Publicado originalmente en: http://www.coheteriaamateur.com.ar/foro/viewtopic.php?f=5&t=3506
Pandinus
2013/10/22 - 08:06
Diseño Motor Clase H
Buenas, aprovecho el hilo para presentarme, prácticamente. Hace tiempo que me atrae este mundo y de hecho llevo años registrado aunque no participo a mi pesar y mis conocimientos del mundo se basan en la teoría, no he llevado el hobbie a la práctica aún (cosa que quiero hacer en el futuro).
Soy un estudiante de ingeniería de España. El caso es que estoy haciendo un trabajo para la Universidad sobre el diseño de un motor de clase H (aprovechando que es un tema que me gusta), con lo cual más allá de hacer los cálculos de forma práctica según recomendaciones basadas en la experiencia lo que me interesa son los desarrollos teóricos y la justificación de estos. En este hilo iré planteando mis consultas o dudas y exponiendo los avances que haga.
En principio el índice que he propuesto para el trabajo es el siguiente:
1.- INTRODUCCIÓN
1.1.- Cohetería experimental.
1.2.- Clasificación según combustible y potencia.
2.- COMBUSTIBLE.
2.1.- Elección del combustible.
2.2.- Caracterización del combustible (utilizando PROPEP).
2.3.- Geometría del combustible.
3.- CÁMARA DE COMBUSTIÓN.
3.1.- Diseño de la cámara de combustión.
3.2.- Presión de cámara y temperatura máxima.
3.3.- Diseño del ignitor.
3.4.- Elección del material adecuado.
4.- TOBERA.
4.1.- Teoría de toberas de laval.
4.2.- Diseño de la tobera (utilizando UFlow1d).
5.- APLICACIONES Y USOS.
He abierto el hilo en esta sección por ser mi proyecto personal aunque si los moderadores creen que estaría mejor en la sección de motores no hay problema.
Un saludo.
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Pandinus
2013/10/22 - 08:15
Re: Diseño Motor Clase H
El caso es que estoy reproduciendo la gráfica de Presión de cámara vs Kn para el Sorbitol pero para un Kn de 550 la presión de cámara me da un valor de 7.18 MPa cuando en la gráfica de Richard Nakka ronda los 10MPa.
Estoy empleando los coeficientes a y n que detalla en su web Índices y la fórmula de este otro Po vs Kn
¿Alguna idea de qué estoy haciendo mal?
Un saludo y gracias.
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gdescalzo
2013/10/22 - 12:18
Re: Diseño Motor Clase H
Interesante… Creo que no estas haciendo nada mal: no hay porque creer que los valores deben ser exactamente los de Nakka para que tu motor pueda trabajar. Te pido un rato de paciencia, ahora estoy fuera, esta noche te agrego más información desde mi casa.
Abrazo.
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Pandinus
2013/10/22 - 15:41
Re: Diseño Motor Clase H
A lo que me refiero es que estoy representando la gráfica Po vs Kn según la ecuación general
Po= [Kn*(a/alpha)rhoc]^(1/1-n) para el Sorbitol (que va a ser el propelente con el que quiero diseñar el motor).
Un saludo y gracias por la respuesta Guillermo, todo un honor contar con tu ayuda y la de este gran foro.
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gdescalzo
2013/10/22 - 23:41
Re: Diseño Motor Clase H
De nada…
Bueno, no logro ver el problema y me fui a la práctica: básicamente tomé la planilla de Nakka con mi viejo motor clase H de 38 mm, que tiene un Kn de sólo 176, muy bajo, porque lo trabajo a sólo 3.7 MPa… pero si subo el Kn a 550 para seguir tu ejemplo, la presión es ahora de unos 16 MPa, el motor sigue siendo un clase H pero de menor duración y muy alta presión…
Me puedes explicar un poco más tus dudas?
Abrazo!!!
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Pandinus
2013/10/23 - 10:02
Re: Diseño Motor Clase H
Yo lo que intento es reproducir esta gráfica Po vs Kn para Sorbitol
Que se supone nace de la fórmula Po= [Kn*(a/alpha)rhoc]^(1/1-n) que está en el texto Diseño de un Motor Cohete La presión en la Cámara de Richard Nakka y traducido por Javier Esteban Fernández. Donde se ve que la presión de cámara depende directamente del Kn y del propelente, pues bien tomando la densidad, velocidad característica y los índices a y n que da Richard Nakka para el KNSB no consigo reproducir fielmente la gráfica. Se supone que para este propelente la relación Kn y Po debe ser la misma para cualquier motor, ¿me equivoco?
