高焓氣體發(fā)生器燃燒室熱防護(hù)設(shè)計(jì)

王博翰 王家鈺 朱爾隆 吳斌雙

(大連理工大學(xué),遼寧大連 116024)

高焓氣體發(fā)生器燃燒室熱防護(hù)設(shè)計(jì)

王博翰 王家鈺 朱爾隆 吳斌雙

(大連理工大學(xué),遼寧大連 116024)

高焓氣體發(fā)生器是為高焓風(fēng)洞提供高焓氣源的裝置,為了提高燃燒室的強(qiáng)度壽命,減少高溫?zé)崃鲗?duì)燃燒室的燃燒室的影響,需要依據(jù)燃燒室的熱環(huán)境對(duì)其進(jìn)行熱防護(hù)設(shè)計(jì)。本文分析了幾種常見的燃燒室熱防護(hù)方法,并對(duì)基本熱防護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了總結(jié)歸納。

燃燒室熱防護(hù) 高焓氣體發(fā)生器 熱防護(hù)方法

1 前言 熱環(huán)境

根據(jù)化學(xué)平衡計(jì)算結(jié)果，單純?nèi)剂系姆纸鉁囟瓤蛇_(dá)1600K，經(jīng)過補(bǔ)充氮?dú)鈸交旌笃淦胶鉁囟葹?170K左右。

燃燒產(chǎn)物以很高的速度流過噴管。在此過程中，燃燒室單位時(shí)間、單位體積內(nèi)可以產(chǎn)生很大熱流量，傳給燃燒室壁面的熱流量在臨界截面處高達(dá)(2-6)x10^7kcal(m^2.h)，然而室壁允許通過的熱流量卻小得多，若不采取必要的防護(hù)措施，室壁溫度將會(huì)迅速提高，室壁的強(qiáng)度也會(huì)迅速降低，使得即使最耐熱的材料也可能失去可靠工作的必須強(qiáng)度。因此，燃燒室熱防護(hù)是必須解決的一個(gè)重要問題。

2 熱防護(hù)方法

燃燒室熱防護(hù)的有很多種類，大致可分為：外冷卻，內(nèi)冷卻，容熱式冷卻，隔熱式冷卻，燒蝕式冷卻。而大多數(shù)熱防護(hù)的方法都是以冷卻為基礎(chǔ)的。

在采用外冷卻的燃燒室中，燃?xì)鈧鬟f給燃燒室室壁的熱量，由燃燒室室壁傳遞給液體或氣體冷卻劑，或者直接向周圍空間輻射。外冷卻中的對(duì)流冷卻是靠流經(jīng)冷卻通道的冷卻劑通過對(duì)流換熱進(jìn)行外冷卻，主要包括再生冷卻和排放冷卻。

再生冷卻燃燒室室壁由內(nèi)、外兩層壁面構(gòu)成，冷卻劑經(jīng)由集液器進(jìn)入冷卻套，對(duì)燃燒室內(nèi)壁進(jìn)行對(duì)流冷卻。通常選用冷卻性能好的一種推進(jìn)劑組元作為冷卻劑，將這種組元的全部或部分流量用于冷卻。冷卻劑通過冷卻套時(shí)，帶走燃?xì)鈧鹘o推力室內(nèi)壁的熱量，冷卻劑自身溫度升高，然后經(jīng)噴注器進(jìn)入燃燒室，內(nèi)壁的傳出熱量被冷卻劑帶入燃燒室，得以“再生”，因此稱這種對(duì)流外冷卻方法為再生冷卻。

排放冷卻是對(duì)流冷卻的另一種。與再生冷卻不同，用于排放冷卻的冷卻劑對(duì)推力室冷卻吸熱后不進(jìn)入燃燒室參與燃燒，而是排放出去。直接排放冷卻劑會(huì)降低推力室比沖，因此需要盡可能減少用于排放冷卻的冷卻劑流量，同時(shí)只在受熱相對(duì)不嚴(yán)重的噴管出口段采用排放冷卻。還有一種是輻射冷卻，其熱流由燃燒產(chǎn)物傳給推力室，再由推力室室壁想周圍空間輻射散熱。輻射冷卻的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)質(zhì)量小。主要應(yīng)用于大噴管的延伸段和采用耐高溫材料的小推力發(fā)動(dòng)機(jī)推力室。

在組織推力室內(nèi)冷卻時(shí)，是通過在推力室內(nèi)壁表面建立溫度相對(duì)較低的液體或氣體保護(hù)層，以減少傳給推力室室壁的熱流，降低壁面溫度，實(shí)現(xiàn)冷卻。內(nèi)冷卻主要分為頭部組織的內(nèi)冷卻(屏蔽冷卻)、膜冷卻和發(fā)汗冷卻三種方法。推力室采用內(nèi)冷卻措施后，由于需要降低保護(hù)層的溫度，所以燃燒室壁面附近的混合比不同于中心區(qū)域的最佳混合比(多數(shù)情況下采用富燃料的近壁層)，造成混合比沿燃燒室橫截面分布不均勻，使燃燒效率有一定程度的降低。

