專利名稱：具有可靠熱防護的低成本試驗用燃燒室的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法
具有可靠熱防護的低成本試驗用燃燒室的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于短時間試驗的具有可靠熱防護且低成本燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計方
法。本發(fā)明特別用于應(yīng)用于液體火箭發(fā)動機試驗的燃燒室設(shè)計方法。背景技術(shù)：
在火箭發(fā)動機推力室的研制過程中，特別是作為推力室主要組件的噴注器的研制 過程中，需要進行大量的短時間的燃燒試驗研究；另外，在對推力室的傳熱特性或熱流測量 研究而進行試驗中，也必須進行了短時間的燃燒試驗研究。 進行推力室試驗研究中，一般采用兩種燃燒室結(jié)構(gòu)形式，即容熱式和水冷卻式。而 為了能夠在試驗中獲得最為廣泛的數(shù)據(jù)，更全面地開展的試驗研究，并能夠節(jié)約成本和周 期，推力室身部需要具有測量方便、零部件易于更換和置換等特點。由于試驗時間需求較 短，就不必要采用復(fù)雜的水冷式結(jié)構(gòu)。而容熱式結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、便于維護等優(yōu) 勢，且適合于短時間的工作。一般火箭發(fā)動機領(lǐng)域容熱式結(jié)構(gòu)分為兩種形式1、采用鎢滲銅 等耐燒蝕材料，由于材料的耐燒蝕性在火箭發(fā)動機領(lǐng)域廣泛使用，特別是作為推力室噴管 部分的喉襯，但鎢滲銅材料連續(xù)試驗的物性不穩(wěn)定、偏差大，材料易被氧化，而試驗中往往 需要對燃燒室壁面進行溫度測量，這樣測量精度就不可能可靠，且鎢滲銅機加工困難、成本 高，在圓筒段的應(yīng)用很不理想。2、采用純銅等高導(dǎo)熱率材料，由于紫銅的連續(xù)試驗的物性穩(wěn) 定性好，能夠可靠地保證壁面溫度測量的精度，且紫銅相對于鎢滲銅材料成本較低；但由于 銅材料的耐熱極限低的缺點，因此一般燃燒室室壁設(shè)計很厚以滿足試驗時間的需要，而且 一般會安裝測量或點火裝置在身部紫銅體內(nèi)部，必然會影響紫銅的局部受熱效果，如果設(shè) 計不合理很可能會造成局部過熱燒蝕。這兩種方法都已有應(yīng)用，但這兩種材料的成本都不 低，特別是當(dāng)零件的外徑尺寸越大時，隨著徑向尺寸的增大，將使材料體積增長越快、成本 增加就越快；但如果采用的材料過少或局部設(shè)計不合理，會使燃燒室容熱效果不夠或傳熱 效果不好，容易發(fā)生燒蝕，導(dǎo)致熱防護不可靠。因此需要有一種具體的方法使得設(shè)計出的燃 燒室既具有可靠的熱防護，又具有最低的成本，這種設(shè)計方法還未曾報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于短時間試驗的具有可靠熱防護且低成本燃燒室結(jié) 構(gòu)設(shè)計方法，特別是在燃燒室尺寸較大的情況下最為適用。 —種具有可靠熱防護低成本試驗用燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，該方法所設(shè)計的燃燒室 包括身部圓筒段、連接法蘭、噴管部分、連接螺栓和測量接管嘴等部分。燃燒室采用容熱式 結(jié)構(gòu)，身部圓筒短材料采用高導(dǎo)熱率的純銅等材料，噴管部分采用鎢滲銅等耐高溫材料。必 須首先采用一種熱分析輔助設(shè)計方法。所采用熱分析輔助設(shè)計方法首先需要確立計算模型 和計算方法，再進行結(jié)構(gòu)設(shè)計與熱分析的迭代設(shè)計過程。計算模型采用三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微 分方程，所計算的熱交換主要包括由燃氣向室壁的對流換熱和輻射換熱、室壁內(nèi)的導(dǎo)熱和 由室壁向外界的對流和輻射換熱；采用Bartz公式計算燃氣對室壁的傳熱，采用經(jīng)驗輻射換熱公式計算燃氣對室壁的輻射換熱，采用大空間自然對流換熱實驗關(guān)聯(lián)式計算外壁對環(huán) 境的傳熱，并忽略外壁的輻射換熱。