缩比推力室甲烷传热试验研究

为了研究火箭发动机推力室冷却通道内的甲烷传热和流阻特性,研制了缩比推力室甲烷传热试验系统,并以推力室挤压热试验的形式进行了5次超临界甲烷传热试验和2次亚临界甲烷传热试验研究.超临界甲烷传热试验燃烧室压力为5.5～7.5 MPa,燃烧室氢氧混合比约为6.8,甲烷温度为128～230 K,甲烷冷却剂流量为5～7 kg/s,甲烷冷却剂入口压力为8.3～11.7 MPa.亚临界甲烷传热试验的室压约为4 MPa,氢氧混合比2.8,甲烷温度为：128～189 K,甲烷冷却剂流量约为2.9 kg/s,甲烷入口压力为3～3.5 MPa.通过试验研究获得了液态甲烷在推力室冷却通道内超临界压力状态和亚临界压力状态下的传热和流阻特性.     

再生冷却推力室准二维传热数值计算

为了提高液体火箭发动机传热计算精度,建立了再生冷却推力室准二维传热计算的通用方法。冷却通道内考虑了冷却剂层间导热导致的温度分层效应,燃气侧对流换热既可采用传统Bartz公式,又可直接求解边界层控制方程得到热流密度,最终基于MATLAB开发完成了通用的再生冷却推力室准二维传热程序。利用该程序对某氢氧发动机进行了传热计算,并与一维传热程序和三维CFD传热计算结果进行了对比,结果表明：准二维传热计算方法可以计算出冷却通道内温度分层情况,冷却剂温升、流阻计算值与热试数据吻合较好,误差在10%以内,优于一维传热结果,验证了计算方法的有效性;直接求解边界层控制方程得到的热流密度与三维计算结果吻合较好;准二维传热计算时间短,效率高。     

多孔介质相变发汗冷却主动热防护试验研究

采用液态水作为冷却工质,通过烧结成型方式将钛铝合金材料制备为多孔介质平板,通过高压气瓶提供压力驱动水从多孔介质材料渗出,利用石英灯辐照的方式进行了500 k W/m~2热流密度的热考核,并监测了试验过程中的温度和流量力变化。试验结果表明:在中等热流下,利用水的相变发汗冷却能够进行有效防热,材料加热面温度始终接近于水的沸点。且在试验过程中监测到,在给定水的增压压力情况下,随着时间推移,水的汽化过程逐渐深入多孔介质内,使得水流量逐渐升高。     

燃烧室内壁面发汗冷却数值模拟研究

燃烧室内的高热流会使得燃烧室内壁面因烧蚀而破坏,发汗冷却作为一种先进的冷却技术可用作燃烧室内壁面的热防护过程中.通过平板发汗冷却模型研究了发动机燃烧室内壁面在不同热流密度下温度分布,结果显示随着热流密度的增大,壁面温度线性上升.通过研究多孔介质几何结构对发汗冷却效果的影响,发现在保持其他变量不变的条件下,孔隙率与孔径的...     

高深宽比冷却槽在89kN推力燃烧室中的验证

为了验证大型火箭发动机燃烧室高深宽比冷却槽的性能优势,美国对高压89kN推力采用高深宽比冷却槽的烯烧室在NASA一刘易斯研究中心火箭发动机试验室进行了室压为5.5～11.0MPa的高压试验。使用的推进剂是气氢和液氧,额定混合比为6,液氢作冷却剂。该燃烧室装有30个背侧表皮热电偶、9个冷却通道肋热电偶和10个冷却通道压力引出接头。在这个燃烧室上总共完成了29个热循环,且每个热循环都有一秒钟的稳态燃烧。在25个热循环中,冷却剂的流量与燃料流量相等。其中4个热循环冷却剂质量流量逐渐下降5%、6%、11%和20%。冷却通道肋热电偶平均值与计算值的偏差在9%以内,冷却通道压降的偏差在20%以内。在喉部区域,燃烧室的气壁温比常规冷却燃烧室降低了25%以上。降低冷却剂质量流量产生的压降与满流状态相比降低了27%以上,而气壁温与常规燃烧室相比,仍然保持降低13%以上。     

推力室多孔面板发汗冷却试验研究

为了研究液体火箭发动机推力室喷注器多孔面板发汗冷却特性,以缩比推力室挤压热试验的形式开展了多孔面板发汗冷却特性研究,试验采用常温气氢对喷注器多孔面板进行发汗冷却。发汗冷却试验共进行5次,燃烧室压力为3.9～7.6 MPa,燃烧室氢氧混合比为2.8～7.2。研究结果表明在本试验研究状态下面板燃气侧温度为680～830 K...     

