Experimental investigation of the parameters of additively manufactured coaxial swirl injectors

Samir Vekilov; Volodymyr Lipovskyi; Roman Marchan; Artem Lohvynenko

Автор(и)

Самір Векілов Дніпровський національний університет імені Олеся Гончара
https://orcid.org/0000-0001-5736-6300
Володимир Ліповський Дніпровський національний університет імені Олеся Гончара
https://orcid.org/0000-0002-7939-7973
Роман Марчан FlightControl Propulsion, Dnipro
Артем Логвиненко FlightControl Propulsion, Dnipro
https://orcid.org/0009-0009-8733-1649

Анотація

Сучасний розвиток інтенсивної конкуренції на ринку реактивних рідинних двигунів (РРД) в основному зумовлений появою багатьох приватних космічних компаній, краудфандингових космічних проектів і т. д., що неодмінно приводить інженерів до пошуку раціональних рішень з метою зменшення виробничих витрат, разом з підвищенням ефективності деталей. Зазвичай для успішного розвитку реактивного двигуна потрібне дороге обладнання, а також досвід високотехнологічного виробництва, що пояснює високі загальні витрати на виробництво.

Саме через специфічні вимоги до окремих частин застосування традиційного виробництва РРД зазвичай пов'язане з значними витратами часу, що зменшує ефективність виробничого циклу. Коли відсутні необхідне обладнання, кошти і час, високою пріоритетністю є пошук нових методів виробництва компонентів РРД, які не потребують спеціальних інструментів і численних складних технологічних процесів тощо. Таким чином, все більш поширеним стає використання адитивного виробництва, яке може значно скоротити виробничий цикл, а також зменшити виробничі витрати.

Однією з найважливіших складових РРД є камера згоряння (КЗ), яка перебуває на передньому краї розвитку, особливо у випадку нових конструкцій двигунів. У деяких випадках проектування і виробництво камери може становити до ~50% від загальної вартості двигуна, а її традиційне проектування зазвичай пов'язане з значними технологічними труднощами. Тому використання адитивного виробництва для подальшої адаптації дизайну, а також синтезу дизайнерських рішень з унікальними властивостями є високопріоритетним.

У цій роботі розглянуто застосування методу адитивного виробництва для виготовлення коаксіальних вихрових форсунок біпропеленту. 30 коаксіальних форсунок внутрішнього змішування були виготовлені за допомогою технології L-PBF. Було проведено численні гідравлічні випробування форсунок з метою визначення їх характеристик. Метою було спостерігати окрему роботу кожної форсунки, а також спільну роботу коаксіальних форсунок. Кут конусу розпилення як для окремого, так і для спільного режимів роботи був особливою цікавинкою. Отримані дані проаналізовані та порівняні з розрахованими значеннями.

Завантажити

Дані для завантаження поки недоступні.

Посилання

Gradl P., Mireles O. Additive Manufacturing for Propulsion Component and System Applications. NASA Marchall Space Flight Center, 25 May 2021. URL: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20210016065/downloads/Redstone_IPT_NASA_AM-Components_Gradl-Mireles_25-May-2021.pdf

Advancing GRCop-based Bimetallic Additive Manufacturing to Optimize Component Design and Applications for Liquid Rocket Engines / P. Gradl et al. AIAA Propulsion and Energy Forum : Virtual Event, 9–11 August 2021. URL: https://doi.org/10.2514/6.2021-3231.

Geometric feature reproducibility for laser powder bed fusion (L-PBF) additive manufacturing with Inconel 718 / P. Gradl et al. Additive Manufacturing. 2021. Vol. 47. URL: https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102305.

Distinctive features of SLM technology application for manufacturing of LPRE components / S. Vekilov et al. Journal of Rocket-Space Technology. 2021. Vol. 29, no. 4. URL: https://doi.org/10.15421/452112.

3D printed acoustic igniter of oxygen-kerosene mixtures for aerospace applications / R. Marchan et al. 8th European conference for aeronautics and space sciences (EUCASS) : International Confer-ence, Madrid, 1–4 June 2019. URL: https://doi.org/10.13009/EUCASS2019-238.

Vekilov S., Lipovskyi V. Comparison and analysis between conventional and additive manufacturing technologies of LPRE. Sys-tem design and analysis of aerospace technique characteristics. 2022. Vol. 31, no. 2. P. 14–25. URL: https://doi.org/10.15421/472210.

Review on pressure swirl injector in liquid rocket engine / Z. Kang et al. Acta Astronautica. 2018. No. 145. P. 174–198. URL: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2017.12.038.

Abramovich G. N. The theory of swirl atomizers. Industrial Aerodynamics. 1944.

Film thickness, droplet size measurements and correlation for large pressure-swirl atomizers / M. A. Benjamin et al. Gas Turbine & Aeroengine Congress & Exhibition, Stockholm, 2–5 June 1998.

Spray characteristics of an open-end swirl injector / Q.-F. Fu et al. Atomization Sprays. 2012. Vol. 22, no. 5. P. 431–445.

Effect of Geometric Parameters on Simplex Atomizer Performance / J. Xue et al. AIAA. 2004. Vol. 42, no. 12. P. 2408–2415. URL: https://doi.org/10.2514/1.2983.

Experimental research on the water mist fire suppression per-formance in an enclosed space by changing the characteristics of nozzles / Y. Liu et al. Experimental Thermal and Fluid Science. 2014. No. 52. P. 174–181. URL: https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2013.09.008.

Quantifying the variation of the mass flow rate generated in a simplex swirl injector by pressure fluctuation / T. Khil et al. AI-AA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Hart-ford, 21–23 July 2008. URL: https://doi.org/10.2514/6.2008-4849.

Design and Testing of Liquid Propellant Injectors for Additive Manufacturing / S. Soller et al. 7th European conference for aero-space science : Materials of International conference, Milan, 3–6 June 2017.

Effect of Inlet Slot Number on the Spray Cone Angle and Discharge Coefficient of Swirl Atomizer / M. Rashid et al. Procedia Engineering. 2012. Vol. 41. P. 1781–1786. URL: https://doi.org/10.1016/j.proeng.2012.07.383.