Date of Award

11-2023

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical and Aerospace Engineering

First Advisor

Jeongmoo Huh

Abstract

This study presents an experimental assessment of the cooling performance and efficiency of a 10N-vortex-cooled Propane/Gox bi-propellant thruster that was fabricated using metal and thermoplastic material. The proposal of injecting an oxidizer in a vortex pattern was suggested as a potential cooling method for semi-thermoplastic constructed thrust engines. This method has been demonstrated as a promising candidate for integrated cooling and can be manufactured using 3D printing technology. In contrast to typical complicated cooling systems and their attributed common downsides; the vortex injection can be 3D printed as a single solid piece thruster, thereby reducing design complexity, weight, and manufacturing time. The literature emphasizes the fundamental principles involved in creating a perfect vortex thruster. The study mainly examines the effects of injection-related parameters on engine wall temperature and characteristic velocity efficiency through extensive static fire tests with the objective of determining the best injection combination to achieve the goal of operating a partially constructed thermoplastic thruster safely without causing damage to the low melting point material part which is the acrylic combustion chamber in this study. Operational parameters include oxygen-to-fuel ratio O/F, propellant mass flow rate, injection position, and a combination of five different fuel and oxidizer injection configurations involving axial, radial, and vortex (swirl) injection methods. The various injection configurations with their correlated parameters provide insight into the best overall injection configuration to achieve the goal. The study found experimentally that the semi-acrylic thruster operates safely when using a proper injection configuration such as injection case 1 (Axial injection of fuel and vortical injection of oxidizer in the upstream region) maintaining the temperature of the other steel-made thruster sections and the acrylic chamber walls below 100°C, which is below the melting point of the acrylic material. Consequently, the swirl causes the oxidizer to circulate and follow the interior surface of the chamber, isolating the wall from the combustion process. Thus, the inner surface walls of the thruster are shielded from the high-temperature flame while maintaining a reasonable characteristic velocity efficiency above 80%.

Arabic Abstract

تطوير محرك من نوع ثنائ ي الدفع مُب رد بواسطة الدوامة مع تقييم خصائص أداء معاملات الحقن

يقدم هذا البحث تحقيقا تجريبيًا لكفاءة وأداء التبريد لمحرك من نوع ثنائي الدفع (وقود ثنائي) بقوة دفع 10 نيوتن مبرد بواسطة الدوامة ويعمل باستخدام البروبان / اكسجين، والذي تم تصميمه واختباره باستخدام مواد تصنيع مختلفة تشمل غرفة احتراق من البلاستيك الحراري، مع صينية رأسية وحنجور مصنوعان من المعدن. تقترح الدراسة بأن يكون تدفق المؤكسد على شكل دوامة داخل حجرة محرك الدفع؛ كحل محتمل لتبريد محركات الدفع المصنوعة من اللدائن الحرارية أو التي قد تكون مطبوعة جزئيًا بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. يتيح ذلك إمكانية طباعة الحاقن الدوامي (حاقن يعطي تدفق على شكل دوامة) بواسطة الطباعة ثلاثية الأبعاد في قطعة واحدة صلبة لتقليل تعقيد التصميم وتقليل الوزن ووقت الإنتاج والتكلفة مقارنة بطرق التبريد التقليدية. يتم إجراء التبريد الدوامي ببساطة عن طريق تغيير اتجاه حقن الوقود المندفع بدلاً من استخدام أنظمة تبريد محركات الدفع التقليدية، والتي تكون أكثر تعقيدا وقد تتطلب المزيد من المكونات داخل النظام لتبريد جدران احتراق محرك الدفع. تساعد دراسة الأدبيات في تأسيس تصميم محرك دوامة مثالي. كما تبحث الدراسة في العوامل المتعلقة بالحقن وتأثيرها على درجة حرارة جدار المحرك وكفاءة السرعة المميزة. يتضمن البحث دراسة المعاملات التشغيلية التالية: نسبة المؤكسد الى الوقود، ومعدل تدفق كتلة الوقود الدفعي ونوع الحقن، ومجموعة من تكوينات حقن الوقود والمؤكسد المختلفة حيث تشمل 5 حالات حقن مختلفة وتتضمن طرق الحقن المحوري والقطري والدوامي. إنَّ الدراسة لتكوينات الحقن المختلفة مع المعاملات المرتبطة بها تعطي نظرة ثاقبة حول أفضل تكوين شامل للحقن لتحقيق الهدف الرئيسي. وجدت الدراسة تجريبيًا أن محرك الدفع المصنوع جزئيا من اللدن الحراري (الاكريليك) يعمل بأمان دون تعرضه للتلف الحراري وذلك عند استخدام ترتيب الحقن المناسب مثل تكوين الحقن رقم 1 ( حقن الوقود محوريًا والمؤكسد بشكل دوامي في منطقة المنبع) مع الحفاظ على درجة حرارة جدران المحرك في أقسام الدفع الأخرى المصنوعة من الفولاذ وغرفة الأكريليك أقل من 100 درجة مئوية، وهي أقل من نقطة انصهار مادة الأكريليك. ونتيجة لذلك، تؤدي الدوامة إلى دوران المؤكسد وتتبع السطح الداخلي للغرفة، مما يؤدي إلى عزل الجدران الداخلية لجسم المحرك عن عملية الاحتراق. وبالتالي، يتم حماية السطح من لهب درجة الحرارة العالية مع الحفاظ على كفاءة معقولة للسرعة المميزة تزيد عن 80%.

Download
COinS