Perdón por las molestias, es que no sé explicarlo mejor )
Un saludo.
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regul
2013/10/23 - 12:48
Re: Diseño Motor Clase H
“debe ser la misma para cualquier motor”???
Que significa “cualquier motor” en tu universo?. Este grafico empirico vale solo para una proporcion predeterminada de KNO3 vs. Azucar (Sorbitol en este caso) .
Por ejemplo: 65/35 o 60/40 (estandard). Al tener este combustible de la formulacion referida tu puedes elegir un punto en la curva donde la P va a satisfacer a tus objetivos del proyecto y tus capacidades de produccion. Esta P de tactica a la practica esta entre 600 a 1000 psi (68 Atm). Luego puedes utilizar el proga SRM-beta (de RNak) y estimar los parametros del grano necesarios para el diseño mecanico del cuerpo de la camara: (L/d, Din/Dext). y la tobera: Dthroat vs D output. Algo asi.
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Pandinus
2013/10/24 - 16:54
Re: Diseño Motor Clase H
Bueno he logrado hacer una representación bastante parecida con la tabla nº5 del paso 5 de la web ::: Juan :::.
He estado probando la plantilla SRM, es la primera vez que la uso ¿qué os parece? Creo que la curva queda bastante plana y la presión no la veo muy alta.
Aunque hay dos campos que no sabía muy bien cómo usarlo:
-Uno es la erosión en la tobera, he intuido que no había erosión si es metálica pero no sé si esto es correcto del todo.
-El otro campo es la G* en la pestaña de presiones. He dejado la que venía por defecto que es 6 pero no sé bien que significa.
Un saludo y gracias.
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Pandinus
2013/11/17 - 19:07
Re: Diseño Motor Clase H
Sigo avanzando y mis dudas siguen surgiendo, es lo que tiene ser novato pero voy aprendiendo bastante.
He pensado en el diseño de las sujeciones sustituir los tornillos por anillas clip o seegers por la facilidad de entrar en el tubo portamotor por ejemplo.
En los motores que he visto usan dos, una para la tobera y otra para la tapa en el exterior, de forma que se evita que salgan fuera del tubo pero de forma interior, ¿no hace falta sujeción?
Por ejemplo para la tapa, ¿cómo quedaría “sostenida”? ¿por los mismos granos?
Otra duda que tengo es con las O-rings o juntas tóricas, el diámetro interno es de 35mm, ¿la junta debe tener 35mm de diámetro exterior o algo más para quedar ajustada y apretada?
Un saludo.
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Saposapiens
2013/11/17 - 19:53
Re: Diseño Motor Clase H
Hola.
Te dejo esta planilla para calcular el o-ring más adecuado a la aplicación.
No recuerdo donde estaba publicada, pero seguro era en estos foros.
Saludos.
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Pandinus
2013/11/18 - 06:35
Re: Diseño Motor Clase H
Gracias por la ayuda. Según la hoja Excel para mi motor de diámetro interior 35mm la O-ring tiene un diámetro exterior de 35.06mm, supongo que ese medio milímetro extra es el que garantiza el sellado.
¿Sobre las seegers alguna sugerencia?
Por lo que veo sólo se usan dos, entonces ¿son los mismos inhibidores y las anillas de separación que sujetan los elementos para que no se muevan hacia la cámara de combustión así como el ajuste por interferencia geométrica que hay?
Un saludo y gracias.
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JCTCBA
2013/11/18 - 09:57
Re: Diseño Motor Clase H
Jorge:
En teoría, al colocar tanto la tapa como la tobera, la sola presión de los o-rings (juntas toroidales) debe mantener en su lugar los componentes.
Tené presente que esa junta debe ser capaz de soportar la presión de varios kPa que se producirá al funcionar el motor, por lo que el ajuste entre la tapa o la tobera y el cuerpo de la cámara no es suave, debe entrar bastante ajustado.
Es recomendable hacer en los extremos de la cámara un mínimo rebaje del lado interno, para facilitar la colocación de los componentes, debe ser un rebaje bien pulido para evitar “lastimar” el o-ring, y al menos yo lubrico la zona al armar el motor, para facilitarlo aún más.
Personalmente me parece más dificultoso usar seegers que tornillos de tipo “prisionero”, porque para los seeger es necesario debilitar el material de la cámara haciendo el alojamiento para el seguro.
Si la pared del tubo de la cámara es de 1,5 mm, un alojamiento mínimo de 0,5 mm no me genera gran confianza. Adicionalmente, debe haber para cada medida de seeger y presión a resistir, una profundidad específica mínima del alojamiento, que desconozco y habría que averiguar.
