加熱器設(shè)計

楊寒 劉奎芹 李茂

摘? 要：依據(jù)噴管試驗(yàn)技術(shù)要求，對加熱器進(jìn)行了設(shè)計。加熱器采用氫氣、氧氣和空氣作為推進(jìn)劑，采用成熟的氣氫氣氧電火花點(diǎn)火器點(diǎn)火。加熱器頭部采用四同軸噴嘴和噴注孔結(jié)合方案，兼顧燃燒穩(wěn)定性和加熱器熱防護(hù)。加熱器設(shè)計工況兩種，分別為總溫2470K、總流量1.81kg/s、燃燒室壓力0.587MPa，總溫2635K、總流量1.326kg/s、燃燒室壓力0.409MPa，設(shè)計結(jié)果滿足要求。

關(guān)鍵詞：加熱器;噴注器;設(shè)計

中圖分類號：V431? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）15-0094-02

Abstract： According to the technical requirements of nozzle test， the heater is designed. The heater uses hydrogen， oxygen and air as propellant and uses mature gas hydrogen oxygen electric spark igniter to ignite. The heater head adopts the combination scheme of four coaxial nozzles and injection holes， taking into account the combustion stability and the thermal protection of the heater. The heater has two design conditions： total temperature 2470K， total flow 1.81kg/s， combustion chamber pressure 0.587MPa， total temperature 2635K， total flow 1.326kg/s， combustion chamber pressure 0.409MPa. The design results meet the requirements.

Keywords： heater; injector; design

1 概述

本設(shè)計依據(jù)《噴管熱流試驗(yàn)任務(wù)要求》，提出了為噴管提供入口參數(shù)的加熱器技術(shù)方案。

開展兩種不同工況下的噴管熱流試驗(yàn)，工況參數(shù)見表1。

2 加熱器方案設(shè)計

2.1 技術(shù)原理

加熱器設(shè)計包括加熱器頭部和身部，使用氫氣和氧氣作為燃料和氧化劑，氫氣和氧氣在加熱器內(nèi)燃燒產(chǎn)生高溫燃?xì)猓⑶遗c空氣補(bǔ)燃摻混，使空氣達(dá)到額定總溫、總壓，然后通過噴管加速到所需馬赫數(shù)。

2.2 加熱器參數(shù)設(shè)計

根據(jù)所需燃?xì)饪倝?、總溫和馬赫數(shù)對加熱器參數(shù)進(jìn)行設(shè)計計算，具體如下。

加熱器噴管內(nèi)的流動近似為一維等熵流，根據(jù)氣體動力學(xué)相關(guān)理論，得到如下參數(shù)：

（1）噴管喉部面積

式中：A-噴管出口面積，m2;Acr-噴管喉部面積，m2;Ma-馬赫數(shù);k-比熱比。

由上式可得，工況一噴管喉部面積為0.003872m2，工況二噴管喉部面積為0.00421m2。

（2）加熱器總壓

式中：P-噴管出口靜壓，MPa;P*-噴管出口總壓，MPa。

由上式計算得到，工況一加熱器總壓0.5856MPa，工況二加熱器總壓0.409MPa。

（3）質(zhì)量流量

式中：-質(zhì)量流量，kg/s;K-流體系數(shù)，? ? ? ? ? ? ; R-氣體常數(shù);Acr-噴管喉部面積，m2;

根據(jù)上述公式，得到工況一的質(zhì)量流量為1.81kg/s，工況二的質(zhì)量流量為1.326kg/s。

考慮加熱器本身的熱損失，確定加熱器總溫分別為：工況一2470K，工況二2635K。根據(jù)總溫、總壓及其它初始參數(shù)通過熱力計算得到氫氣、氧氣和空氣的流量分配，示于表2。

2.3 加熱器結(jié)構(gòu)型式設(shè)計

依據(jù)接口技術(shù)要求，噴管入口段內(nèi)部接口尺寸為96mm×96mm。在該邊界條件下，開展加熱器結(jié)構(gòu)型式設(shè)計：

（1）根據(jù)尾噴管熱流試驗(yàn)噴管型面需求，加熱器身部采用方形結(jié)構(gòu)。

（2）為穩(wěn)定可靠的組織燃燒，降低加熱器頭部設(shè)計、加工難度和成本，加熱器頭部采用圓柱型結(jié)構(gòu)，并通過噴注器設(shè)計實(shí)現(xiàn)頭部到身部圓轉(zhuǎn)方過渡。

