O injetor é um dos componentes críticos do motor a propelente líquido. A ele estão relacionados muitas das causas que levam ao mau funcionamento do motor. As técnicas utilizadas na caracterização dos injetores são feitas com água a pressão e temperatura ambientes. No entanto esta caracterização tende a ser pouco precisa para prever o real comportamento do injetor, devido à discrepância entre os regimes de operação encontrados nas câmaras de combustão e também à diferença entre as propriedades dos líquidos utilizados. O presente trabalho teve como objetivo estudar o comportamento de um injetor criogênico, comparando os resultados obtidos com água e com um líquido criogênico. Também foi projetada uma câmara para o estudo do injetor em combustão. Iniciou-se fazendo a escolha de um injetor adequado para os testes na câmara de combustão. Quatro modelos foram testados a procura do que apresentasse as melhores características. Nessa primeira parte, verificaram-se os tamanhos de gotas (SMD) e se fez a comparação dos valores medidos com os tamanhos de gotas calculados a partir das equações empíricas. Também foram realizadas as medidas dos ângulos de abertura dos sprays. Os testes de distribuição de massa foram realizados com um parternador e um calorímetro. Posteriormente foram representados em gráficos de curva de nível e de superfície e a qualidade de mistura analisada. A primeira câmara fabricada era inteiriça (uma peça única) de cobre com uma tomada de pressão e um ignitor gás dinâmico acoplado. Ao final dos testes verificou-se a necessidade de um estudo para um novo cabeçote e de um novo ignitor. Despenderam-se esforços no sentido de redimensionar o ignitor com alguns resultados promissores. Foram realizados ensaios com sprays de N2 líquido e álcool, utilizando a técnica de Fluorescência Induzida por Laser ("Planar Laser Induced Fluorecence", PLIF). O PLIF demonstrou ser uma excelente ferramenta para observar o comportamento dos sprays. O injetor foi testado com água e depois com álcool, para o combustível, e nitrogênio para o oxidante, utilizando Velocimetria de partículas por imageamento ("Particle image Velocimetry", PIV). Foram comparados os resultados do comportamento do líquido criogênico e da água. Finalmente, um novo modelo de câmara foi projetado, incluindo modificações que a fazem mais maleável e permitem diferentes regimes de trabalho. Este modelo deve ser testado em trabalho posterior.

Neste trabalho é desenvolvido um estudo analítico e computacional para obter as propriedades termoquímicas de motores- foguetes utilizando as propriedades termodinâmicas obtidas através da mecânica estatística. Sao utilizadas para determinar as propriedades termodinâmicas, assim como a composição química de equilíbrio, as equações da mecânica estatística, as constantes espectroscópicas das espécies químicas envolvidas e a técnica da minimização da função de Gibbs. Estes métodos são utilizados para analisar os processos de combustão em motores-foguetes a bi-propelentes líquidos para diferentes razões de massa oxidante / combustível. Os resultados obtidos, entre eles a temperatura adiabática de chama e as frações molares dos produtos de combustão, são comparados com os do NASA SP-273.

Esta tese apresenta uma investigação detalhada dos injetores centrífugos utilizados para atomização de propelentes líquidos. Inicialmente foram analisadas e comparadas as teorias aplicadas aos cálculos analíticos das dimensões do injetor e do escoamento interno, apresentadas por vários pesquisadores. Com base nesta análise, para os cálculos iniciais, foi escolhida a teoria de Abramovich como sendo a mais completa e adequada. Nessa teoria o propelente é considerado um fluido ideal e por este motivo pode ser aplicada no projeto dos injetores que possuem as características geométricas apropriadas. Para os cálculos dos injetores, incluindo os efeitos de viscosidade, a teoria de Abramovich foi modificada. Essa modificação apresentou resultados satisfatórios. A segunda parte do trabalho incluiu a modelagem numérica do escoamento interno do injetor. Nessa parte foi apresentado o procedimento de geração de malha, sendo também discutidos os tipos de modelagem multifásica e modelos de turbulência aplicados para simulação do escoamento. A modelagem de escoamento do fluido no interior do injetor tem suas particularidades devido às altas velocidades de rotação. Estas velocidades têm influência no comportamento do fluido que torna complexa a convergência da solução numérica; por isso para se obter resultados compatíveis com escoamento real é necessário utilizar modelos de turbulência direcionados para este tipo de problema. Na simulação numérica foi aplicado o modelo de turbulência ?-?, RNG ?-? e Reynolds stress model. A modelagem foi feita utilizando o software ANSYS CFX. Os resultados desta simulação apresentaram o comportamento detalhado do escoamento do fluido dentro de injetor. Foram determinados os campos de velocidade axial, tangencial e radial, a câmera oca formada pelo ar e distribuição da pressão total, estática e dinâmica. A validação dos resultados analíticos e numéricos foi feita em comparação com resultados dos testes experimentais. Para realização dos ensaios foi projetada uma matriz de testes que permitiu fazer a avaliação dos injetores mono e bi-propelentes. Durante os ensaios também foi analisada a influência da quantidade de orifícios de entrada do injetor na homogeneidade da distribuição do líquido no spray.

