Injection effects in a lab-scale hybrid rocket engine with non-conventional configuration

This thesis is focused on the experimental characterization of injection effects in a lab-scale hybrid rocket engine with non-conventional configuration, the vortex flow pancake (VFP). The system features a combustion chamber with length to diameter ratio lower than one. The combustion chamber is limited by two fuel disks between which an injection ring is present and by which the oxidizer is tangentially injected to form a vortex. In all investigated configurations the solid fuel (hydroxylterminated polybutadiene, HTPB) was tested in a gaseous flux of oxygen (GOX) with a mass flow rate of 8 g/s. The baseline configuration with four arms for oxidizer injection, was changed, in the first part of investigation, to two injection arms with the aim to evaluate the impact of the injection velocity of gaseous oxygen on the VFP performances in terms of regression rate and combustion efficiency. In the second part of investigation, after resetting the system to four injectors, different combustion chamber heights and levels of symmetry are evaluated. During combustion, the behaviour of the motor was studied considering two parameters of interest: the regression rate (rf) and the characteristic velocity efficiency (ηc*). The method used in order to characterize the regression rate is the classical thickness over time (TOT) based on the fuel weight difference before and after a firing. For each different configuration a semi-empirical law was determined. This one links the regression rate with the specific total mass flux. Results show how the power law approximation of the regression rate as a function of the total specific flux has, in the case of four active injectors and initial symmetric chamber, an exponent value in line with the convective combustion mechanism. In this configuration, the combustion efficiency (evaluated in terms of characteristic velocity) is higher than 95%. The variation of oxidizer injection conditions change the dependency of the regression rate from the specific total mass flux, reducing its influence, probably due to the local erosion of the grain, but this result does not compromise the global efficiency of the system.

Il presente lavoro di tesi è volto alla caratterizzazione sperimentale degli effetti di iniezione in un endoreattore ibrido con configurazione vortex flow pancake (VFP). Tale sistema, che presenta una geometria non convenzionale della camera di combustione, è caratterizzato da una struttura cilindrica con rapporto lunghezza e diametro inferiore all’unità. La camera di combustione è limitata da due dischi di combustibile fra i quali è posto un anello di iniezione, tramite il quale l’ossidante è iniettato tangenzialmente, così da creare un vortice. Quest’ultimo consente di ottenere un buon mescolamento dei reagenti. In tutte le configurazioni indagate il combustibile solido (polibutadiene a terminazione idrossilica, HTPB) è stato testato in un flusso di ossigeno gassoso (GOX) con portata di 8 g/s. La configurazione di base prevede l’uso di quattro bracci di iniezione dell’ossidante, che, in una prima parte dell’indagine, sono stati ridotti a due al fine di valutare l’impatto della velocità di iniezione dell’ossigeno gassoso sulle prestazioni del VFP. Queste sono state valutate in termini di velocità di regressione ed efficienza di combustione. In una seconda parte dell’indagine, ripristinati i quattro bracci di iniezione, si sono valutati gli effetti di diverse altezze e livelli di simmetria della camera di combustione. Il comportamento del motore durante la combustione è stato studiato considerando due parametri di interesse: il rateo di regressione (rf) e l’efficienza basata sulla velocità caratteristica (ηc*). Il metodo utilizzato per la caratterizzazione del rateo di regressione è il classico spessore su tempo (TOT) basato sulla differenza di massa del combustibile prima e dopo lo sparo. Per ogni diversa configurazione si è determinata una legge semi-empirica che lega la velocità di regressione alla portata specifica totale. I risultati ottenuti mostrano come la legge di potenza utilizzata per approssimare il dato di velocità di regressione in funzione della portata specifica totale presenti, nel caso di quattro iniettori operativi e camera inizialmente simmetrica, un esponente in linea con meccanismi di combustione in regime convettivo. In questa configurazione, l’efficienza di combustione (valutata in termini di velocità caratteristica) risulta sistematicamente superiore al 95%. La variazione delle condizioni di iniezione dell’ossidante altera la dipendenza della velocità di regressione dalla portata specifica totale, riducendo l’influenza di quest’ultimo parametro, probabilmente per effetti di erosione locale del grano, ma questo non pregiudica l’efficienza globale del sistema.