Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
By signing up, you agree to our Terms & Conditions and agree that Teknologiens Mediehus and the IDA Group may occasionally contact you regarding events, analyzes, news, offers, etc. by telephone, SMS and email. Newsletters and emails from Teknologiens Mediehus may contain marketing from marketing partners.
rumfart på den anden måde cs banner bloghoved

Swirlers

Kære læsere,

Som I nok husker så bruger vores BPM5 motor en forholdsvis simpel injektorteknologi. Simpel på den måde at det er en cylindrisk skive med en hel masse huller i, som leder fuel og LOX ind i kammeret i rette forhold.

Illustration: Niels Foldager

BPM5 motorens injektor set fra brandkammer-siden. Foto: Niels Foldager.

Fremstilling af den kræver en 5-akset CNC fræser og det voldte os en del kvaler i BPM5-forløbet at få adgang så sådan en maskine. Med sit 20 gange større brændstofforbrug, så vil en lignende injektor til BPM100 reelt blive lidt af en udfordring at fremstille, så vi vil gerne prøve noget lidt andet. Noget som måske kan fremstilles nemmere, vi vil derfor forsøge at lave en injektor baseret på co-axielle swirlers.

Og hvad er en swirler så for en størrelse? Lad os starte med en god illustration af en simplex swirler jeg faldt over den anden dag i fjernsynet, nærmere bestemt i ”Jul med Timm, Markus og Katrine” på DR. Her skal Markus Grigo tømme en flaske vin ned i en gryde og for at få det til at gå lidt hurtigere, roterer han flasken så væsken roterer inde i flasken. Resultatet er højere flowhastighed og at væsken forlader åbningen ude langs randen og skaber en væskefri zone i centrum, hvor luft kan komme den modsatte vej. Et trick mange sikkert kender, og den roterende bevægelse af væsken er kernen i en swirler-injektor.

Illustration: DR

Markus Grigo illustrerer princippet i en swirler. Foto: DR.

I Markus’ eksempel er flowhastigheden ikke så høj, det ses ved at flowet ikke er fuldt udviklet som man vil ønske det i en raketmotor. Med stigende tryk kan man i en injektor få væskens hastighed op og drastisk ændre, hvordan væsken forlader åbningen, det illustreres glimrende på figuren herunder. Med højt nok tryk ses det hvordan væskefilmen danner en kegleflade, som bryder op i små bitte dråber. Netop det ønsker vi i en raketmotor.

Illustration: K. Ghorbanian

Flow-udvikling med stigende tryk for en simplex swirler. Fra [1].

Markus fik væsken til at rotere ved blot at rotere flasken, det kan vi naturligvis ikke gøre. Vi får i stedet væsken til at rotere i hvert injektorelement ved at lade væsken strømme ind i injektoren gennem små huller der er boret ind i siden på element, væk fra centeraksen. På den måde får væsken en tangentiel hastighed inde i elementet.

Markus’ demonstration og den anden serie af billeder er lavet med kun én væskestrøm, i en væskedrevet raketmotor har vi naturligvis to væskestrømme. Og her bliver det først rigtig smukt. I en coaxial swirler har vi to væskestrømme der begge forlader injektoren som en tynd film der udspænder hver sin kegleflade. Med den korrekte geometri afstemmes det så de to kegleflader kollidere og skaber én kegleflade som bryder op i små bitte væskedråber, som det ses på illustrationen herunder.

Illustration: K. Ghorbanian

Flow fra en coax swirler. Det ses tydeligt i de første billeder at der er tale om to væskestrømme, men ved korrekt tryk og geometri kolliderer de til én væskestrøm. Fra [1].

Det kommer til at kræve lidt eksperimenter at få afstemt geometri og tryk korrekt, så planen er at lave et lille setup, hvor vi kan teste forskellige injektorelementer. Både så vi visuelt kan se hvordan væsken strømmer ud men selvfølgelig også så vi kan måle flow som funktion af tryk. Det er noget vi straks sætter i værk, og jeg håber vi kan komme i gang med målinger sidst i februar.

Umiddelbart kan vores element komme til at se ud som nedenfor. Elementet består af tre dele; det ydre element, det indre element og dertilhørende låg. Som det ses er alle emner ret simple i deres geometri og vil være hurtige at lave på en drejebænk, bortset fra hullerne der skal bores ind i siderne. Den umiddelbare tanke er at de tre dele laves i messing eller kobber og sølvloddes sammen.

