gorący w okolicach ziarna, aczkolwiek na upartego szło utrzymać go w dłoni (trzymając za okolice komory spalania). Może spowodowane to było tym że izolacja termiczna miała 2,2mm grubości, a samo ziarno zerodowało z 30mm śr wewnętrznej do jakiś 33mm, czyli pozostałe paliwo stanowiło dodatkową barierę cieplną?

Postaram się wrzucić fotki.

Możesz mieć rację z tym "zbyt szerokim kanałem" tylko że jeśli będzie on wąski, to powstaje automatycznie mniejsza powierzchnia spalania.

Kolejny test planuję za 2-3 tygodnie bo wtedy będę miał wolny weekend, aczkolwiek chciałbym do tego czasu przygotować jakieś sensowne rozwiązanie tylko pytanie gdzie leży przyczyna - zbyt szeroki kanał czy zbyt krótki..
Tak na szybko przychodzi mi do głowy taki pomysł: szybkozłączce można by rozwiercić jakimś frezem tak aby wytryskiwany podtlenek miał "lejkowatą" - w ten sposób chyba szybciej się rozpręży?

Wrzucam fotki:
Widok ogólny




Widok na dysze - po teście
Część zbieżna (blok paliwa pod wpływem temp, przykleił się do oprawki aluminiowej, ale dało się go na szczęście oderwać)


Część rozbieżna


Port




Widok na od strony wtryskiwacza - w kierunku dyszy



Ten sam widok..


I jeszcze jedno






A teraz widok od strony dyszy w kierunku wtrysku

I jeszcze jedno

Cześć
Ciesze się, że rozpoczęły się eksperymenty w kolejnym miejscu w Polsce!
Widzę, że trafiłeś bardzo fajny materiał paliwowy. Chemicznie nylon i N2O dają najlepszy impuls właściwy, nawet Virgin Galactics ciagle się waha między nylonem a HTPB.

1. T/I stosunek dysza/wtrysk = 9 jest ok, ale to nie jedyny parametr, który musisz uwzględnić.

2. O/F stosunek utleniacz/paliwo czyli stechiometria. Jak już napisał Adam, celuje się w 15% udziału paliwa w mieszance (O/F=5,6), chociaż najlepszy impuls będzie przy około 12% (O/F=7,3). Jak to ustawić?

3. L/D stosunek długość ziarna/średnica kanału. Ponieważ każdy materiał spala się z różną prędkością w tych samych warunkach, parametrem tym reguluje się właśnie O/F. Bardzo krótkie ziarna maja L/D = 10, nadają się w zasadzie do parafin, asfaltów. Przy polimerach takich jak nylon, L/D powinien wynosić jakieś 20. Zatem dobrze skonstruowany silnik na Twojej rurce z nylonu powinien mieć ziarno o długości 60 cm.

4. Przepływ masowy utleniacza [kg/s], czyli ile masy N2O wpada do komory spalania na sekundę. Ten parametr decyduje o ciągu silnika i reguluje się przekrojem wtrysku i dyszy.

5. Strumień utleniacza, czyli stosunek przepływu masowego do powierzchni przekroju kanału. Dobrze zaprojektowany silnik startuje przy strumieniu 700 [kg/s m^2], a z powodu powiększania się kanału kończy pracę na wartości 300. Praca z większymi strumieniami może prowadzić do wzbudzeń, chociaż obecnie dajemy radę przy wartości 1000. Im większy strumień tym większa regresja ziarna.

Jak widać, żeby uzyskać dobry kompromis, trzeba trochę pokombinować

Pytanie brzmi, jaki silnik Ty chcesz zbudować. Proponowana przez Ciebie rura nylonowa pozwoliłaby uzyskać kilka tysięcy [Ns] impulsu właściwego i ciąg rzędu 150-200 [kG].

pzdr

Hej, jak wspomniałem na początku - mój silnik ma cechować przede wszystkim bezpieczeństwo powtarzalność i bezpieczeństwo a nie osiągi -w kosmos się nie wybieram. Satysfakcjonował by mnie impuls na poziomie 600-900NS.


W ofercie dostępne są rury poliamidowe 45/20mm i teraz głęboko zastanawiam się nad radami Adama i Tadeusza.Na chwile obecną poszedłbym w kierunku wydłużenia ziarna i zmniejszenia średnicy kanału - pytanie czy to dobry kierunek?
W tej chwili zastanawia mnie ziarno 30cm, fi 45/20 - teoretycznie byłoby to połączanie obu koncepcji - ale zdaje się że tylko test prawdę mi powie...

EDYCJA:

Przeanalizowałem Twoją wypowiedź kilkukrotnie - dziś dodatkowo, stworzyłem sobie prosty arkusz który przelicza mi parametry.
W przypadku ziarna jakie obecnie posiadam tj. długość 20cm (ja do wyliczeń przyjmuję 19cm, ponieważ wtrysk następuje 1cm poniżej górnej krawędzi ziarna), średnica 3cm

Zatem:
1)stosunek L/D: 6 - czyli do idealnego 20x mocno daleko...
2)Przepływ masowy utleniacza [kg/s]: 0,460kg /5s = 0,092kg/s

Tutaj pytanie czy dobrze interpretuje, że zrzut N2O według filmu liczymy od momentu wystrzelenia wężyka i zapłonu, do momentu ustania syku, czy raczej liczyć do momentu gdy przestaje być widoczny płomień - czyli jakieś 3s? - Na logikę to raczej chodzi o całkowity czas czyli 5s.

W tym miejscu jeszcze raz poproszę o pomoc w rozszyfrowaniu zagadki - dla czego płomień nagle znika na dobre 2s przed końcem zrzutu? Czyżby sytuacja wyglądała tak, że najpierw mamy płomień z masy zapłonowej około 1,5s, potem przerwa ale rozgrzana komora ponownie doprowadza do zapłonu i znowu z jakiś przyczyn przygasa?

3)Strumień utleniacza:
Powierzchnia początkowa kanału 0,000134m^
Zatem stosunek przepływu masowego do powierzchni spalania: 0,092 kg/s : 0,000134m^ = 685


Zrobiłem też symulacje, dla tego samego ziarna ale po prostu tylko dłuższego - L = 35cm
Wyniki jest taki, że strumień utleniacza spada do 372 - czyli chyba zbyt nisko.
Przy L = 35cm, lecz średnicy początkowej kanału 2cm, strumień wyniesie 837


Wnioski:
Wydłużyć kanał co spowoduje zwiększenie O/F, jednocześnie zmniejszyć średnicę kanału, aby strumień utleniacza był na odpowiednim poziomie