熱分析輔助設(shè)計方法包括整體計算分析和局部校核計 算分析。 本發(fā)明的具有可靠熱防護低成本試驗用燃燒室設(shè)計方法具有的優(yōu)點和積極效果 在于(l)由于只在噴管部分采用耐高溫的鎢滲銅，而在體積最大的燃燒室身部圓筒段采 用的是成本相對較低紫銅材料，這樣就大大降低了成本，又能保證身部溫度測量精度；(2) 由于采用了熱輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，并進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算分析的迭代設(shè)計，且進行了整 體分析和局部范圍校核的熱計算分析方法，該設(shè)計方法目的為使熱防護可靠的情況下所用 的材料體積最少，因此可以保證在熱防護可靠的情況下，成本最低。


圖1是燃燒室身部整體裝配示意圖 圖2是熱輔助設(shè)計方法流程圖 圖3是紫銅圓筒段的溫度分布圖 圖4是紫銅圓筒段徑向位移分布圖 圖5是鎢滲銅噴管段溫度分布圖 圖6是鎢滲銅噴管段徑向位移分布圖 圖7是測壓孔局部熱分析三維溫度分布圖
具體實施方式
下面結(jié)合附圖用實施例來進一步說明本發(fā)明，本實施例為一試驗用液體火箭發(fā)動 機推力室。
實施此方法設(shè)計的燃燒室主要包括身部圓筒段1、連接法蘭2、尾部噴管3、連接 螺栓4和必要的壓力測量接管嘴5。
整個設(shè)計過程安排如下 1、首先必須建立熱分析計算模型和計算方法
1)推力室室壁溫度計算模型 紫銅與鎢滲銅室壁為計算區(qū)域，為非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，身部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出典型的三維特性， 采用三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程
「 ，a5 ,， &、 3 ,， 3f、 3 ,， 3f、 a n、 ftcSx 改 邊界條件由界面處導(dǎo)熱、對流、輻射三種換熱方式來確定。 由于在計算時間內(nèi)溫度變化較大，必須考慮材料的物性參數(shù)隨著溫度的變化，將 材料物性參數(shù)隨溫度的變化進行多點插值處理。對整個求解區(qū)域進行有限元劃分，運用微 分方程(1)并積分，聯(lián)立方程 [c(r)]f}+ }={e(r,f)} (2) [K]為傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)；[C]為比熱矩陣， 考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加；{T}為節(jié)點溫度向量；W為溫度對時間的導(dǎo)數(shù)；{Q}為節(jié)點熱流率向 量，包含熱源。將時間和空間域的偏微分方程問題在空間域內(nèi)離散為n個節(jié)點溫度的常微
4分方程的初值問題。 2)熱交換的計算模型 容熱式冷卻熱交換主要包括由燃氣向室壁的對流換熱和輻射換熱、室壁內(nèi)的導(dǎo)熱
和由室壁向外界的對流和輻射換熱。 a)燃氣對室壁的傳熱 常用的計算方法就是采用Bartz公式計算燃氣對室壁的對流換熱
<formula>formula see original document page 5</formula> 高溫高壓環(huán)境決定了其中的輻射換熱也是相當(dāng)強烈的，均勻成分的燃氣對壁面的 輻射熱流密度計算式為 <formula>formula see original document page 5</formula> (4) 對于燃燒室，認為&恒定，從收斂噴管段4 = 1. 2dt以后輻射熱流急劇下降，到達 喉部只剩下最大熱流的50% ，喉部后面下降更快，在面積比A/At = 2， 3， 4處，輻射熱流下降 到最大熱流的12%，6%，3%。所以較大膨脹比處輻射可以忽略不計。