轻质钛合金喷管在氢氧发动机上的应用研究

为降低发动机质量,提高其推重比,将轻质高温钛合金TA15用于液氢液氧发动机推力室喷管,模拟了全尺寸再生冷却钛合金喷管的工作特性,设计了TA15钛合金铣槽式再生冷却缩尺喷管,采用扩散焊工艺生产了缩尺喷管试验件,成功进行了热试验.试验结果表明钛合金氢再生冷却缩尺喷管在高温富氢燃气环境下能够短时间安全稳定工作,传热可靠,最高气壁温达1 017 K,冷却通道流阻及氢温升实测值与计算结果基本一致.最后简要介绍了钛合金的氢脆特性.     

推力室多孔面板氢发汗冷却传热分析

为了研究氢氧火箭发动机推力室喷注器多孔面板的发汗冷却特性,采用一维非热平衡能量方程模型对其进行了数值传热计算,计算模型考虑了冷却剂氢的变物性和多孔结构内固体与流体之间的对流换特征。分析总结了多孔结构固体导热率、孔隙率、颗粒特征直径和燃烧室热流密度等因素对多孔面板发汗冷却的影响。研究结果表明,选择较高导热率的多孔面板制造材料能够降低燃气侧面板温度和减小面板温度梯度;孔隙率一般在0.1～0.2为宜;随着颗粒特征直径增大冷却剂与多孔结构固体之间的换热能力明显下降,燃气侧面板温度呈先降低后升高的趋势。     

高深宽比冷却通道的流动与传热数值分析

本文描述了一个火箭发动机高深宽比冷却通道三维流动和传热分析程序。该程序是建立在抛物线化的纳维尔一斯托克斯方程基础之上的,将其流动和传热计算结果与文献中找到的测量数据进行比较,表明该程序是有效的。计算是针对实际压力为100巴的发动机冷却通道内的流动进行的。计算出的冷却剂温升和压降值和实验结果符合良好。参数分析给出了湍流强度、壁面粗糙度、传热边界条件和近壁流动模型的影响。可以看出,本程序能够成功用于火箭发动机冷却通道内三维的流动和传热分析,它高效地利用 CPU 时间,而且用它来帮助设计现在或是将来的火箭发动机燃烧室将是很方便的。     

火箭燃烧室高深宽比冷却通道设计的比较

在液氢冷却的火箭燃烧室里,对高深宽比(槽高比槽宽)冷却通道的冷却效果进行了分析研究。对不同的冷却通道设计在燃气侧壁温和冷却剂压降方面的影响进行了评估。冷却剂通道的设计,包括燃烧室应用高深宽比冷却通道的长度、冷却剂通道的数量和冷却剂通道的形状。用火箭热计算(RTE)规则二维动力学(TDK)规则对七种冷却剂通道进行了联合研究。最初研制的每种冷却通道没有考虑制造因素,只考虑减少来自常规冷却通道的燃气侧壁温。这些设计产生的燃气侧壁温比给定基础下降了22％,冷却剂压降只在原基础上提高了7.5％。七种设计的冷却通道都用铣加工制造。制造后产生的燃气侧壁温比给定的基础降低了20％,冷却剂压降增加不到2％。在整个燃烧室长度上都用高深宽比冷却通道的设计在燃气侧壁上得到的好处,并没有超过只在喉部区域使用高深宽比冷却通道的设计,但冷却剂压降却增加了33％。高深宽比冷却通道在冷却压降增加不到2％的条件下,至少可以降低燃气侧壁温8％,这与冷却通道的形状无关。在降低燃气侧壁温方面得到的好处最大,且冷却剂压降增加最小的设计是采用分叉冷却通道,并在喉部区域采用高深宽比冷却通道的设计。