Illustration: Thomas Pedersen

Tentativt design af et coax swirler-element.

Det indre element fødes oppefra og i vores konfiguration vil det være LOX. Det ydre element fødes ind fra siden og det vil så være fuel. Masseflowet afhænger primært af indgangshullerne. Det er i hvert fald kutyme at styre trykfaldet via tværsnitsarealet på indgangshullerne, altså hullerne i siderne. Og det er størrelsen af disse som vi blandt andet skal lege med i vores kommende testserie.

Men hvordan integreres disse swirlers så i en samlet injektor? Det er nemmest at vise med en illustration, så jeg har lavet en grov model af en mulig injektorkonfiguration nedenfor. Som det ses så er injektoren delt op i to lag. Et lag hvor fuel lyder op fra kølekappen og fordeles i injektorernes yderste del og så et lag der fordeler LOX til injektorernes indre del. Det ses at det hele laves af en del plasmaskårne plader (jævnfør vores plasmaskære-projekt) og så en solid gang smedearbejde.

Illustration: Thomas Pedersen

Model af den samlede injektor til BPM100.

I denne tænkte konfiguration er der i alt 135 swirlers. Men det vil som sagt komme an på de kommende eksperimenter at afklare det endelige antal og deres placering. Under alle omstændigheder skal der laves mange elementer, og netop derfor er det essentielt at deres geometri er så simpel som muligt. Det åbner for muligheden for billige masseproduktion ude i byen, hvis vi kan finde nogen med en CNC drejer. Alternativt må vi give den gas på vores egen drejebænk.

[1] K. Ghorbanian, M.R. Soltani, M. Ashjaee, M.R. Morad, “Spray Characteristics of a Liquid-Liquid Coaxial Swirl Atomizer at Different Mass Flux Ratios”

Thomas
Pedersen
er civilingeniør fra DTU fra 2006 og har en Ph.D. indenfor mikro- og nanoteknologi fra DTU Nanotech, og er nu ansat samme sted som seniorforsker. Thomas har bygget raketter siden 1999 og blev en del af Copenhagen Suborbitals i 2009. Han er et af flere medlemmer af Copenhagen Suborbitals, der skriver på denne blog.
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Hej Thomas,

Interessant...... jeg har et par kommentarer:

Inderste swirler tror jeg er ligegyldig. Der er simpelthen for langt op til hullet og diameteren af inderste kavitet er for lille. Hvirvlen kommer til at dø før den når bunden.

I yderste kavitet ville jeg flytte hullerne så tæt på outlet som muligt for ikke at miste radial impuls til væggene. Viskost tab er en bitch og bliver værre og værre jo tættere væggene på dine strømningskanaler kommer på hinanden.

Jeg ville overveje at isolere "loftet" imellem LOX'en og EtOH'en for at forhindre dannelse af gasbobler på oversiden og EtOH-is på undersiden. Isoleringen kunne være f.eks. være 3-4 mm aerogel.

  • 2
  • 0

Hvordan forhindrer man, at fuel ikke fryser inde i disse swirlers ?
Der skal vel være godt gang i fuel flowet før LOX'en må ankomme, da fuel-temperaturen nok blot er ~= omgivelsestemperaturen lige ved opstart.
Under drift stiger fuel-temperaturen selvfølgelig.

Hænger selvfølgelig tæt sammen med Kristians kommentar om at isolere "loftet".

I en (anden tænkt) motor, som skal kunne skrue op og ned for effekten, der vil flowet ændres.
Her tænker jeg, at det kan blive en udfordring mht frossen fuel i swirlerne, når flowet når ned på et vist niveau.

  • 3
  • 0

Der skal muligvis justeres lidt på dimensionerne, men det viste eksempel er stærkt inspireret af russiske swirlers. Russerne laver dem endnu mindre end de viste og opnår tilsyneladende stadig tilstrækkelig rotaton af væsken.

Nu har vi ikke meget tilgængelig info om hvordan de russiske swirlers opfører sig, men jeg har ikke umiddelbart læst noget om at der skulle være behov for isolering. Fuel vil have en temperatur på 80 grader eller så, når det ankommer til swirleren, LOX vil være -180 grader. Så der er klart at fuel vil tabe lidt temperatur igen, men næppe så meget at det fryser til is. Under 15 bar har vores ethanol/vand blanindg et frysepunkt på -51 grader, så langt ned tror jeg ikke det når at komme under turen igennem. Men det kan vi muligvis prøve at måle som en del af vores testserie.