將傳熱和輻射進行綜合換熱處理<formula>formula see original document page 5</formula> (5)
其中q為對流域輻射的綜合換熱熱流，ht為綜合換熱系數(shù)。
b)外壁的換熱 外壁的對流換熱采用大空間自然對流換熱實驗關(guān)聯(lián)式 Nu = C (Gr Pr) n，= (6) 3)計算方法 對于不同的內(nèi)壁溫燃氣對室壁將有不同的對流和輻射熱流，首先將溫度在材料的 溫度極限范圍內(nèi)進行劃分，對不同的內(nèi)壁溫計算各自的綜合換熱熱流；對所關(guān)心的區(qū)域進 行模型劃分和建模，像安排點火器和測壓管屬于復(fù)雜的三維情況，需要進行三維建模，像噴 管段屬于軸對稱模型?？梢栽趕olidworks等建模工具中進行，將結(jié)果導(dǎo)入ansys軟件中， 定義非線性材料屬性、環(huán)境屬性，并將上述計算的各溫度下綜合換熱系數(shù)輸入；進行瞬態(tài) 熱-應(yīng)力耦合分析。 在高壓、高溫環(huán)境中，身部紫銅和喉部的分析是首要的，而后續(xù)局部的熱分析也是 必須的，像測壓管區(qū)域的分析，以及密封面位置、零件間的互相連接面的分析等等，整個設(shè) 計過程就是分析計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計安排互相迭代進行的，如圖2所示為熱分析輔助設(shè)計基本 流程圖。以下取幾個關(guān)鍵部位的分析進行介紹。
2、燃燒室整體尺寸和局部結(jié)構(gòu)的確定 在喉部面積確定的情況下，身部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸為燃燒室的內(nèi)徑的確定。在同樣的 壓力和混合比的情況下，燃燒室圓筒段內(nèi)徑越小，燃氣流動馬赫數(shù)越大，換熱將越強；另外， 采用紫銅材料時，材料具有良好的導(dǎo)熱性和容熱性，而外壁的自然對流換熱系數(shù)小，對于換 熱保護來說燃燒室內(nèi)徑越大越好，室壁越厚越好，但是這都帶來成本高和結(jié)構(gòu)尺寸增大。太 大的壁厚在有限的熱試車時間里對關(guān)鍵的內(nèi)壁熱防護起不到作用，因為熱流沒有足夠時間傳到最外層。于是要尋求在滿足試驗要求時間的情況下，燃燒室內(nèi)徑和壁厚最小。通過多
次迭代分析計算，在本實施例中最終設(shè)計出內(nèi)徑為90mm，壁厚60mm的圓筒紫銅段。另外，
溫度的升高以及紫銅材料較高的膨脹率，在高溫下其軸向尺寸的變化也是考察點之一，計
算模型取身部一段進行分析。熱分析結(jié)果得到推力室穩(wěn)定工作后身部紫銅溫度分布圖如圖
3(單位K)，推力室穩(wěn)定工作后身部紫銅徑向位移分布圖如圖4所示(單位m)。 由圖3可見穩(wěn)定工作后紫銅段內(nèi)壁最高溫為1015K，紫銅的耐熱極限為1273K，為
保證試驗安全保留一定設(shè)計裕度。由圖4可知紫銅內(nèi)壁的徑向位移不超過0. 2mm。 喉部位于噴管的中部，且在噴管段，燃氣參數(shù)和噴管型面都發(fā)生急劇的變化，必須
對整個噴管進行整體熱分析；另外由于喉部溫度上升幅度大，熱試車過程中鎢滲銅將熱變
形，喉部尺寸變化過大將引起室壓的較大的波動，這是不可取的，必須對其熱試車過程的變 形量進行預(yù)估。模型采用軸對稱模型，內(nèi)、外壁面分別根據(jù)換熱計算結(jié)果取沿軸向變化的非 均勻和均勻的第3類熱邊界條件，上下表面以及與不銹鋼接觸面取絕熱邊界條件。計算結(jié) 果得到噴管溫度分布如圖5，徑向位移分布如圖6所示。 由圖5可見穩(wěn)定工作后紫銅段內(nèi)壁高溫區(qū)發(fā)生在喉部靠后的區(qū)域，最高溫為 2379K，鴇滲銅的耐熱極限為3000K以上，與不銹鋼的接觸面最高溫為730K。圖6說明試驗 時最大喉部徑向位移不到0. Olmm，喉徑為41mm，這么小的位移是可以忽略的。