（3）所有推進(jìn)劑均通過頭部噴注器進(jìn)入加熱器燃燒。

（4）加熱器身部采用高溫抗氧化合金與空氣氣膜冷卻方式，不采用外冷卻。

根據(jù)上述設(shè)計思想，加熱器基本結(jié)構(gòu)方案是頭部為圓柱形結(jié)構(gòu)，設(shè)置四同軸圓柱形單噴嘴一個，為主要燃燒組織區(qū)，同軸噴嘴外圍在噴入空氣補(bǔ)燃摻混，同時兼顧噴注面板、加熱器身部熱防護(hù)。

2.4 噴注器設(shè)計

噴注器采用四同軸剪切噴嘴和噴注孔組合方案，所有推進(jìn)劑全部從加熱器頭部進(jìn)入，采用三腔四底式結(jié)構(gòu)，四同軸噴嘴數(shù)量1個，噴注孔數(shù)量100個，流量分配率為0.5。

基本方案如圖1所示：

（1）中心通道為電火花點(diǎn)火器火炬通道。

（2）中心火炬通道外側(cè)為氧氣通道，在點(diǎn)火階段，氧氣與中心點(diǎn)火氫氣補(bǔ)燃燃燒，點(diǎn)火結(jié)束后，中心通道通入氮?dú)獗Ｗo(hù)。

（3）氧氣通道外側(cè)為氫氣通道;氫氣通道外側(cè)為空氣通道;氫氣內(nèi)側(cè)與氧氣剪切摻混燃燒，外側(cè)與空氣剪切摻混燃燒，通過雙燃燒面使氫氣快速完成燃燒，達(dá)到較好的燃?xì)饩鶆蛐浴?/p>

（4）根據(jù)氣氣噴嘴燃燒特性，氧噴嘴壓降取5%，氫噴嘴壓降取15%，空氣噴嘴壓降取10%，噴嘴端面壁厚取1.5mm，所有噴嘴無縮進(jìn)。

噴嘴設(shè)計：

對于工況一，燃燒室壓力約為0.6MPa，按照氣氣噴注器相關(guān)數(shù)據(jù)，取氧壓降為5%，所以噴前壓力：0.6×（1+0.05）=0.63MPa，比熱比1.4，靜壓比總壓：0.6÷0.63≈0.95238，氣體常數(shù)：R=8314÷32≈259.8

所以

其中氧噴注器流量系數(shù)0.8，入口總溫280K，所以噴注面積：

因噴嘴只有1個，所以單個面積313.3mm2，所以直徑：

速度：

因氧環(huán)縫內(nèi)徑10mm，所以氧環(huán)縫外徑：

外徑取整22mm。

同理可得其它噴嘴外徑，如表3所示。

四同軸剪切噴嘴外側(cè)噴注面板布置空氣噴注孔，最外圍一側(cè)噴注孔用于燃燒室壁面冷卻40個，內(nèi)側(cè)分布60個，噴注孔分布原則優(yōu)先考慮加熱器身部和噴注面板熱防護(hù)，其次是燃?xì)饩鶆蛐浴?/p>

2.5 身部設(shè)計

身部采用高溫鎳基合金GH99平板焊接，加熱器身部內(nèi)部尺寸96mm×96mm，長度300mm。身部冷卻由頭部噴注器邊緣的空氣噴注實(shí)現(xiàn)對高溫燃?xì)獾母綦x以及冷卻。

3 結(jié)論

依據(jù)噴管試驗(yàn)技術(shù)要求，對加熱器進(jìn)行了設(shè)計。

（1）加熱器采用氫氣、氧氣和空氣作為推進(jìn)劑，采用成熟的氣氫氣氧電火花點(diǎn)火器點(diǎn)火。

（2）加熱器頭部采用四同軸噴嘴和噴注孔結(jié)合方案，兼顧燃燒穩(wěn)定性和加熱器熱防護(hù)。

（3）加熱器設(shè)計工況兩種，分別為總溫2470K、總流量1.81kg/s、燃燒室壓力0.587MPa，總溫2635K、總流量1.326kg/s、燃燒室壓力0.409MPa，設(shè)計結(jié)果滿足要求。

參考文獻(xiàn)：

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