Recuerdo que en algún momento Jorge Navesnik tuvo una expulsión de la tobera justamente debido a la escasa profundidad del alojamiento del seeger.
Por su lado usando los prisioneros (así conozco yo a los tornillos sin cabeza, que tienen en un extremo un alojamiento para llave tipo Allen) se puede diseñar para que los extremos queden a nivel o ligeramente debajo de la superficie externa de la cámara, con lo que no interfieren en el alojamiento del motor.
Para la tobera, preferí usar tornillos con cabeza y también para llave Allen, ya que servirán como apoyo adicional de empuje, además del mamparo superior de la cuna del motor.
Saludos cordiales,
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Pandinus
2013/11/18 - 11:23
Re: Diseño Motor Clase H
Buenísima la respuesta JCTCBA.
Ahora estoy dudando porque según los catálogos de seegers la ranura que tengo que practicar tiene que tener una profundidad de 1mm dejando el espesor del material en 0.5mm. Por otra parte según la teoría del libro Elementos de Máquinas, Hamrock en el apartado cilindros de pared delgada para un acero AISI 1080 con límite de fluencia 380 MPa el espesor mínimo debe ser 0.1639 mm, con lo cual dejando 0.5 mm estaría trabajando con un coeficiente de seguridad de 3. Parece suficiente y en estas zonas no creo que el incremento térmico sea elevado al estar fuera de la cámara de combustión.
Pero la solución que me das es muy buena ya que lo que quiero evitar es que haya elementos que sobresalgan y dificulten encontrar un tubo portamotor adecuado. Y en la tobera como bien dices al usarlos con cabeza sirven de tope y retención.
¿Sería un tornillo de este tipo? http//www.valvias.com/prontuario-rosca-tornillo-prisionero-allen-din-913.php
Con una métrica M3 para un espesor de tubo de 1.5mm ¿sería realizable?
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JCTCBA
2013/11/18 - 13:39
Re: Diseño Motor Clase H
Jorge:
En efecto, esos son los que yo llamo “prisioneros”.
Creo -CREO- que los que usé son M2, aunque eran más largos y los rebajé en la amoladora de banco hasta que me dieron justo. En el gráfico que posteaste vos no figura el diámetro externo, pero creo que al ser M2 eso indica el diámetro externo… ¿es así?
Como me eran difíciles de conseguir, compré los tornillos y junto con ellos la llave correspondiente.
Un dato interesante al usar tornillos -a mi forma ignorante de verlo, por supuesto- es que sabiendo la resistencia del material de los tornillos a la tracción (y sabiendo cómo van a ser utilizados: a corte) se puede calibrar con ellos la presión de seguridad y usarlos como “fusibles”, poniendo la cantidad de tornillos necesaria para soportar por ejemplo 12 kPa, y que a mayor presión cedan y se eyecte la tobera.
Así lo propone Nakka en algunos de los diseños de su sitio web, y esa es la idea que tenemos acá en Córdoba, y trataremos de implementarla, aunque por el momento está relegada y priorizamos tener un motor funcionando para volar.
En este posteo podés ver algo del trabajo que hemos ido haciendo y algunas conclusiones a las que llegamos en nuestro trabajo grupal:
http://www.coheteriaamateur.com.ar/foro/viewtopic.php?f=25&t=3326
Espero que algo te sirva. Cordiales saludos,
Juan.-
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Pandinus
2013/11/19 - 05:16
Re: Diseño Motor Clase H
Luego leeré el hilo, parece interesante.
Aquí, en España, a los prisioneros los llamamos espárragos jeje. Voy a hacer lo que sugeriste y ponerlos en la tapa y con cabeza en la tobera.
Tengo que calcular la resistencia de los mismos al cortante y también al aplastamiento para asegurar que no falle ningún elemento.
La idea de usarlos como fusibles para que se despliegue la tobera o la tapa antes que reviente el tubo es muy buena, evitaría males mayores.
Un saludo y gracias D
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JCTCBA
2013/11/19 - 09:27
Re: Diseño Motor Clase H
Si, Jorge, acá también los lamamos “espárragos”, pero me pareció que era algo muy local, se ve que está más difundido de lo que yo creía, jaja!!
La idea de los tornillos como fusibles es -como te dije- de Richard Nakka, seguramente conocés el sitio, porque es el referente obligado en esto de los motores candy, y de varios otros aspectos de la actividad.
A mi criterio, siempre es preferible que se expulse la tobera: en caso de fallo con el motor colocado en un vector, la expulsión de la tapa hacia el interior probablemente cause la destrucción de componentes y de buena parte del vector, en cambio la tobera no debería causar ningún problema si es eyectada.
