Omatekoinen rakettimoottori

Yleistä keskustelua ja kysymyksiä pienoismalliraketeista
Make_L
Posts: 262
Joined: 19 October 2006 20:28:45
Location: Espoo

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by Make_L » 07 September 2018 15:07:39

Niinpä; chuffing (tai chugging) kuvataan useimmiten jotensakin säännölliseksi oskillaatioksi, taajuudet vaihtelevat ja hitai kategoria on alle 200 Hz. Kuitenkin pitäisin tätä (nimityksestä huolimatta) palotapahtuman instabiliteettina. Ilmiötä on pähkäilty kirjallisuudessa näköjään puolen vuosisadan ajan. Nuo säänöllisehköllä ja korkeammalla taajuudella tapahtuvat mekanismit eivät kai kuulu nykyongelmaan, mietittäväksi jää karkean epäsäännöllisen palotapahtuman häiriön aiheuttaja. Se on jokin polttoaineen syöttöön liittyvä juttu.
Happi tulee tässä kaasuna, joten sen vaporisaatiossa/höyrystymisessä ei voi olla ongelmaa sinänsä. Virtauksen olettaisi suhteellisen tasaiseksi, jollei kammion 'vastapaine' muuta asetelmaa merkittävästi.
Mikä on hapen paine suuttimen läpitulon jälkeen? Ja bensiinin? Liikutaan joka tapauksessa varsin matalissa paineissa.
Bensiini tulee regeneratiivisen systeemin läpi. Voisi ajatusleikkinä epäillä, että kuuman sisäseinän takia se voisi höyrystyä paikallisesti ja sen syöttö jotenkin häiriintyisi (kuplimista, epätasainen virtaus?) ja bensiinin sisäänvirtaus siis hidastuisi.
Sitten toinen ajatusleikki: Palamistapahtuman hetkeksi sammuessa (vaikka moottorin kuuma sisus suorittaakin uuden sytytyksen) vie aikansa ennen kuin moottori käynnistyy uudelleen. Tyypillisestihän vie usein sekunnin luokaa, ennenkuin käynnistäessä paine nousee niin korkeaksi, että moottori alkaa toimia. Tämä mielestäni istuisi videon näyttämään 'aikatauluun'.
Tuo 'liekinhetin'-ilmiö taas viittaa siihen, että ylimäärä bensiiniä tulee sellaisenaan ulos, eikä osallistu palotapahtumaa.
Jossain sanottiin chuffing/chugging -ilmiön olevan tavallisempaa, kun palokammion paine on alhainen (100..500 psi). Joku muu taas löysi ongelman syyksi löystyneet liitokset, eli vuodon polttoainejärjestelmässä.
Tämä kaikki on tietenkin arvailua, toivottavasti se auttaa edes jotenkin eteenpäin monimutkaisen tilanteen analyysissä. Tuo ajatus kokeilla jäähdyttämätöntä versiota on järkevä, koska silloin eliminoituisi edellä esittämäni mahdollinen höyrystyminen jne. Jos käsitin oikein, ei moottorin nykyversio puhalla seinää kohden mitään. Tällöin ei toivottavasti pala puhki ainakaan niin äkkiä.

totalitor
Posts: 49
Joined: 16 September 2016 09:01:33

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by totalitor » 07 September 2018 19:34:11

Tuli myös mieleen että bensiini saattaa kaasuuntua kun moottori on toiminut vähän aikaa ja sitten moottori sammuu. Ja syttyy hetken kuluttua uudestaan. Eli jäähdytysjärjestelmä ei toimi ihan kunnolla. Jospa nopeuttaisi bensiinin virtausta, silloinhan jäähdytysvaikutus olisi suurempi. Tosin silloin pitäisi hapen virtausta lisätä samassa suhteessa (oletuksena että seossuhde on oikea alusta alkaen). Systeemissä on painetta bensiinin syöttöön 50 bar maksimissaan mutta happeen vain 10 bar. Tai tarkkaan säätämällä saan 12 bar ja sitten happisäätimen varoventtiili päästää painetta pois.
Muuttujia on paljon, johonkin kun vaikuttaa niin se taas vaikuttaa kaikkeen muuhunkin.
Kyllä, moottorit eivät puhalla seinää kohti mitään. Sen oppitunnin jo sain.
Sain sen liekinheitinmoottorin auki happokylvyllä, nyt on kolme moottoria toiminnassa joten ainakin saan aineistoa testeistä.
Lisää testejä teen testipenkissä olevalla moottorilla kun ehdin.
Kiitoksia ajatuksista.