膜冷卻與屏蔽冷卻類似，是通過在內(nèi)壁面附近建立均勻、穩(wěn)定的冷卻液膜或氣膜保護(hù)層，對(duì)推力室內(nèi)壁進(jìn)行冷卻，只是用于建立保護(hù)層的冷卻劑不是噴注器噴入的，而是通過專門的冷卻帶供入。冷卻帶一般布置在燃燒室或噴管收斂段的一個(gè)橫截面上。沿燃燒室長(zhǎng)度方向上可以有若干條冷卻帶。為提高膜的穩(wěn)定性，冷卻劑常常經(jīng)各冷卻帶上的縫隙或小孔流入。

采用發(fā)汗冷卻時(shí)，推力室內(nèi)壁或部分內(nèi)壁由多孔材料制成，其孔徑為數(shù)十微米。多孔材料通常用金屬粉末燒結(jié)而成，或用金屬網(wǎng)壓制而成。此情況下，盡可能使材料中的微孔分布均勻，是單位面積上的孔數(shù)增多。液體冷卻劑滲入內(nèi)壁，建立起保護(hù)膜，使傳給壁的熱流密度下降。當(dāng)用于發(fā)汗冷卻的液體冷卻劑流量高于某一臨界值，在推力室內(nèi)壁附近形成的是液膜。當(dāng)冷卻劑流量低于臨界值流量時(shí)，內(nèi)壁溫度會(huì)高于當(dāng)前壓力下的冷卻劑沸點(diǎn)，部分或全部冷卻劑蒸發(fā)，形成氣膜。

除了以上熱防護(hù)外，還有其他熱防護(hù)方法如：燒蝕冷卻、隔熱冷卻、熱熔式冷卻以及室壁的復(fù)合防護(hù)等。

3 高焓氣體發(fā)生器熱防護(hù)方案

綜合上述方法結(jié)合實(shí)際情況，便得到高焓氣體發(fā)生器的熱防護(hù)方法。高焓氣體發(fā)生器的燃燒室與液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的不同，省去前面的推力室部分，使得其結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單而有效。那么，所涉及到的熱防護(hù)即為對(duì)燃燒室室壁的熱防護(hù)部分。由于燃料進(jìn)入燃燒室內(nèi)迅速分解并放出大量的熱，這樣在壁面的溫度最高可達(dá)3000K，這就需要對(duì)燃燒室壁面進(jìn)行熱防護(hù)。從簡(jiǎn)單、易行的角度考慮，如果采用外冷卻的方式，就需要燃燒室的做成內(nèi)外兩層，燃料和冷卻劑的噴注形式要做特殊處理，考慮到所涉及的氣體發(fā)生器的體積較小，這樣會(huì)增加制作的復(fù)雜性和制作成本。而采用燒蝕冷卻、隔熱冷卻或者熱熔式冷卻更會(huì)增加設(shè)計(jì)難度及制作成本。那么，此時(shí)采用內(nèi)冷卻的方式來看更為合適。內(nèi)冷卻主要分為頭部組織的內(nèi)冷卻(屏蔽冷卻)、膜冷卻和發(fā)汗冷卻三種方法。屏蔽冷卻是在推力室頭部噴注器最外圈、沿燃燒室壁附近設(shè)置一圈單元組直流式或離心式噴嘴，冷卻劑以一定的角度直接噴射在燃燒室內(nèi)壁上，保證室壁附近某一種推進(jìn)劑組元(例如燃料)有很大富余，形成一層溫度相對(duì)較低的保護(hù)層，將高溫燃?xì)馀c壁面隔開，祈禱隔熱的作用，這種熱防護(hù)的方法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但是要特別注意燃料和冷卻劑噴注的方式；膜冷卻是通過在內(nèi)壁面附近建立均勻、穩(wěn)定的冷卻液膜或氣膜保護(hù)層，對(duì)燃燒室室壁進(jìn)行冷卻，這種冷卻方式在冷卻的效果分析來較為可靠，而對(duì)設(shè)計(jì)要求以及加工工藝較高。采用發(fā)汗冷卻，推力室內(nèi)壁或部分內(nèi)壁由多孔材料制成，盡可能使材料中的微孔分布均勻，當(dāng)液體冷卻劑滲入內(nèi)壁，建立起保護(hù)膜，使傳給壁的熱流密度下降，從而降低壁面溫度。發(fā)汗冷卻的方法從經(jīng)濟(jì)實(shí)用的角度看是不可取的。

4 設(shè)計(jì)方案總結(jié)

從經(jīng)濟(jì)實(shí)用、簡(jiǎn)單易行角度出發(fā)，選擇采用低溫液氮作保護(hù)劑，從燃燒室切向噴入來對(duì)燃燒室的壁面進(jìn)行熱防護(hù)。一方面解決燃燒室壁面溫度過高的問題；另一方面可以解決液氮含量不足的問題。

但由于需要降低保護(hù)層的溫度，所以燃燒室壁面附近的混合比不同于中心區(qū)域的最佳混合比(多數(shù)情況下采用富燃料的近壁層)，造成混合比沿燃燒室橫截面分布不均勻，使燃燒效率有一定程度的降低。這就需要對(duì)之后的一系列設(shè)計(jì)及方案中重點(diǎn)解決這一問題。

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[3]劉政崇.風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)宇航出版社,2005,5.