O sistema de injeção de um motor foguete a propelente líquido (MFPL) é considerado uma das partes mais importantes para o perfeito funcionamento do motor. Seus parâmetros fluidos mecânicos influenciam diretamente no comportamento térmico da câmara, por conseqüência na eficiência de combustão, refrigeração do motor e também na estabilidade dinâmica de todo o motor. Esta dissertação propõe uma metodologia de cálculo para dimensionamento de injetores centrífugos líquido-líquido para motor foguete a propelente líquido, validada através da obtenção da geometria de um injetor já conhecido, o injetor do motor russo RD-109. Este trabalho também estuda aspectos experimentais de influência dos canais tangenciais de admissão de fluido no ângulo de cone, distribuição da vazão mássica e razão de mistura, que são os principais parâmetros de desempenho do injetor. O conhecimento prévio desses parâmetros é útil antes da montagem dos injetores no cabeçote, pois conhecendo seu comportamento é possível distribuí-los de maneira a melhorar a resposta dinâmica do sistema e a eficiência de combustão, otimizando os custos de ajustes do motor na fase de testes a quente.

O presente trabalho visa simular o funcionamento de uma válvula reguladora de empuxo e uma válvula reguladora da razão de mistura de um motor foguete a propelente líquido. Para tanto, são feitos primeiramente uma explanação do funcionamento das válvulas reguladoras em questão e, posteriormente, o dimensionamento dos elementos sensíveis, como molas, fole e membrana. Através da técnica de grafos de ligação (Bond Graphs), é montado o grafo de ligação das válvulas reguladoras e realizado a simulação computacional através do software 20-Sim, que é especializado em simular grafos de ligação. Assim, com esta ferramenta de análise de controle, poderemos verificar os requisitos funcionais e operacionais das válvulas reguladoras de controle do empuxo e da razão de mistura dos propelentes.

As características de um motor foguete a propelente líquido podem levar a turbina a operar em ciclo aberto ou em ciclo fechado. No caso de um motor que opera em ciclo térmico aberto, a turbina é supersônica, de ação e de admissão parcial. Já para o caso de um motor que opera em ciclo fechado, a turbina é sônica, de reação e admissão total. O uso da admissão parcial leva a turbina a ter altura de pá maior do que no caso da admissão total. Esta característica faz com que o desempenho aumente consideravelmente, pois caso a turbina operasse em admissão total, as perdas por vazamento e secundárias seriam excessivamente altas.

A escolha correta dos injetores garante uma mistura rápida e um processo estável de queima na câmara de combustão de um motor foguete a propelente líquido (MFPL). Devem ser considerados parâmetros de desempenho do injetor como ângulo de cone de pulverização do spray, distribuição da vazão mássica, distribuição da razão de mistura, tamanho de gota e mecanismos de instabilidade de queima. Esta tese de mestrado apresenta uma compilação dos principais procedimentos de cálculo relativos a injetores centrífugos utilizados em MFPL, obtidos a partir da literatura russa. A comprovação deste procedimento de cálculo é feita mediante duas comparações. Uma a partir da metodologia de cálculo apresentada comparando-se os resultados das dimensões do injetor obtidos, com os dados técnicos do injetor utilizado pelo MFPL RD-0109 operado com oxigênio líquido e querosene; a outra comparação será entre os cálculos teóricos dos parâmetros de desempenho do injetor com os resultados experimentais obtidos a partir de testes a frio. No trabalho verifica-se também o comportamento do injetor quando há variação do comprimento da região do misturador Lmist, analisando as mudanças na distribuição da razão de mistura e na distribuição da vazão mássica característica do injetor centrífugo bipropelente. O conhecimento prévio do comportamento destes parâmetros de desempenho do injetor é útil na fase de testes a quente do MFPL, otimizando e reduzindo os custos de ajuste do motor. O entendimento do funcionamento do injetor centrífugo empregado em MFPL é fundamental para utilização do mesmo em futuros projetos de câmaras de empuxo e geradores de gás a serem desenvolvidos pelo IAE. Caso o projetista opte pelo emprego deste tipo de injetor, esta tese servirá de fonte de referência para o desenvolvimento do projeto.

Esta dissertação apresenta um conjunto de equações que modelam a dinâmica dos seguintes elementos básicos de um motor-foguete a propelente líquido (MFPL): câmara de empuxo (cabeçote de injeção e câmara de combustão); linha de alimentação (duto de seção transversal circular ou geometricamente equivalente); constritor (orifício calibrado ou válvula); regulador (regulador de pressão ou regulador de empuxo) e turbobomba (bomba centrífuga e turbina de impulso com um estágio). A abordagem usada neste trabalho é adequada para estudar variações temporais durante a fase de operação normal do motor, isto é, excluindo-se as fases de partida e de corte do mesmo. Adicionalmente, podem ser investigados problemas relacionados a instabilidades de baixa freqüência no sistema hidropneumático, as quais podem degenerar a eficiência do motor ou causar danos ao mesmo. As equações finais, relativas a cada um dos elementos básicos, são implementadas como diagramas de blocos encapsulados usando-se o software Matlab-Simulink e, com eles, é criada uma biblioteca de blocos para aplicações específicas em MFPL. Tal recurso dá a possiblidade de se fazer simulações computacionais de diferentes configurações de motor através de simples modificações na interação entre os blocos, além de permitir se verificar os efeitos causados pela modificação de quaisquer parâmetros do motor. Para ilustrar algumas possíveis aplicações, são estudadas duas configurações distintas: um MFPL pressurizado por gás e um por bomba. Em ambos os casos, respostas a degrau e respostas em freqüência são determinadas e usadas para analisar os efeitos do tempo de preparação da mistura (necessário para injetar, pulverizar, misturar e evaporar os propelentes) sobre a pressão da câmara de combustão.