totalitor
Posts: 49
Joined: 16 September 2016 09:01:33

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by totalitor » 07 September 2018 20:10:48

Laitoin Youtubeen videon parhaasta palasta kolmannesta testistä. Hidastin sitä 50%, katsokaa sitä vieläkin hitaammalla nopeudella ja tarkkailkaa liekin käytöstä. Pysyy aika hyvin kasassa, ei ole ongelmaa siinä kohdassa. Noin kun kävisi sen n. 7 sekuntia niin hyvä olisi.

https://www.youtube.com/watch?v=WxgZfvw6J14

totalitor
Posts: 49
Joined: 16 September 2016 09:01:33

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by totalitor » 07 September 2018 20:26:36

Mitä jos jäähdyttäisin bensiinin pakastimessa -18 C lämpötilaan? Viime hetkessä tankkaisin moottorin ja käynnistäisin.Saisin tällä tavalla 40 C pelivaraa lisää. Jos vika on bensiinin höyrystyminen ennen injektoriin tuloa niin tämä saattaisi auttaa.

Make_L
Posts: 262
Joined: 19 October 2006 20:28:45
Location: Espoo

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by Make_L » 08 September 2018 20:17:18

No nyt näytti tosi hyvältä!
Bensiinin jäähdytystä voi kokeilla. Se ei välttämättä ole lopullinen ratkaisu, mutta sittenpä tuokin on kokeiltu. Autoissa käytetään hyvin korkeita injektiopaineita ja monimutkaisia suuttimia kavitaation aikaansaamiseksi. Kuitenkin ruiskutusaika on hyvin lyhyt, enkä tiedä löytyykö siltä suunnalta tähän tarkoitukseen soveltuvaa tietoa. Painekokeilut voisivat olla tarpeen nekin. Suutin on pieni, suhteessa jäähdytyskanavan kokoon, virtausnopeuden laskeminen edellyttäisi mielestäni testaamista pelkällä bensiinin ruiskutuksella ilman polttoa, jotta todellinen virtaama selviäisi. Painehäviöt putkissa mutta varsinkin suuttimissa ovat suuret. Palailen asiaan päästyäni kotikoneelle. Mutta hyvällä tiellä tämä nyt näyttäisi menevän.

Make_L
Posts: 262
Joined: 19 October 2006 20:28:45
Location: Espoo

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by Make_L » 12 September 2018 19:35:50

Suositan edelleen tuota Suttonin kirjaa; siinä kun on varsin kattava esitys sekä injektoreista että jäähdytyksestä. Kuvittelisin, että näin pienitehoiselle moottorille riittäisi säteilyjäähdytys yhdessä lyhyen polttoajan ja paksun seinämän kanssa. Kaksoisvaippa regeneratiivisessa jäähdytyksessä vaatii Suttonin mukaan suurehkon virtauksen (kiloja sekunnissa) ja taas putkesta valmistettu seinämärakenne ei liene tehtävissä millään kohtuullisella vaivalla. Säteilyjäähdytys poistaisi hetkeksi epävarmuustekijöitä polttoaineen syötöstä sinänsä. Sitten olisi vähemmän muuttujia sotkemassa analyysiä. Kun injektorisysteemi olisi mitoitettu kohdalleen, pitempi polttoaika tulisi testattavaksi.
Miten olisi sellainen moottori, jota jäähdytettäisiin (kuten edellä luulin tehtävänkin) polttoainekierrosta riippumattomalla erillisellä nestejäähdytyksellä? Tässähän on (toistaiseksi?) testipenkkimoottori kyseessä, painolla ei väliä. Moottori ei palaisi puhki ja tulisi 'työrauha' injektorien suunnittelua varten.
Virtaama injektorissa riippuu tietysti sen pinta-alasta, mutta mm. paineen neliöjuuresta. Yhtälössä on myös kerroin,jonka arvo vaihtelee eri tekijöistä riippuen välillä 0,2...0,9. Tietylle polttoaine/hapetin -yhdistelmälle rakennettu injektori ei välttämättä toimi (ainakaan aiotusti) muun yhdistelmän kanssa. Injektorin tyypillä on merkityksensä palokammion muotoilunkin kannalta.
Paine putoaa injektoreissa virtauksen kasvun myötä. Mutta Suttonin kirjan käyrästö on kylläkin suurille virtausmäärille.
Autotekniikan taholla on näköjään tutkittu paljon polttoaineen ruiskutusta, mutta jokin common rail -tekniikka ei kai ole suoraan otettavissa käyttöön rakettimoottorissa, niin hienoja tekniikoita kuin ruiskutuksessa autossa onkin.

