發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻結(jié)構(gòu)和身部一體化設(shè)計(jì)

伍家威

（貴州航天朝陽科技有限責(zé)任公司，貴州 遵義 563000）

傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻結(jié)構(gòu)分為內(nèi)夾套、外夾套、集液腔，通過多條真空電子束（一條肋一條焊縫）焊接固定在身部（燃燒室和噴管）上，該方式生產(chǎn)的產(chǎn)品不僅質(zhì)量重、價(jià)格高昂、體積龐大、空間布局受影響，而且由于焊縫較多，生產(chǎn)合格率低，導(dǎo)致產(chǎn)品可靠性較差。為了解決這些問題，將再生冷卻結(jié)構(gòu)和身部設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，避免了焊接，同時(shí)該方式可設(shè)計(jì)異形流道。

1 再生冷卻和身部結(jié)構(gòu)及原理

冷卻劑通過導(dǎo)管流入再生冷卻結(jié)構(gòu)入口集液腔，從入口集液腔中均勻分散流入再生冷卻槽道內(nèi)，噴管尾部回液腔將冷卻劑旋轉(zhuǎn)180°，使得冷卻劑重新流入再生冷卻槽道內(nèi)，最后冷卻劑在出口集液腔聚集，從導(dǎo)管流出。再生冷卻和身部結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 再生冷卻和身部結(jié)構(gòu)

推進(jìn)劑在身部?jī)?nèi)壁面燃燒，產(chǎn)生高溫燃?xì)猓?200K），高溫燃?xì)鈧鬟f到身部壁面，再通過壁面?zhèn)鬟f給再生冷卻結(jié)構(gòu)內(nèi)的冷卻劑。通過對(duì)流和輻射，降低身部溫度，防止溫度超過材料許用溫度。同時(shí)冷卻劑將吸收的熱量重新帶入燃燒室，提高了燃?xì)饫寐省?/p>

2 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式與優(yōu)化后設(shè)計(jì)方式

傳統(tǒng)的再生冷卻結(jié)構(gòu)分為身部、夾套、進(jìn)口集液腔、出口集液腔和進(jìn)出口接頭。傳統(tǒng)再生冷卻結(jié)構(gòu)形式見圖2。

圖2 傳統(tǒng)再生冷卻結(jié)構(gòu)形式

傳統(tǒng)的再生冷卻結(jié)構(gòu)形式一般在身部外壁利用聚變銑刀加工出等深的槽道。再利用棒材加工出一個(gè)與身部外型面相同的夾套，同時(shí)加工出兩個(gè)集液環(huán)槽。由于夾套和集液環(huán)槽與身部干涉，因此焊接前還需將這3 個(gè)零件從中間對(duì)稱切割成兩個(gè)零件。最后將身部、夾套、進(jìn)出口集液腔、接頭利用電子束焊接方式將其焊接成一個(gè)部件。為了防止再生冷卻結(jié)構(gòu)內(nèi)液體將夾套擠壓變形，還需對(duì)夾套和身部連接處進(jìn)行焊接，一般焊接在身部每條肋上，以此加固再生冷卻結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

由于傳統(tǒng)再生冷卻結(jié)構(gòu)需要加工、線切割、焊接等工序，其缺點(diǎn)明顯：

1.零件較多。一個(gè)再生冷卻結(jié)構(gòu)需要9 個(gè)零件合成。

2.焊縫較多。9 個(gè)零件焊接在一起，均需要焊接方式將其拼接在一起，且身部每條肋均需要焊接。

3.加工較復(fù)雜。為了將夾套、進(jìn)出口集液腔和身部貼合，需加工工裝用于固定加工的零件。

4.耗材較多。每個(gè)零件均需用棒材掏空內(nèi)部，加工成需要的形狀。

5.設(shè)計(jì)較困難。設(shè)計(jì)時(shí)為了讓零件能夠嚴(yán)絲合縫地貼合在一起，需精確計(jì)算尺寸鏈。

6.優(yōu)化較困難。受加工形式影響，產(chǎn)品能夠優(yōu)化的可能性較小。

7.成本較高。由于需要設(shè)計(jì)工裝，且為小批量產(chǎn)品，工裝性價(jià)比較低。且電子束焊接費(fèi)用較昂貴，浪費(fèi)的材料成本也較高。

8.可靠性較差。焊縫較多導(dǎo)致產(chǎn)品可靠性較差，容易出現(xiàn)質(zhì)量問題；在承壓時(shí)容易出現(xiàn)泄漏的可能。

為了解決以上問題，現(xiàn)通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來達(dá)到改進(jìn)目的。通過對(duì)產(chǎn)品多次優(yōu)化后，找到了一種能夠同時(shí)解決以上問題的設(shè)計(jì)方法，及一體化設(shè)計(jì)。

優(yōu)化后的再生冷卻結(jié)構(gòu)融入了身部?jī)?nèi)，將再生冷卻結(jié)構(gòu)和身部設(shè)計(jì)成了1 個(gè)零件。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，取消了傳統(tǒng)的加工、切割、焊接方式。產(chǎn)品直接通過3D打印生產(chǎn)。

