Design of a pintle injector
İğne uçlu püskürteç tasarımı
Yazar: BERKSU ERKAL
Danışman: PROF. DR. MEHMET HALUK AKSEL
Orta Doğu Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışma ile, sıvı oksijen/gaz metan roket motorları için tasarım yöntemi verilmiştir.
Sprey karakteristiklerini incelemek için, su ve hava ile soğuk akış testleri
gerçekleştirilmiştir. En yüksek itkisi 750N olan ve itkisinin üçte birine indirme
kabiliyetine sahip püskürteç tasarımı esas alınarak tasarım süreci başlatılmıştır.
Nizami ve eksenel spray elde etmek üzere 3 farklı hazne geometrisi deneysel olarak
incelenmiştir. Hazne geometrisi belirlendikten sonra 3 oksitleyici ve 2 yakıt
geometrisinin kombinasyonu olacak şekilde 6 farklı püskürteç tasarlanmıştır.
Literatürdeki boyutsuz parametreler kullanılarak soğuk akış deneylerinin su ve hava
debileri belirlenmiştir. Faz Doppler parçacık analizcisi kullanılarak parçacıkların
Sauter ortalama çapları ve hız profilleri elde edilmiştir. 3 farklı itki seviyesinde bu
deneyler her püskürteç için gerçekleştirilmiştir. Bunlara ek olarak, hızlı kamera ile
sprey açıları ölçülmüştür ve test sonrası incelemeler için kontrastı yüksek görseller
elde edilmiştir. Çalışılan debilerde sadece 20° açılı iğnelerde döngüsel alanlar
oluşmuş, 30° ve 40° iğne açılarında döngüsel alanlar oluşmamıştır. Bu alanların
bitişlerinde ise Sauter ortalama çaplarında bir artış gözlemlenmiştir. Ayrıca, 20° açılı
iğne uçlarında, 58° püsküteç yarım açısına ulaşılmışır. Döngüsel alanlarda Sauter
ortalama çaplarının 20-50 μm arasında çeşitlendiği gözlemlenmiştir. Bunlara ek olarak Sauter ortalama çaplarının 20° iğne ucunda görece daha düşük olduğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
Pintle injector design methodology for liquid oxygen/gaseous methane rocket engine
is investigated with this study. Cold flow experimental work is conducted with water
and air to investigate the characteristics of designed injectors by observing spray
formations. 750N at maximum thrust with 3:1 throttle ability is chosen as mission
requirement. 3 different reservoir geometries are manufactured and experimental
investigation is conducted to ensure uniform and axisymmetric spray cone. After
decision of the final reservoir, 6 different injectors are designed which are combination
of 3 different pintle angles and 2 different annular gap thickness. Non-dimensional
parameters from literature are used to determine water and air mass flow rates of cold
flow experiments. Phase Doppler Particle Analyzer (PDPA) is utilized to obtain
droplet Sauter mean diameters (SMD) and velocity profile in axial and radial direction
within the spray. These experiments are carried out for 3 different throttle level for all
injectors designed. Spray half cone angles are measured by high speed camera and
high contrast images are obtained for post processing observations. At studied flow
rates recirculation zone is obtained only for 20° instead of 30° and 40° pintle angles
and Sauter Mean Diameter (SMD) increase is experienced at the end of these
recirculation zones. Moreover, wider spray half angles up to 58° are obtained with the
pintle angle of 20°. SMD values are in the range of 20-50 μm for all injector types at recirculation zones and injectors with 20° pintle angle have the lowest SMD valuescompared with the other injectors.