  • 4
  • 0

Der skal muligvis justeres lidt på dimensionerne, men det viste eksempel er stærkt inspireret af russiske swirlers. Russerne laver dem endnu mindre end de viste og opnår tilsyneladende stadig tilstrækkelig rotaton af væsken.

OK, det hjælper dig nok også at LOX'en er særdeles lavviskos, hvilket alt andet lige vil give mindre viskost tab. Jo kortere vortexen skal vandre før udblæsningshullet, jo mere rotation vil du have at gøre godt med.

Det er muligt at det er hysterisk at forslå isolering. Jeg forslog det fordi kryo-gas flow har det med at stå og "sprutte" på grund af dannede gasbobler, hvilket vil alt andet lige give en ujævn strømning ind i motoren. Med de masseflow du har med at gøre skal der nok ikke mere end et par lag maling til for at give tilstrækkelig isolering.

  • 2
  • 0

Ville man kunne 3D printe nogle test eksemplarer - eller udsnit og afprøve forskellige konfigurationer/størrelser med andet end LOX og Fuel? Eller kommer det for langt fra virkeligehden til at det giver mening?

  • 3
  • 0

Ville man kunne 3D printe nogle test eksemplarer - eller udsnit og afprøve forskellige konfigurationer/størrelser med andet end LOX og Fuel?

Det er en rigtig god ide i mine øjne. Hvis det skal give rigtig mening skal man grave nogle vædsker op med samme viskositet, densitiet og overfladespænding. Man kommer nok til at skære et hjørne for at finde en vædske der minder om LOX og skal nok ud i noget med at skalere egenskaber så man ender i samme Weber-tal.

  • 2
  • 0

Fuel vil have en temperatur på 80 grader eller så, når det ankommer til swirleren, LOX vil være -180 grader.

Men den temperatur har fuelen vel ikke lige under opstart.
Fuelen fødes, går jeg ud fra, helt frem til injektoren umiddelbart før tænding.
Hvad med LOX, det sker vel næsten, hvis ikke, samtidigt ?

I det tilfælde står der endnu ikke opvarmet fuel i injektoren sammen med -180C LOX.
Må være et spørgsmål om timing.

Ethanols frysepunkt ligger på -114C, if. wiki, men 75/25% eth/h2o blanding?
(kører i stadig med 25% vand?)

Hvis omgivelserne er 15-20C, så er delta alligevel en del.
Det tager nok tilstrækkelig med tid før at kulden har vandret igennem swirrleren og kølet fuel 50 gr eller mere.

Tja, måske slet ikke et problem for CS, da motoren ikke skal genstartes eller throttles ned. :)

  • 1
  • 0

Man vil formentlig godt kunne 3D printe testeksemplarer til indledende forsøg. Til mere endelige forsøg vil det være vigtigt at have en repræsentativ overfladefinish (ruhed), som de elementer man vil fremstille til en rigtig motor. Såfremt man havde adgang til 3D print i et passende materiale, så ville elementer til en motor med stor fordel kunne 3D printes. Men det er så vidt jeg kan se ikke konkurrencedygtigt prismæssigt med drejebænken.

  • 2
  • 0

Vi vil formentlig vælge at bruge vand og så korrigere for densitet, for at beregne flow af fuel og LOX. Viskositeten er ikke helt det sammen, men til første approksimation er den tæt nok på. Det er i hvert fald vores erfaring fra BPM5, hvor vi jo har lavet masser af vandflowtest for at bestemme fuel- og LOX-flow som funktion af tryk.

  • 1
  • 0

Ved opstart af motoren vil fuel have omgivelsernes temperatur, typisk 10-15 grader afhængig af årstid der testes på. Så under opstarten er risikoen for frysning naturligvis størst.

Jeg er dog ikke umiddelbart så bekymret. Flowhastigheden vil være så stor at det næppe bør være muligt at fuel'en når at fryse.

  • 2
  • 0
  1. januar 2009 blev det første indlæg i denne blog postet:
    https://ing.dk/blog/paa-en-gammel-entrepre...

En uge senere kom indlæg nummer 2, https://ing.dk/blog/psykologi-amatoerastro..., hvor man kunne læse følgende:
"Vi springer lige et par år frem i tiden..."
og lidt længere nede
"Du er ved at forlade den jord der har givet dig livet - alt er sat på spil - det tekniske er omsider ok."