3 再生冷卻和身部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)

通過控制身部?jī)?nèi)壁面厚度、流道肋條厚度、冷卻通道高度參數(shù)，再通過再生冷卻結(jié)構(gòu)通過下面的熱流密度計(jì)算出冷卻劑溫升不超過80℃、身部氣體壁面溫度不超過900℃。

式中：

Twg——壁面溫度。

Taw——近壁面氣體溫度。

hg——換熱系數(shù)。

由于再生冷卻結(jié)構(gòu)內(nèi)有大量流道，因此傳統(tǒng)的加工方式，無法將該產(chǎn)品生產(chǎn)成一個(gè)零件。因此本產(chǎn)品通過3D 打印生產(chǎn)出來，后期通過機(jī)加方式加工密封面。

本產(chǎn)品生成的難點(diǎn)在于控制3D 打印后的粉末清理。通過合理設(shè)計(jì)再生冷卻結(jié)構(gòu)流道，減少流道內(nèi)菱角和死角，使得產(chǎn)品清理粉末時(shí)沒有粉末殘留在流道內(nèi)。同時(shí)對(duì)產(chǎn)品施加一個(gè)合理的振動(dòng)，讓掛在流道內(nèi)的可松動(dòng)顆粒物從產(chǎn)品內(nèi)脫離出來。通過多次試驗(yàn)，確定了合適的材料，通過X 光探傷發(fā)現(xiàn)不同材料生產(chǎn)的產(chǎn)品中流道內(nèi)可見顆粒物數(shù)量不同，最終通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了某高溫合金生產(chǎn)的沒有可見顆粒物。同時(shí)通過三維掃描發(fā)現(xiàn)高溫合金打印的產(chǎn)品收縮不大于0.2mm。

4 仿真驗(yàn)證

4.1 傳熱仿真

為研究不同材料對(duì)再生冷卻傳熱影響，對(duì)不同材料（高溫合金、鈦合金、TD3）的再生冷卻進(jìn)行傳熱特性分析。

初始條件：

1.發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)：發(fā)動(dòng)機(jī)室壓，推進(jìn)劑流量等。

2.發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸：發(fā)動(dòng)機(jī)面積比，收縮比、冷卻通道尺寸等。

3.冷卻劑性質(zhì)：冷卻劑在不同壓力下的沸點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)、粘性系數(shù)等。

4.發(fā)動(dòng)機(jī)材料性質(zhì)：發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻結(jié)構(gòu)材料（高溫合金、鈦合金、TD3）在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)等。

4.1.1 高溫合金材料

經(jīng)傳熱分析計(jì)算，高溫合金材料再生冷卻結(jié)構(gòu)各溫度沿身部軸向的分布曲線。

冷卻劑平均溫度范圍為298.15K（25℃）～371.55K（98.4℃），最低冷卻劑平均溫度在冷卻劑入口處取得，最高冷卻劑平均溫度在再生冷卻結(jié)構(gòu)出口處取得。

燃?xì)獗诿鏈囟确秶鸀?52.36K（179.21℃）～790.86K（517.71℃），最低燃?xì)獗诿鏈囟仍诎l(fā)動(dòng)機(jī)入口處取得，最高燃?xì)獗诿鏈囟仍诎l(fā)動(dòng)機(jī)喉部處取得。

液體壁面溫度范圍為420.01K（146.86℃）～570.83K（297.68℃），最低液體壁面溫度均在發(fā)動(dòng)機(jī)入口處取得，最高液體壁面溫度在發(fā)動(dòng)機(jī)喉部處取得。

4.1.2 鈦合金材料

經(jīng)傳熱分析計(jì)算，鈦合金材料再生冷卻結(jié)構(gòu)各溫度沿身部軸向的分布曲線。

冷卻劑平均溫度范圍為298.15K（25℃）～365.15K（92℃），最低冷卻劑平均溫度在冷卻劑入口處取得，最高冷卻劑平均溫度在再生冷卻出口處取得。

燃?xì)獗诿鏈囟确秶鸀?59.62K（186.47℃）～864.44K（591.29℃），最低燃?xì)獗诿鏈囟仍诎l(fā)動(dòng)機(jī)入口處取得，最高燃?xì)獗诿鏈囟仍诎l(fā)動(dòng)機(jī)喉部處取得。

液體壁面溫度范圍為410.37K（137.22℃）～54 3.96K（270.81℃），最低液體壁面溫度均在發(fā)動(dòng)機(jī)入口處取得，最高液體壁面溫度在發(fā)動(dòng)機(jī)喉部處取得。

4.1.3 TD3 材料

經(jīng)傳熱分析計(jì)算，TD3 材料再生冷卻結(jié)構(gòu)各溫度沿身部軸向的分布曲線。

冷卻劑平均溫度范圍為298.15K（25℃）～365.78K（92.63℃），最低冷卻劑平均溫度在冷卻劑入口處取得，最高冷卻劑平均溫度在再生冷卻結(jié)構(gòu)出口處取得。

