液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)自引射工作過程傳熱研究

張忠利，周立新，張蒙正

（西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安710100）

0 引言

為了提高性能，高空發(fā)動(dòng)機(jī)通常采用大面積比噴管，這給發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)帶來了很大困難。高空發(fā)動(dòng)機(jī)在地面整機(jī)熱試車過程中，由于外界環(huán)境壓力遠(yuǎn)高于噴管出口壓力，會(huì)在噴管內(nèi)產(chǎn)生激波，使總壓降低、傳熱惡化并伴隨振動(dòng)、氣流分離或火焰偏擺等現(xiàn)象，對(duì)準(zhǔn)確評(píng)定其在真空環(huán)境下的推力及比沖性能以及工作可靠性帶來嚴(yán)重影響。為此，高空發(fā)動(dòng)機(jī)在地面試驗(yàn)時(shí)需用引射裝置以達(dá)到噴管滿流的目的。高性能引射器設(shè)計(jì)成為高空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

引射器正常工作時(shí)，經(jīng)受著高溫燃?xì)馀c壁面的強(qiáng)迫對(duì)流換熱和輻射換熱，因此引射器的冷卻方案設(shè)計(jì)[1-3]也十分重要。引射器冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)通?？紤]燃?xì)饬髁?、燃燒室燃?xì)鈮毫Α⑷細(xì)鉁囟燃耙淦鞯臍鈩?dòng)結(jié)構(gòu)等參數(shù)。本文介紹引射器冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)所進(jìn)行的傳熱特性分析方法，同時(shí)以地面試驗(yàn)用引射器為算例[4]對(duì)其進(jìn)行傳熱分析，分析其地面試車時(shí)引射器不被燒蝕所需的冷卻水流量范圍。

1 傳熱分析模型

本文的研究對(duì)象是再生冷卻式引射器，冷卻通道數(shù)量依據(jù)流阻損失和能否可靠冷卻來確定，因?yàn)橐淦鳛榈孛嬖O(shè)備，為了節(jié)約試驗(yàn)費(fèi)通常情況下冷卻劑選取常溫自來水。對(duì)于均勻分布的冷卻通道，通常認(rèn)為周向溫度基本一致，因此可以不考慮周向的傳熱。在傳熱分析時(shí)通常取一條通道作為研究對(duì)象，分析其溫度變化。

對(duì)于圖1的冷卻通道，一邊為冷卻水進(jìn)口、另一邊為冷卻水出口。為了方便傳熱分析，可以不考慮集液環(huán)內(nèi)流體帶走的能量，原因有二：其一是這樣得到的壁溫及冷卻水溫升略高實(shí)際測量值，如果計(jì)算分析結(jié)果可以可靠冷卻，那么實(shí)際工作時(shí)引射器肯定能被可靠冷卻；另外一個(gè)原因是集液環(huán)內(nèi)液體帶走的能量經(jīng)過精確傳熱分析后僅占總傳熱量的1%，因此可以忽略集液環(huán)的影響，把冷卻通道入口作為冷卻劑的入口可以滿足工程設(shè)計(jì)要求。

圖1 物理模型Fig.1 Physical model

對(duì)圖1的物理模型應(yīng)用二維傳熱計(jì)算方法[5-7]對(duì)模型簡化處理后，可以得到問題的近似解，但應(yīng)基于一定的假設(shè)條件。首先，計(jì)算冷卻劑與冷卻通道之間的對(duì)流換熱時(shí)把肋簡化為一維散熱片處理，這種處理方法會(huì)給計(jì)算結(jié)果帶來一些偏差，但作為工程設(shè)計(jì)計(jì)算完全可以接受；其次，不考慮冷卻劑與外殼體之間的換熱，因?yàn)樵摀Q熱量與冷卻劑和內(nèi)壁之間的換熱量相比很小，可以忽略；再次，認(rèn)為內(nèi)壁與冷卻通道是線型變化的，考慮通道流通面積與換熱面積大小。另外，計(jì)算時(shí)應(yīng)將冷卻水的最高溫度控制在當(dāng)?shù)貕毫Φ姆悬c(diǎn)以下，全部按照液體性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算，傳熱計(jì)算分析模型見圖2。

圖2 傳熱分析模型Fig.2 Analytical model of heat transfer

如圖2所示，將從燃?xì)獾嚼鋮s劑之間的換熱看作是一個(gè)串聯(lián)換熱問題，燃?xì)馀c內(nèi)壁面之間的熱量傳遞由對(duì)流換熱和輻射換熱兩部分組成；引射器壁內(nèi)部為導(dǎo)熱；冷卻劑與冷卻通道之間為對(duì)流換熱，這種熱量傳遞關(guān)系可以表示為：