Saludos y esperamos novedades de tus trabajos, y cuando puedas, fotos.
Juan.-
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Pandinus
2013/11/21 - 07:03
Re: Diseño Motor Clase H
Gracias por el interés.
Desgraciadamente fotos no podré facilitar porque el proyecto va a ser sólo de diseño, teórico y en unos meses me voy al extranjero pero en cuanto pueda quiero llevarlo a cabo. Al menos los cálculos los tendré hechos y faltará la fase constructiva. Subiré los planos y gráficos del programa Autodesk Inventor.
Vuelvo a la carga con algunas dudas, estoy diseñando el ignitor y según la hoja Excel de Richard Nakka necesito 1g de pólvora lo cual me parece bastante acertado ya que he leído por ahí que para motores G se usan unos 500mg.
Sin embargo para comparar resultados y hacerlo mediante ecuaciones la única info disponible es la del amigo Juan ::: Juan ::: en el último paso y el resultado son unos 5g, es bastante la diferencia y me parece demasiado.
¿Alguien conoce las ecuaciones para calcular la cantidad de pólvora necesaria?
Por otra parte nunca está de más aportar un ignitor comercial como solución, ¿conocéis algún catálogo disponible?
Un saludo.
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gdescalzo
2013/11/22 - 22:18
Re: Diseño Motor Clase H
Me reservo la opinión…
Andá con medio gramo y arranca.-
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Pandinus
2013/11/25 - 12:36
Re: Diseño Motor Clase H
Entendido pues. Me fío mucho del Señor Nakka y además he encontrado el documento de la NASA sobre ignitores donde se apoyan sus cálculos así que a estudiar el documento y justificar la elección.
¡Un saludo!
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gdescalzo
2013/11/25 - 14:38
Re: Diseño Motor Clase H
Un gramo de pólvora de buena calidad genera (“adiabáticamente” hablando) unos 17 litros de gas. No recuerdo de donde saqué eso, pero parece bastante acertado. ENtonces, si a temperatura y presión constantes uno genera 17 litros de gas a partir de un gramo de pólvora, si se logra hacer encender medio gramo POR COMPLETO, con el calor y la presión que esto genera, el arranque está garantizado. Pero… (como siempre, lo que viene después del “pero” tira a la mierda TODO lo anterior)…
Está muy bien hacer el cálculo de todo lo que se pueda calcular… pero esos cálculos por lo general son como los reglamentos: de cumplimiento mínimo.- ¿Qué quiere decir esto? Que si uno calcula UN gramo, debe asegurarse que ese gramo se encienda correctamente, todo junto y sin desperdicio.- ¿Qué ocurre en la realidad? Que esa cantidad de pólvora no se enciende del todo y al unísono debido a deficiencias del ignitor (estopín).-
Por lo general, los ignitores comerciales tipo “electric match” (DaveyFire y otros) generan un pequeño estallido que “barre” parte de la pólvora… y la mayoría de los ignitores caseros encienden “de a poco”, sin barrer materiar pero generando encendidos más lentos.- Todo eso genera una merma más o menos importante de lo generado versus lo calculado.- ¿Cómo saberlo, cómo saber cuanto “barre” uno, cuanto pierde el otro? Y… habría que hacer cientos de ensayos, medirlos de alguna manera, generar una curva, calcular la desviación (que puede no ser gaussiana sino más bien será una distribución tipo Weibull), etc., etc.-
Digo yo… ¿Vale la pena? Y… seguramente que sí vale la pena hacer esto si uno tiene tiempo y/o dinero, o para una tesis profesional, pero para un aficionado como yo, calcular al infinitésimo TODO… no agrega mucho.- Yo hago cohetes, no cálculos ultraprecisos e infinitesimales de cada una de sus partes… y no por eso, todo esto deja de ser ingeniería de primera calidad!!!
Resumen: mandale como mínimo medio gramo si usás un ignitor LENTO. Si usás un ignitor tipo “electric match”, ponele NO MENOS DE UN GRAMO. Y -en cualquiera de los dos casos- arranque asegurado en un motor H.- Para motores más grandes, conversamos.-
Esto no está avalado por demasiados cálculos, sino por mi propia experiencia en el campo.
Abrazo,
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Pandinus
2013/11/26 - 13:42
Re: Diseño Motor Clase H
Me ha quedado clarísimo y entiendo perfectamente lo que quieres decirme.
La experiencia es un grado y es tan importante como la teoría y el cálculo.
Muchas gracias por la explicación, es Ud. un maestro 
Un saludo.