燃?xì)獗诿鏈囟确秶鸀?58.70K（185.55℃）～848.82K（575.67℃），最低燃?xì)獗诿鏈囟仍诎l(fā)動(dòng)機(jī)入口處取得，最高燃?xì)獗诿鏈囟仍诎l(fā)動(dòng)機(jī)喉部處取得。

液體壁面溫度范圍為411.40K（138.25℃）～557.15K（284.0℃），最低液體壁面溫度均在發(fā)動(dòng)機(jī)入口處取得，最高液體壁面溫度在發(fā)動(dòng)機(jī)喉部處取得。

4.1.4 小結(jié)

從冷卻劑溫度角度考慮，通過計(jì)算得到高溫合金發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻通道中冷卻劑平均溫度上升為73.4℃；鈦合金發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻通道中冷卻劑平均溫度上升為67℃；TD3 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻通道中冷卻劑平均溫度上升為67.6℃。冷卻通道出口的平均溫度低于該壓力下冷卻劑沸騰溫度，上述材料的發(fā)動(dòng)機(jī)均可正常工作。從成本考慮，高溫合金為3 種材料中價(jià)格最低的材料。

首先，從冷卻劑化學(xué)性質(zhì)分析，對(duì)肼類冷卻劑的液壁溫度而言，該溫度不得超過600K（326.85℃），否則肼類燃料將因離解導(dǎo)致爆炸，本計(jì)算中所有發(fā)動(dòng)機(jī)液壁溫度在上述要求范圍內(nèi)。

其次，將液壁溫度與冷卻劑沸點(diǎn)相比，雖然通過本計(jì)算得到的高溫合金、鈦合金、TD3 材料的發(fā)動(dòng)機(jī)喉部附近液壁溫度分別比該壓力下的冷卻劑沸騰溫度高93.68K、66.81K、80K，但在計(jì)算液體壁面與冷卻劑時(shí)，本計(jì)算采用了單相對(duì)流模型，即該模型在液壁溫度低于冷卻劑沸騰溫度時(shí)使用。但若液壁溫度升高至該壓力下的沸騰溫度時(shí)，接觸壁面的液體因達(dá)到了沸騰溫度而開始汽化，開始產(chǎn)生微小氣泡，但由于主流溫度未達(dá)到沸騰溫度，進(jìn)入主流體的微小氣泡很快冷凝消失，即進(jìn)入了泡沸騰狀態(tài)。進(jìn)入泡沸騰狀態(tài)后，液體壁面與冷卻劑間的對(duì)流換熱系數(shù)會(huì)迅速增加，大大超過單相對(duì)流換熱模型內(nèi)取定的對(duì)流換熱系數(shù)，對(duì)流換熱能力大大增加，從而會(huì)引起冷卻劑平均溫度上升，而液體表面壁溫與燃?xì)獗砻姹跍赜兴陆?。因此，在本?jì)算的初始條件下，可認(rèn)為高溫合金、鈦合金、TD3材料發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑工作在泡沸騰狀態(tài)下，液壁溫度滿足使用要求。

4.2 強(qiáng)度仿真

4.2.1 再生冷卻結(jié)構(gòu)內(nèi)表面強(qiáng)度仿真

假設(shè)身部?jī)?nèi)承受2MPa 內(nèi)壓，再生冷卻結(jié)構(gòu)內(nèi)承受壓強(qiáng)為3 MPa，工作溫度為673.15K 等條件后，使用高溫合金材料，經(jīng)應(yīng)力分析計(jì)算。

4.2.2 再生冷卻結(jié)構(gòu)外表面強(qiáng)度仿真

經(jīng)應(yīng)力分析計(jì)算，高溫合金材料再生冷卻外壁各強(qiáng)度沿夾套軸向的分布云圖，再生冷卻結(jié)構(gòu)外壁平均強(qiáng)度范圍為0.1551MPa～128.3MPa。

4.2.3 小結(jié)

通過仿真計(jì)算，材料長(zhǎng)時(shí)間工作溫度在673.15K，本方案材料的預(yù)估所受強(qiáng)度低于128.3 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度。

5 再生 冷卻和身部結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

產(chǎn)品進(jìn)行了20MPa 的水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)后再生冷卻結(jié)構(gòu)保壓壓力5MPa，保壓時(shí)間5min，未發(fā)現(xiàn)泄漏和明顯變形情況。

用水代替推進(jìn)劑，通過對(duì)超過70 件再生冷卻結(jié)構(gòu)的流阻試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其流阻均在0.4MPa 以下，比傳統(tǒng)的再生冷卻結(jié)構(gòu)流阻低0.1MPa。

產(chǎn)品裝配在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了超過100 臺(tái)次熱試車試驗(yàn)，累計(jì)點(diǎn)火時(shí)間超過3000s 和累計(jì)點(diǎn)火次數(shù)超過26000 次。單臺(tái)產(chǎn)品最長(zhǎng)點(diǎn)火時(shí)間超過400s，點(diǎn)火次數(shù)超過5000 次。試驗(yàn)后檢查產(chǎn)品外觀良好、結(jié)構(gòu)完好。