Title of article :
Numerical and Experimental Investigation of Motor Pressure Effect on Thermochemical Erosion of Graphite Nozzle in Solid Fuel Engines
Author/Authors :
Daneshfar, E Material and Energy Research Center, Karaj, Iran , Aminy, M Material and Energy Research Center, Karaj, Iran , Doustdar, M.M Department of Mechanical & Aerospace Engineering - Imam Hussein University, Tehran, Iran , Fazeli, H Department of Mechanical Engineering - Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran
Abstract :
Using heat shield, especially in throat area has a significant effect on combustion chamber pressure and thermal efficiency of solid fuel engines. Precise prediction of the regression of throat area for different pressures, will lead to optimal design of the motors, specifically for those of long burnout times. In this work, erosion of graphite nozzles employed in solid propellant motors with a specific composite propellant and variable pressures, is investigated. The numerical model utilized includes the Naiver-Stokes equations, chamber gas thermodynamic equations and thermochemical and heat conduction equations for the nozzle surface. In order to validate the numerical results, a cartridge type solid propellant motor with a graphite nozzle is experimentally tested. Using a 3D scanner in the experimental setup, the amount of inner surface regression for variable pressures (60, 90, 120 and 200 bars) is measured. Numerical and experimental results are in a proper conformity with each other. There is a direct relationship between convection heat transfer coefficient and the pressure. The overall erosion is the same for all four engine pressures. The erosion rate increases with increasing pressure. This rate for the fuel is about 0.21 mm/s for every 100 times the pressure up to 300 times. For a pressure higher than 300 times, a significant leakage occurs at the corrosion rate.
Farsi abstract :
كاربرد سپرهاي حرارتي در گلوگاه موتورهاي سوخت جامد، به دليل تاثير خوردگي اين ناحيه بر فشار محفظه احتراق و
نهايتا بازده حرارتي موتور، موجب مطالعه زيادي در اين حوزه گرديده است. پيش بيني صحيح مقدار پسروي سطح گلوگاه
در فشارهاي مختلف، منجر به طراحي بهينه موتور، بويژه در موتورهايي با زمان سوزش بالا مي گردد. در اين تحقيق، خوردگي
نازل گرافيتي در موتورهاي سوخت جامد براي يك سوخت مركب با تركيب خاص، در فشارهاي مختلف مورد بررسي قرار
گرفته است. مدل عددي استفاده شده، شامل حل معادلات ناوير استوكس جريان سيال، معادلات ترموديناميكي داخل موتور،
معادلات ترموشيمي و هدايت حرارتي سطح نازل مي باشد. جهت اعتبارسنجي نتايج مدل عددي، يك موتور سوخت جامد
كامل از نوع كارتريجي با نازل گرافيتي مورد آزمايش قرار گرفته است. همچنين توسط دستگاه اسكنر سه بعدي مقدار
خوردگي سطح داخلي نازل براي فشار كاركرد 60 ، 90 ، 120 و 200 بار اندازه گيري شده است. مقايسه نتايج حاصله بيانگر
مطابقت خوب خروجي مدل عددي با داده هاي تجربي در گلوگاه و حوالي آن مي باشد. ما بين ضريب انتقال حرارت و
فشار رابطه مستقيم وجود دارد. خوردگي كلي براي هر چهار موتور يكسان است. نرخ خوردگي با افزايش فشار، افزايش پيدا
مي كند. اين نرخ براي سوخت در حدود 21 / 0 ميلي متر بر ثانيه به ازا هر 100 بار افزايش فشار تا محدوده 300 بار مي باشد.
براي فشار بالاتر از 300 بار يك جهش قابل توجه در نرخ خوردگي ايجاد مي گردد .
Keywords :
Erosion , Graphite , Solid Fuel Engine