Der er efter gået "et par år" en del gange. Den drøm der blev solgt til læserne i 2009, lever den stadig? For det lader ikke til I rammer rummet med en levende person i år heller.

  • 2
  • 7

Drømmen lever skam stadig, det håber jeg da ikke at der er nogen der er i tvivl om. Det er det vi arbejder for hver dag i CS. Men nej, vi opsender bestemt ikke en levende person i 2019. For nuværende håber vi at kunne testflyve den første Spica-raket i 2020, ubemandet naturligvis.

  • 12
  • 0

Det tror jeg ikke rigtig vi har overvejet. Men jeg vil da fluks suse ind på deres side og kigge i deres katalog om der er noget spændende at finde.

  • 4
  • 0

Det var netop også tanken at det måske kunne bruges til de helt spæde indledende forsøg, pga. den korte turn around tid. I har sikkert masser af adgang til printere, ellers stiller jeg hellere end gerne min Ultimaker 3 til rådighed hvis det skulle blive aktuelt.

  • 1
  • 0

Jeg forstår konceptet i swirwl at rotationen og centrifugalkraften får vædsken til at følge ydersiden af røret. Ved udgangen runder man kanten pænt og afgangsvinklen på filmen er der hvor man afslutter rundingen med en skarp kant. Dan man gerne vil have at LOX og fuel mødes bør man lade LOX forlade dysen med en fladere vinkel end fuel. I den tentative design har man bare en skarp kant, det tror jeg skal redesignes.

Der nævnes at flowet skal justeres ved trykfaldet over indgangshullerne. Men da trykfald er det samme som lavere kammertryk og dermed lavere thrust, er det min opfattelse at trykfald skal begrænses mest muligt.
Samtidig tænker jeg at hullerne boret skråt ind i røret er temmelig vanskeligt at producere.
Derfor vil jeg foreslå at man overvejer at lave ”riffelgang” i dyserne i stedet. For LOX dysen kunne man finde en passende fjeder. Selvom det lyder som en oplagt sted at blive snydt, så kan man købe fjedre på metermål..
For fuel kan man lave en ”udvendig” riffelgang på LOX dysen, enten ved mekanisk bearbejdning eller påsvejsning (eller lodning) af ”guide vanes”.

Kan det være en ide at LOX og fuel roterer i modsat retning?

  • 0
  • 0

Måske lidt off topic, men hvad er jeres holdning eller erfaring.

I almindelig mekanik er rotationsmængden konstant. Et kendt eksempel er piruetter udført af kunstskøjteløber hvor vinkelhastigeden øges når skøjteprinsessen trækker armene ind til kroppen.

Hvis man lod LOX løber tangentielt ind i det øvre kammer vil der være en given rotationsmængden. Hvis man simpelthen lod LOX dyserne være rør der gik ind i det øvre kammer ville rotationsmængden så være konstant når LOXen løber ned i de mindre rør? I så tilfælde ville det være en effekiv og simpel måde at få rotationen i LOX.

  • 0
  • 0

..... og sølvloddes sammen.

Bare en tanke: Vil det ikke være nemmere skære gevind mellem messingdelene og indsætte en pakning eller to? Det bliver stærkere og man vil nemt kunne skille dem ad for inspektion. Det vil også være nemt at benytte samme moment til at samle dem så man får ensartede samlinger. Det kunne være nøvendigt med med engangs-pakninger, men det burdet ikke være det store problem.

  • 0
  • 0

Det er bestemt muligt at exit skal redesignes, det får vi forhåbentlig at se, når vi kommer i gang med nogle test.

Riffelgangen husker jeg svagt at have set en tegning på. Det er måske værd at overveje. Omend arbejdstiden må stige en del, hvis det skal laves på en drejebænk. Det er nok mest anvendeligt hvis vi får adgang til en CNC fræser.

At rotere de to væsker i hver sin retning har vist også været anvendt af russerne, men det er svært at finde litteratur om. Men igen noget som bestemt vil være værd at prøve i en testopstilling.

  • 1
  • 0

I min version er hele injektoren ikke særlig servicevenlig. Den kan faktisk slet ikke skilles ad. Det vil bestemt være kønt om man kan lave noget der er mere service-venligt, fx som foreslået ved at swirlerne skrues sammen.

  • 1
  • 0