式中：qtot為總換熱的熱流密度；qr為輻射熱流密度；qcv為對(duì)流熱流密度，其中對(duì)流換熱是主要形式；hg為燃?xì)馀c引射器壁的對(duì)流換熱系數(shù)；hl,eq為冷卻劑與冷卻通道的等效換熱系數(shù)；Tad為絕熱壁溫；δ為引射器的內(nèi)壁厚；λ為壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

計(jì)算冷卻劑與冷卻通道對(duì)流換熱時(shí)，引入肋片效率概念，其等效對(duì)流換熱系數(shù)為：

式中：A1為肋片表面積；A2為肋基未裝肋的光滑表面積；A0為未裝肋時(shí)壁表面積；hl為對(duì)流換熱系數(shù)，根據(jù)管內(nèi)湍流試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式確定；η為肋片效率，對(duì)于等截面直肋，η計(jì)算公式為：

在引射器壁的冷卻通道內(nèi)均勻劃分計(jì)算節(jié)點(diǎn)，冷卻通道內(nèi)相鄰節(jié)點(diǎn)之間通過流體流動(dòng)傳遞的熱量聯(lián)系起來，即認(rèn)為冷卻通道某一節(jié)點(diǎn)內(nèi)，引射器壁傳給冷卻劑的熱量全部傳給下一節(jié)點(diǎn)內(nèi)的冷卻劑，但在引射器壁內(nèi)部不考慮熱量沿軸向傳遞，因此計(jì)算程序嚴(yán)格地講應(yīng)該準(zhǔn)二維。計(jì)算時(shí)，邊區(qū)燃?xì)饪倻匾罁?jù)流場分析結(jié)果。

1.1 燃?xì)鈱?duì)流熱流分析

燃?xì)鈱?duì)流換熱[9]是引射器內(nèi)燃?xì)庀虮趥鳠岬闹饕问?。在引射器?nèi)，對(duì)流熱流在燃?xì)膺M(jìn)口處常占總熱流的80%以上，在引射器出口附近可達(dá)98%以上。因此確定燃?xì)鈱?duì)流熱流，是分析引射器傳熱狀況和采取正確冷卻措施的首要工作。

巴茲在計(jì)算近壁層燃?xì)馀c壁的換熱系數(shù)時(shí)，用下列方法得到的壁溫與實(shí)際測量值比較接近。

1.2 燃?xì)廨椛錈崃鞣治?/h3>

引射器內(nèi)壁受燃?xì)庵卸趸己退魵獾臍怏w輻射，以及燃燒過程產(chǎn)生的自由碳粒子的熱輻射作用。氣體輻射對(duì)波長有明顯的選擇性，二氧化碳的主要輻射譜帶在波長2.7 μm，4.3 μm和15 μm附近；水蒸氣的主要輻射譜帶在波長1.9 μm，2.8 μm，6.7 μm 和 21 μm 附近。氣體輻射的波長均在紅外輻射范圍內(nèi)，所以有時(shí)也稱非發(fā)光輻射。固態(tài)自由碳粒的輻射具有連續(xù)的光譜，因此稱為發(fā)光輻射。燃?xì)鈱?duì)引射器壁的輻射換熱熱流密度可由公式（9） 計(jì)算：

式中：σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)；εw為引射器壁的發(fā)射率（黑度）；εg為燃?xì)獾陌l(fā)射率（黑度）；Tg和Twg分別為燃?xì)夂鸵淦鲀?nèi)壁的溫度，K。

2 引射器傳熱分析

2.1 圓柱型引射器傳熱分析

對(duì)于地面試車用引射器，考慮到研發(fā)成本，采用的引射器為夾套式水冷圓柱型結(jié)構(gòu)，如圖3所示，流量參數(shù)見表1。

圖3 圓柱型引射器冷卻結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Cooling structure of cylindrical ejector

表1 引射器流量參數(shù)Tab.1 Flux parameters of ejector

從圖3可看出，該引射器采用水冷夾套結(jié)構(gòu)，在夾套內(nèi)焊接60條筋板，筋板是內(nèi)外壁聯(lián)接的橋梁，兼顧支撐內(nèi)外壁和分流冷卻水作用，使冷卻水在夾套內(nèi)不致產(chǎn)生死區(qū)，從而產(chǎn)生引射器局部燒蝕。依據(jù)1節(jié)的分析方法，應(yīng)用圖3和表1的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到圓柱型引射器氣壁溫Twg、液壁溫Twl及冷卻水溫度Tl，對(duì)流熱流qcv、輻射熱流qr及總熱流qtot沿軸線方向的變化過程，分析結(jié)果見圖4～5和表2，起點(diǎn)為冷卻水的入口。