totalitor
Posts: 49
Joined: 16 September 2016 09:01:33

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by totalitor » 13 September 2018 11:55:24

Säteilyjäähdytys olisi yksinkertaisempi mutta kokeilen tällä tavalla koska se on vaikeampaa...
Tässä moottorissa jäähdytys toimii ainakin tarpeeksi hyvin, katsoitko kuvan miten ratkaisin virtausnopeuden kasvattamisen?
https://imgur.com/tdXbTUz
On kaksoisvaippa ja sen välissä lisätavaraa.

Katselin laskelmiani ja löysin virheen hapen syötössä. Olen käyttänyt erään esimerkkimoottorin paineita ja nehän eivät tietenkään ole samat kuin tässä moottorissa. Happireiät ovat liian pienet joten hapen virtausnopeus on suurempi kuin pitäisi. 200 ft/s suositellaan ja nyt taitaa olla 600 ft/s. En voi pudottaa hapen syöttöpainetta sillä sitten se menisi alle kammiopaineen ja moottori ei ainakaan toimisi. Voisiko tässä olla osasyy moottorin katkonaiseen käyntiin?

Mutta kaikesta huolimatta moottori toimii ainakin välillä joten ihan pielessä systeemit eivät ole.
Lisätestejä on tulossa, saa nähdä johtavatko ne mihinkään.

totalitor
Posts: 49
Joined: 16 September 2016 09:01:33

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by totalitor » 13 September 2018 16:51:51

Tein polttoaineen syöttötestejä vedellä. Luulenpa että viimeisin testaamani moottori RUD-8 on sisältä viallinen. En testannut sitä vedellä sillä edellinen moottori meni tukkoon ja piti jotain tehdä joten pulttasin sen suoraan testipenkkiin. On ihme että se yleensä on toiminut. Eli eipä enää mietitä miksi se kävi niin katkonaisesti, ehkä otan sen auki ja katson mitä siellä on tapahtunut.

Laitoin kiinni jäähdyttämättömän RUD-9 moottorin ja tein vesitestejä. Uusi injektori toimii hyvin, laitoin sisähalkaisijaltaan 2,8 mm putkeen 7 kpl 1 mm messinkitankoa. Tämä vastaa 0,9 mm aukkoa mutta näin tekemällä sain ikään kuin 11 kpl pientä reikää joita on muuten mahdotonta porata. Tämä moottori on mahdollisimman yksinkertainen ja kevyt, pääsin alle 100 g. Laskettu työntövoima on 4,5 kg. Myös tässä olen laskenut happireikien halkaisijat liian pieniksi mutta kokeilen tätä silti. Tässä kuva: https://imgur.com/a/SKecvSm

Sitten polttoaineensyötöstä: Jos teen vesitestin 10 barin paineella ja polttoaine tulee ulos tankista ajassa X niin miten käy kun moottori käy 7 barin kammiopaineella? On kolmen barin paine-ero siinä vaiheessa. Vie siis enemmän aikaa polttoaineen tulla tankista kammioon koska kammiopaine vastustaa polttoaineen tuloa. Olenko ajatellut oikein?

