Esse trabalho apresenta uma investigação teórico-experimental de injetores centrífugos duais e jato-centrífugos para utilização em propulsores bipropelentes líquidos. Esses tipos de injetores proporcionam atomização e mistura eficiente dos propelentes, além de permitirem o ajuste do ângulo de cone do \emph{spray} para uma dada queda de pressão ou vazão, reduzindo as dimensões da câmara de combustão. Inicialmente são apresentadas as teorias de Abramovich e Kliachko usadas na análise do escoamento interno e o projeto de injetores centrífugos duais. Uma nova metodologia é desenvolvida para análise e projeto de injetores jato-centrífugos, baseada na abordagem de Bayvel e Orzechowski e na teoria de Kliachko. A nova metodologia pode também ser aplicada ao projeto de injetores centrífugos simples e duais. Em seguida, são projetados e fabricados injetores seguindo os novos procedimentos de cálculo propostos, visando emprego de um único injetor em um propulsor bipropelente a etanol ($C_{2}$$H_{5}$O) 95\% m/m e peróxido de hidrogênio ($H_{2}$$O_{2}$) 90\% m/m com empuxo de 100 N. Foram estudadas as características da atomização dos injetores utilizando água e etanol como fluidos de teste, com a ajuda de uma bancada de testes a frio especialmente desenvolvida para esta pesquisa. Os coeficientes de descarga, os diâmetros representativos de gotas, as distribuições dos tamanhos de gotas, os ângulos de cone dos sprays e as vazões mássicas dos propelentes foram determinados para diferentes pressões de injeção. Tendo em vista reduzir o tamanho médio das gotas formadas, foi apresentado o projeto preliminar de um cabeçote de injeção com cinco injetores centrífugos duais centrais e oito injetores centrífugos simples periféricos.
This thesis presents a theoretical and experimental investigation of dual swirl and jet-swirl injectors for use in bipropellants thrusters. These types of injectors provide efficient atomization and mixing of propellants. They also allow the adjustment of the spray cone angle for a given pressure drop or flow rate, reducing the dimensions of the combustion chamber. Initially, the Abramovich and Kliachko theories were presented for analysis of the internal flow and design of dual pressure swirl injectors. A new methodology was developed for analysis and design of jet-swirl injectors, based on Bayvel and Orzechowski approaches and Kliachko theory. Next, injectors were designed and manufactured following the new proposed methodology, aiming utilization of a single injector in a bipropellant rocket engine using ethanol ($C_{2}$$H{5}$O) and hydrogen peroxide ($H_{2}$$O_{2}$) to yield 100 N thrust. This new methodology can be also applied to design of single and dual pressure swirl injectors. Next, injectors were designed and manufactured following the new proposed methodology, aiming utilization of a single injector in a bipropellant rocket engine using ethanol ($C_{2}$$H_{5}$O) 95\% m/m and hydrogen peroxide ($H_{2}$$O_{2}$) 90\% m/m to yield 100 N thrust. The atomization characteristics of the injectors were studied using water and ethanol as test fluids, with a test bench for cold tests specially developed for this research. Discharge coefficients, representative drop diameters, drop size distributions, spray cone angles, and mass flow rates were determined for different injection pressures. Considering the large average drop diameters observed using a single injector, the preliminary design of an injection plate with five central dual swirl injectors and eight peripherical single swirl injectors was presented.