圖4 引射器沿軸線溫度變化曲線Fig.4 Temperature variation of ejector along axis

圖5 引射器沿軸線熱流變化曲線Fig.5 Heat flux variation of ejector along axis

從圖4～5得到，引射器在冷卻水的作用下，隨著冷卻水流量的增加，氣壁溫Twg在不斷減小，液壁溫Twl也在不斷減小，冷卻水出口溫度也在不斷減?。豢偀崃髟诓粩嗌?。從以上分析結(jié)果來看，該引射器的冷卻水流量在300～600 kg/s范圍內(nèi)工作時(shí)是安全的。

表2 圓柱型引射器傳熱分析結(jié)果Tab.2 Analysis results of heat transfer of cylindrical ejector

2.2 二次喉道型引射器傳熱分析

二次喉道型引射器也采用夾套式水冷圓柱形結(jié)構(gòu)，如圖6所示，流量參數(shù)見表1。

圖6 二次喉道型引射器冷卻結(jié)構(gòu)簡圖Fig.6 Cooling structure of secondary-throat ejector

依據(jù)1節(jié)的分析方法，應(yīng)用圖6和表1的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到二次喉道型引射器氣壁溫Twg、液壁溫Twl及冷卻水溫度Tl，對(duì)流熱流qcv、輻射熱流qr及總熱流qtot沿軸線方向的變化過程，分析結(jié)果見圖7～8和表3，起點(diǎn)位置為冷卻水的入口。

從圖7～8得到，引射器在冷卻水的作用下，隨著冷卻水流量的增加，氣壁溫Twg在不斷減小，液壁溫Twl也在不斷減小，冷卻水出口溫度也在不斷減??；總熱流在不斷升高。從以上分析結(jié)果來看，該引射器的冷卻水流量在300～600 kg/s范圍內(nèi)工作時(shí)是安全的。

圖7 二次喉道型引射器沿軸線溫度變化曲線Fig.7 Temperature variation of secondary-throat ejector along axis

圖8 引二次喉道引射器沿軸線熱流變化曲線Fig.8 Heat flux variation of secondary-throat ejector along axis

表3 二次喉道型引射器傳熱分析結(jié)果Tab.3 Analytical results of heat transfer of secondary-throat ejector

3 試驗(yàn)研究

某型液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是正在研制的二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)的室壓高、噴管面積比大，出口壓力遠(yuǎn)低于大氣壓，因此在地面試車時(shí)需使用引射器。為了簡化設(shè)計(jì)、節(jié)約研制成本，試車時(shí)采用了圓柱型引射器。冷卻結(jié)構(gòu)與圓柱型結(jié)構(gòu)相同，引射器安裝簡圖見圖9。

圖9 引射器安裝簡圖Fig.9 Installation diagram of ejector

該型引射器采用自來水作為冷卻劑，冷卻水從引射器的后部進(jìn)入，前端流出。冷卻水流量約為600 kg/s，冷卻水入口溫度約為20℃。冷卻水測試數(shù)據(jù)見表4，其中圖10為某三次試車?yán)鋮s水溫的測試值變化曲線。

從表4和圖10可看出，對(duì)于該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)試應(yīng)用引射器試車時(shí)，當(dāng)冷卻水流量為600 kg/s時(shí)冷卻水溫升約為10℃，與第2節(jié)分析結(jié)果一致。

表4 冷卻水測試數(shù)據(jù)Tab.4 Tested values of cooling water

圖10 試車時(shí)冷卻水溫測試值隨試車時(shí)間變化曲線Fig.10 Variation of cooling water temperature with hot fire time

4 結(jié)論

1） 建立了引射器傳熱分析模型，應(yīng)用數(shù)值計(jì)算方法得到了圓柱型和二次喉道型引射器在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)冷卻水流量范圍為300～600 kg/s時(shí)的冷卻液溫升、液壁溫、氣壁溫、熱流等參數(shù)，從這些參數(shù)的變化情況來看引射器結(jié)構(gòu)是安全的。

2） 本文分析的引射器結(jié)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)冷卻液流量為600 kg/s，試車時(shí)測量的冷卻液溫升值約為10℃，仿真分析得到的冷卻液溫升值約為9.3℃，二者一致。

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