Make_L
Posts: 262
Joined: 19 October 2006 20:28:45
Location: Espoo

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by Make_L » 13 September 2018 17:02:12

Okei, tämä ratkaisu siis! Katsoin nyt paremmin kuvia, se puikkoidea on fiksu systeemi. Puikot pienentävät tilavuutta hienosti (lähes 4/5?).
Virtaama riippuu pinta-alan ohella paine-eron neliöjuuresta ja siihen paineen madallus vaikuttaisi. Suihkut tripletissä edesauttavat bensiinisuihkun pisaroitumista ('atomisaatiota') ja edelleen höyrystymistä ja sekoittumista. En tiedä, mutta luulen tuon 200 fp/s tarkoittavan jotain miniminopeutta, jolla pisaroituminen ylimalkaan onnistuisi. Suttonin mukaan bensiinisuihkun ja happisuihkun törmätessä vain liikemäärävektorin suunta muuttuu. Jossain kirjassa sanottiin, että mitä suurempi paine-ero, sitä parempi pisaroituminen. Tämä tarkoittanee polttoaineen virtausta siksi, että suihkun törmääminen kaasuun aiheuttaa sen hajoamisen pisaroiksi. Samaa asiaa on törmääminen happisuihkuun. (Kavitaatioinjektorit toimivat omalla tavallaan). Injektoreissa tapahtuu aina paineen laskua. Jos hapen virtaamaa haluaa kasvattaa, niin aukon kokoa voisi suurentaa.
Todellakin hyvä asia on moottorin toimiminen, en keksi muuta kuin varovainen parametrien muuttaminen. Liian kova virtaus moottorissa voi sekin aiheuttaa blowoutin, mutta ainakin yhdessä videossa moottorisi toimi hyvän aikaa. Injektorin ja siihen palamistapatuman myötä liittyvän fysiikan laskenta menee minulle liian vaikeaksi. Alan tutkimuslaboratorioissa on omanlaisensa resurssit lähes kaiken mittaamiseen. Mutta tässä ja nyt en osaa ehdottaa muuta kuin ns. kvalitatiivisia säätökokeiluja.

totalitor
Posts: 49
Joined: 16 September 2016 09:01:33

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by totalitor » 16 September 2018 17:00:50

Avasin RUD-8 moottorin tänään, sen jota käytin kolme kertaa. Oliko viallinen? Oli.
Hieno messinkitankosysteemi kuorien välissä piti olla tukevasti paikallaan mutta eipä ollutkaan. Kaikki tangot olivat paineen ajamana siirtyneet injektoriin päin ja tukkineet siten polttoaineen virtauksen injektorin kautta kammioon. Ehkä ne siirtyivät ylös ja alas paineen mukaan, en tiedä varmasti mutta siinä ne eivät enää olleet mihin ne laitoin.
Juottamisvaiheessa toinen happireikä meni tukkoon ja porasin sen auki. Osuin sittenkin polttoainekanavaan ja yhden suunnitellun reiän sijaan moottorissa olikin kaksi polttoainereikää.
Ulkokuoressa on havaittavissa värimuutosta, se tuli viimeisessä testissä. Se viittaa suureen kuumuuteen, kupari vaihtaa väriä tuollaiseksi kun kuumentaa sopivasti. Jos jäähdytys olisi toiminut suunnitellusti niin värimuutoksia ei olisi ollut. Sisäkuoresta löytyi kaksi reikää. Messinkitangot olivat niiden kohdalla kunnossa. Olisiko bensiinin jäähdytyskapasiteetti riittänyt jäähdytystilan puoleen väliin ja sitten lämpö otti voiton?