The main aim is to understand the gas dynamic process, which occurs inside a two-stage turbine and to propose an algorithm for the simulation of a two-stage turbine at design and off-design points. The explanation of each chapter is constructed to make further works easy, which should be the main of any research work that needs to be continued. Moreover, the structure of the chapters is organized in order to expose the theory in a progressive order, avoiding confusing references to preceding topics. According to this method, the content of each chapter is showed in following topics. The Introduction explains the main goals of the Brazilian Space Agency (AEB), focusing the launching vehicle. Chapter II describes a two-stage impulse turbine designed for a liquid rocket engine and some trubopump basic design criteria. A detailed description of the main losses in two-stage axial turbines of liquid propellant rocket engine is depicted in Chapter III. The explanation are always associated with Russian experimental results showed in graphics or equations relating physical variables neasurable in experiments, and dimensionless factors of losses and efficiency. Experimental evidences have been used to produce experimental equations for the determination of the magnitude of the losses and flow angles in blade rows. Several design solution proposed in Chapter IV for improving the efficiency are based on empirical data. Then, some concepts are introduced in designing gas turbines as: power Nu' specific work Lu'load coefficient Lu.ratio and efficiency hu as function of the ratio of the tangential speed u to the adiabatic speed cad for single-stage an two-stage turbines and turbine specific work LT, turbine load coefficient LT.ratio' overall turbine efficiency hT and turbine power NT as function of the ratio of the tangential speed u to the adiabatic speed cad for two-stage turbines. The flow through nozzles and blade rows is examined in detail in Chapter V, where the process of gas expansion in cascades and features of the flow over blade surfaces are described for subsonic, transonic and supersonic conditions. In Chapter V, it is also discussed the structure of the boundary layer in order to reveal the general laws governing the flow around of blades and the methods used for designing blade profiles to lower shock waves. In the first topic of Chapter VI, the initial parameters of turbine calculations are slected and its values are defined according to initial data analysis. In the second topic, the dimensionless criteria for similarity of gas turbine are described. The basic parameters and the dimensionless criteria for similarity of gas turbine allow the definition of the mass flow and energy charactiristics of the turbines. Special attention is devoted to particular characteristics of high and low-pressure turbines. The relations explained in the preceding chapters are used for implementation of a computer program, using software "Mathcad" for simulation of the turbine working at design and off-design conditions. The algoritms for one and two axial impulse turbines are saved in the files I.mcd and II.mcd respectively in the CD-ROM. The appendix only shows the output data for two-stage axial impulse turbines. In Chapter 7, the validation of the methodology and the computer program is done using test data from Russian bipropellant (kerosene and liquid oxygen) engine RD - 0109 for the design point and using general empirical relations, obtained from linear regression of test data of actual one and two-stage axial impulse turbines for off-design points.

Este trabalho propõe o desenvolvimento e estudo de um modelo matemático do sistema de alimentação do banco de teste de motores foguete a propelente líquido para corpo de prova de 15 kN de empuxo do laboratório de propulsão líquida da APE/IAE (Divisão de Propulsão Espacial/Instituto de Aeronáutica e Espaço) com o objetivo de analisar a influência de efeitos fluido dinâmicos nos principais componentes do motor, levantando resultados da dinâmica de pressão e vazão para ensaios a frio e a quente. Para tal utilizou-se a modelagem em grafos de ligação, importante ferramenta para a simulação dinâmica de sistemas independentemente do seu domínio físico. Esta metodologia é fundamentada em elementos resistivos, capacitivos e de inertância, os quais interagem entre si através de ligações de energia, transmitindo potência e energia, sendo adequada para representação de sistemas hidráulicos. Neste trabalho foi utilizado uma amostra de pressão de ensaio a frio para o corpo de prova do propulsor de 15 kN de empuxo; esta será útil para aproximação da dinâmica de pressão do modelo com a real. Com essa aproximação foi possível simular ensaios a quente para dois pares-bipropelentes, Etanol/LOX e Querosene/LOX. O desenvolvimento deste trabalho e seus resultados contribuem para o melhor conhecimento da dinâmica fluida do sistema de alimentação da bancada de teste, o que torna a ferramenta apta para análise da influência dos componentes hidráulicos e alternativa para aplicação de futuros aperfeiçoamentos do sistema real.