Oxider injection effects on the regression rate of a lab-scale hybrid rocket engine with non-conventional configuration

This work of thesis is focused on the experimental characterization of injection effects in a lab-scale hybrid rocket motor with non-conventional configuration, the vortex flow pancake (VFP). This innovative hybrid rocket configuration is characterized by an alternative geometry with two flat and large solid fuel disks and a tangential injection between them. The unique feature of this hybrid rocket configuration is engine length-to-diameter ratio that is < 1 (while in conventional motors such parameter is typically >> 1). In all investigated configurations the solid fuel is Hydroxylterminated polybutadiene (HTPB) tested in gaseous 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 the GOX injection velocity 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 as two parameters of interest: the regression rate (r_{f}), the oxidizer mass flux (G_{ox}), the fuel mass flux (G_{f}), and the characteristic velocity efficiency (eta_{c}^{*}). The total mass flux G = G_{ox} + G_{f} was considered as the driver for the heat transfer sustaining the combustion process. 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 the r_f(G) was determined. In the proposed power law fitting of the experimental data results show how the power law approximation of the regression rate as a function of the total flux has, in the case of four active injectors and initial symmetric chamber, an exponent value in line with the convective combustion mechanism. 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. The non-symmetric combustion chamber conditions show the insurgence of a burning regime in which r_{f} is independent on the G, thus highlighting that the different internal combustion chamber geometry influences the system burning behavior.

L’indagine sperimentale che costituisce il cuore di questa tesi si concentra sull’analisi degli effetti dell’iniezione dell’ossidante in un endoreattore ibrido con geometria non convenzionale noto come vortex flow pancake (VFP). L’analisi è svolta su un sistema in scala di laboratorio. La configurazione motoristica VFP è caratterizzata da una camera di combustione con rapporto fra lunghezza e diametro < 1 (mentre, in sistemi convenzionali tale rapporto è, tipicamente, >> 1). Nel VFP 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. La peculiarità di questo motore è la presenza del vortice che si crea durante la combustione il quale permette un buon mescolamento dei reagenti. In tutte le configurazioni indagate il combustibile solido usato è polibutadiene a terminazione idrossilica (HTPB) 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 di GOX 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 quali parametri di interesse: il rateo di regressione (r_{f}), la portata specifica di ossidante (G_{ox}), la portata specifica di combustibile (G_{f}) e l’efficienza basata sulla velocità caratteristica (eta_{c}^{*}). La portata specifica G = G_{ox} + G_{f} è considerata come la guida del trasferimento di calore a supporto del processo di combustione. Per caratterizzare il rateo di regressione si è usato come metodo il calcolo dello spessore sul tempo (TOT) basato sulla differenza di massa del combustibile prima e dopo lo sparo. Per ogni diversa configurazione si è determinata una correlazione che lega la velocità di regressione alla portata specifica totale mediante una legge di potenza, r_{f}(G). 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. 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. In condizioni di asimmetria della camera di combustione  si nota una relativa indipendenza fra la velocità di regressione (che risulta neutra) e la portata specifica di propellente. Tale risultato suggerisce un’influenza della configurazione della camera di combustione sul comportamento del sistema.