Jos virtaus olisi ollut kunnossa niin olisiko moottori kestänyt? En tiedä.
Näistä opitaan. Messinkitangot pitää laittaa kunnolla kiinni ja juottamisvaiheessa pitää olla tarkempi. Bensiinin jäähdytystä voisin kokeilla tai lyhentää putkea. Virtausnopeutta voisi kasvattaa mutta en oikein tiedä miten sen teen. Kerosiiniin voisi siirtyä, kiehumispiste olisi korkeampi. Alkoholiin voisi siirtyä, liekin lämpötila olisi alempi.

Tämä ei lupaa hyvää testipenkissä olevalle jäähdyttämättömälle moottorille. Kokeilen silti sitä vielä tänä syksynä ja sitten alkaa talvitauko. Suunnitella voin mutta toteuttaa en.

Katsokaapa kuvia joita lisäsin ja kommentoikaa.

https://imgur.com/a/3LZNOEf

tt
Site Admin
Posts: 635
Joined: 20 January 2003 16:09:08
Nimi: Timo Toivanen
Location: Espoo

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by tt » 18 September 2018 12:37:20

Liikkuvat messinkitikut olisivat kieltämättä kätevä selitys moottorin yskimiselle. Miten olit kiinnittänyt ne paikoilleen? Kun niitähän ei oikein voi juottaakaan tai vähintään puolet virtausalasta häviää.
“Scientists dream about doing great things. Engineers do them.”
- James A. Michener

totalitor
Posts: 49
Joined: 16 September 2016 09:01:33

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by totalitor » 18 September 2018 13:37:58

Viimeiset kaksi messinkitankoa taoin vähän suuremmiksi läpimitaltaan ja tungin paikalleen. Joo ei voinut juottaa, olisivat menneet tukkoon. 15 bar paineella parhaimmillaan ajoin polttoainetta niiden läpi, pahasti aliarvioin paineen voiman. Ne pysyisivät paikoillaan jos sen 1 mm putkien väliä supistaisin hieman. Käsin takomalla menee kyllä, ensi vuonna sitten.

Ja virtausnopeutta voisin lisätä seuraavalla keinolla: siihen 1 mm väliin laitan ensin vaikkapa 4 mm levyisen kuparilevyn palan (paksuus siis 1mm), sitten pari 1 mm messinkitankoa, toistan kunnes väli on täynnä.
Hieman lukuja: kuvitteellinen jäähdytysalan pituus 90 mm, käytän 18 mm ja 22 mm putkia, väliin jää 1 mm rako, jäähdytystilan tilavuus 5372 mm3.
Täytän tilan 1 mm messinkiputkilla, tilavuus 1205 mm3.
Täytän tilan 10 kpl 4 mm levyllä, jokaisen levyn välissä on 2 kpl 1 mm messinkitankoa, tilavuus 408 mm3.

Saattaisi toimia.

Make_L
Posts: 262
Joined: 19 October 2006 20:28:45
Location: Espoo

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by Make_L » 18 September 2018 18:29:44