另外在紫銅圓筒段內(nèi)部安排了測壓孔等，需要對這些局部區(qū)域進行分析，否則可 能會造成燒蝕的危險，這里舉例說明測壓孔區(qū)域的分析，溫度分布結(jié)果如圖7所示。模型取 為周向上含測壓孔的對稱一半的四分之一圓周體，軸向方向上從燃燒室頭部取到3倍測 壓孔徑的距離，同時考慮螺栓孔和密封環(huán)的影響，內(nèi)外邊界取第3類邊界條件，兩側(cè)面取對 稱邊界條件，其余面皆取絕熱邊界條件。結(jié)果可以看出，測壓孔的存在對內(nèi)壁最高溫的影響 不大。
權(quán)利要求
具有可靠熱防護低成本試驗用燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，所述燃燒室包括身部圓筒段(1)、連接法蘭(2)、噴管部分(3)、連接螺栓(4)和測量接管嘴部分(5)。燃燒室采用容熱式結(jié)構(gòu)，身部圓筒段采用高導(dǎo)熱率的純銅材料，噴管部分采用鎢滲銅等耐高溫材料。其特征在于必須首先采用一種熱分析輔助設(shè)計方法。(附圖標記)
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有可靠熱防護低成本試驗用燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，設(shè)計步 驟包括(l)確立熱分析輔助設(shè)計的計算模型和計算方法；(2)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計與熱分析的迭 代設(shè)計過程。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有可靠熱防護低成本試驗用燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，其特 征在于熱分析輔助設(shè)計的計算模型采用三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程，所計算的熱交換主要 包括由燃氣向室壁的對流換熱和輻射換熱、室壁內(nèi)的導(dǎo)熱和由室壁向外界的對流和輻射換 熱。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有可靠熱防護低成本試驗用燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，其特征 在于采用Bartz公式計算燃氣對室壁的對流換熱，采用經(jīng)驗輻射換熱公式計算燃氣對室 壁的輻射換熱，采用大空間自然對流換熱實驗關(guān)聯(lián)式計算外壁對環(huán)境的對流換熱，并忽略 外壁的輻射換熱。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的具有可靠熱防護低成本試驗用燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計方 法，其特征在于所采用熱分析輔助設(shè)計方法包括整體計算分析和局部校核計算分析。
全文摘要
具有可靠熱防護的低成本試驗用燃燒室的設(shè)計方法，所述燃燒室包括身部圓筒段、連接法蘭、噴管部分、連接螺栓和測量接管嘴部分。燃燒室采用容熱式結(jié)構(gòu)，身部圓筒短材料采用高導(dǎo)熱率的純銅材料，噴管部分采用鎢滲銅材料。必須首先采用一種熱分析輔助設(shè)計方法，該方法首先需要確立計算模型和計算方法，再進行結(jié)構(gòu)設(shè)計與熱分析的迭代設(shè)計過程。計算模型采用三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程，所計算的熱交換主要包括由燃氣向室壁的對流換熱和輻射換熱、室壁內(nèi)的導(dǎo)熱和由室壁向外界的對流和輻射換熱。熱分析輔助設(shè)計方法包括整體計算分析和局部校核計算分析。可使燃燒室在熱防護可靠的情況下所用的材料最少，成本大幅降低。
文檔編號G01M15/02GK101738316SQ20081022598
公開日2010年6月16日 申請日期2008年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月10日
發(fā)明者李茂 , 汪小衛(wèi), 蔡國飆, 金平 申請人:北京航空航天大學(xué)