Käsittääkseni virtaus hidastuu, jos kammiopaine kasvaa, mutta suuttimen takana oleva paine pysyy ennallaan.
Vedellä ja kerosiinilla tehdyssä testissä: Massavirta (kg/s) suuttimesta riippuu paine-erosta (suuttimen yli mitattuna siis). Erään ominaiskäyrän mukaan ero 3 bar ja 10 bar välillä oli noin kaksinkertainen. Duplettisuuttimen 0,8 mm läpi 10 bar paine-erolla virtasi noin 18 g/s ja 3 barin paine-erolla 9g/s. Tämä antaa vain karkean suuruusluokan; eri järjestelmät ovat aina erilaisia. Kammiopaine on merkityksellinen muuttuja. Edellä käytin termiä 'virtaama', sen yksikkö on m3/s, tässä kg/s on asianmukaisempi valinta, etenkin laskutoimituksia ajatellen.
Samassa testissä: Pisaroiden (keskimääräinen) nopeus (m/s) laski hieman kammiopaineen nousun myötä, kun 0,8 mm suutinta testattiin 8 bar paine-erolla vs. 15, 20 ja 25 bar (kammion absoluuttista painetta). Lähellä suutinta se oli tuollaiset 20-25 m/s (kerosiini, vesi). Nopeus laskee pisarakoosta riippuen; odotetusti pienimmät pisarat hidastuvat nopeimmin kovemmassa paineessa eli tiheämmässä väliaineessa.
Pisarakoko pienenee suuttimen paine-eron kasvaessa, edelleen, se on pienempi jos suuttimen reikä on pienempi. Pisaroiden kokoeron riippuvuus paineesta ei ole niin dramaattinen.Suuttimia voi hyvin testata vedellä, mutta pisarakoko (muutoin samoissa mittausolosuhteissa) on kerosiinilla pienempi kuin vedellä, kaiketi pintajännitysominaisuuksista johtuen.
Kaasumaiselle hapelle joutuu etsimään oman ominaiskäyränsä.
Hydraulivirtausta koskevassa laskukaavassa käytettiin Cd:n (kertoimen) arvona 0,8 ja pysyttiin muutaman prosentin säteellä mittausarvoista eli ominaiskäyrästä. Tämä pätee vettä tai kerosiinia ruiskutettaessa 0,8...1,6 mm suuttimista. Vedellä on siis aivan hyvä testata. Se vastaa kohtalaisesti myös nestehapen virtausominaisuuksia. Kuitenkin tuo kerroin, vrt. Suttonin kirja, riippuu paljon käytetyn suuttimen muotoilusta ja tyypistä. Dupletin tai tripletin on oltava tarkasti suunnattu, jotta toimisi hyvin. Niiden välillä ei em. mittauksissa ollut oleellisia eroja.
Jos regeneratiivisessa systeemissä kanavia ohentaa, niin toki virtausnopeus kasvaa. Mutta rajoittava tekijä on suutin/suuttimet; läpi pääsee vain tietty polttoainemäärä aikayksikössä eli tuo massanopeus astuu kuvaan. Injektorista tulevan suihkun nopeus on eri asia. Käsitän asian niin, että vain suuttimesta tulevan massavirran verran on käytettävissä 'jäähdytystehoja' eli 0,7 mm suuttimen takia ei kovin paljoa.

totalitor
Posts: 49
Joined: 16 September 2016 09:01:33

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by totalitor » 18 September 2018 19:31:50

Joo rajoittava tekijä jäähdytyksessä on massavirta, laskelmieni mukaan n. 5 g/s polttoainetta menisi suuttimen läpi. Ei ole todellakaan paljon. Isommissa moottoreissa niinkuin F-1 osa polttoaineesta menee suoraan injektorille koska sitä ei kaikkea tarvita jäähdytykseen.
Minä tarvitsen kaiken (ja vähän ekstraa).
Yritän pysyä mahdollisimman pienessä moottorissa koska sellainen on nopea ja edullinen valmistaa. Jos ei tule toimimaan niin sitten ei. Kokeilut, suunnittelu ja valmistaminen on mielenkiintoista.Täytyyhän ihmisellä olla jokin harrastus.

Jäähdyttämättömän moottorin testi on tulossa kohtapuolin. Yritän olla sulattamatta sitä heti, lyhyitä ajoja vain.

totalitor
Posts: 49
Joined: 16 September 2016 09:01:33

Re: Omatekoinen rakettimoottori

Post by totalitor » 20 September 2018 19:33:44

Avasin koekäytettyä moottoria vielä vähän ja kyllä todellakin syy löytyi katkonaiseen käyntiin. Katsokaa kuva. Keskellä on reikä josta polttoaine menee jäähdytyskanavien jälkeen injektoriin ja sieltä 0,7 mm reiän kautta kammioon. Tankojen olisi pitänyt olla n. 1 cm etäisyydellä reiästä (ylöspäin kuvassa) jotta polttoaine pääsee kiertämään joka suunnasta tuohon reikään. Nyt tangot olivat reiän päällä tukkien virtauksen.
Seuraavassa versiossa tangot pitää laittaa kunnolla kiinni ja kaksi reikää molemmin puolin injektoria olisi parempi.

https://imgur.com/s8jbYMx

Post Reply