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高焓气体发生器燃烧室热防护设计

作者:2018-02-08 10:59:27阅读:文章来源:

【摘 要】 高焓气体发生器是为高焓风洞提供高焓气源的装置,为了提高燃烧室的强度寿命,减少高温热流对燃烧室的燃烧室的影响,需要依据燃烧室的热环境对其进行热防护设计。本文分析了几种常见的燃烧室热防护方法,并对基本热防护设计方案进行了总结归纳。 
【关键词】 燃烧室热防护 高焓气体发生器 热防护方法 
1 前言 热环境 
根据化学平衡计算结果,单纯燃料的分解温度可达1600k,经过补充氮气掺混后其平衡温度为1170k左右。 
燃烧产物以很高的速度流过喷管。在此过程中,燃烧室单位时间、单位体积内可以产生很大热流量,传给燃烧室壁面的热流量在临界截面处高达(2-6)x10^7kcal(m^2.h),然而室壁允许通过的热流量却小得多,若不采取必要的防护措施,室壁温度将会迅速提高,室壁的强度也会迅速降低,使得即使最耐热的材料也可能失去可靠工作的必须强度。因此,燃烧室热防护是必须解决的一个重要问题。 
2 热防护方法 
燃烧室热防护的有很多种类,大致可分为:外冷却,内冷却,容热式冷却,隔热式冷却,烧蚀式冷却。而大多数热防护的方法都是以冷却为基础的。 
在采用外冷却的燃烧室中,燃气传递给燃烧室室壁的热量,由燃烧室室壁传递给液体或气体冷却剂,或者直接向周围空间辐射。外冷却中的对流冷却是靠流经冷却通道的冷却剂通过对流换热进行外冷却,主要包括再生冷却和排放冷却。 
再生冷却燃烧室室壁由内、外两层壁面构成,冷却剂经由集液器进入冷却套,对燃烧室内壁进行对流冷却。通常选用冷却性能好的一种推进剂组元作为冷却剂,将这种组元的全部或部分流量用于冷却。冷却剂通过冷却套时,带走燃气传给推力室内壁的热量,冷却剂自身温度升高,然后经喷注器进入燃烧室,内壁的传出热量被冷却剂带入燃烧室,得以“再生”,因此称这种对流外冷却方法为再生冷却。 
排放冷却是对流冷却的另一种。与再生冷却不同,用于排放冷却的冷却剂对推力室冷却吸热后不进入燃烧室参与燃烧,而是排放出去。直接排放冷却剂会降低推力室比冲,因此需要尽可能减少用于排放冷却的冷却剂流量,同时只在受热相对不严重的喷管出口段采用排放冷却。还有一种是辐射冷却,其热流由燃烧产物传给推力室,再由推力室室壁想周围空间辐射散热。辐射冷却的特点是简单、结构质量小。主要应用于大喷管的延伸段和采用耐高温材料的小推力发动机推力室。 
在组织推力室内冷却时,是通过在推力室内壁表面建立温度相对较低的液体或气体保护层,以减少传给推力室室壁的热流,降低壁面温度,实现冷却。内冷却主要分为头部组织的内冷却(屏蔽冷却)、膜冷却和发汗冷却三种方法。推力室采用内冷却措施后,由于需要降低保护层的温度,所以燃烧室壁面附近的混合比不同于中心区域的最佳混合比(多数情况下采用富燃料的近壁层),造成混合比沿燃烧室横截面分布不均匀,使燃烧效率有一定程度的降低。 
膜冷却与屏蔽冷却类似,是通过在内壁面附近建立均匀、稳定的冷却液膜或气膜保护层,对推力室内壁进行冷却,只是用于建立保护层的冷却剂不是喷注器喷入的,而是通过专门的冷却带供入。冷却带一般布置在燃烧室或喷管收敛段的一个横截面上。沿燃烧室长度方向上可以有若干条冷却带。为提高膜的稳定性,冷却剂常常经各冷却带上的缝隙或小孔流入。 
采用发汗冷却时,推力室内壁或部分内壁由多孔材料制成,其孔径为数十微米。多孔材料通常用金属粉末烧结而成,或用金属网压制而成。此情况下,尽可能使材料中的微孔分布均匀,是单位面积上的孔数增多。液体冷却剂渗入内壁,建立起保护膜,使传给壁的热流密度下降。当用于发汗冷却的液体冷却剂流量高于某一临界值,在推力室内壁附近形成的是液膜。当冷却剂流量低于临界值流量时,内壁温度会高于当前压力下的冷却剂沸点,部分或全部冷却剂蒸发,形成气膜。 
除了以上热防护外,还有其他热防护方法如:烧蚀冷却、隔热冷却、热熔式冷却以及室壁的复合防护等。 
3 高焓气体发生器热防护方案 
综合上述方法结合实际情况,便得到高焓气体发生器的热防护方法。高焓气体发生器的燃烧室与液体火箭发动机的不同,省去前面的推力室部分,使得其结构更简单而有效。那么,所涉及到的热防护即为对燃烧室室壁的热防护部分。由于燃料进入燃烧室内迅速分解并放出大量热,这样在壁面的温度最高可达3000k,这就需要对燃烧室壁面进行热防护。从简单、易行的角度考虑,如果采用外冷却的方式,就需要燃烧室的做成内外两层,燃料和冷却剂的喷注形式要做特殊处理,考虑到所涉及的气体发生器的体积较小,这样会增加制作的复杂性和制作成本。而采用烧蚀冷却、隔热冷却或者热熔式冷却更会增加设计难度及制作成本。那么,此时采用内冷却的方式来看更为合适。内冷却主要分为头部组织的内冷却(屏蔽冷却)、膜冷却和发汗冷却三种方法。屏蔽冷却是在推力室头部喷注器最外圈、沿燃烧室壁附近设置一圈单元组直流式或离心式喷嘴,冷却剂以一定的角度直接喷射在燃烧室内壁上,保证室壁附近某一种推进剂组元(例如燃料)有很大富余,形成一层温度相对较低的保护层,将高温燃气与壁面隔开,祈祷隔热的作用,这种热防护的方法设计简单,但是要特别注意燃料和冷却剂喷注的方式;膜冷却是通过在内壁面附近建立均匀、稳定的冷却液膜或气膜保护层,对燃烧室室壁进行冷却,这种冷却方式在冷却的效果分析来较为可靠,而对设计要求以及加工工艺较高。采用发汗冷却,推力室内壁或部分内壁由多孔材料制成,尽可能使材料中的微孔分布均匀,当液体冷却剂渗入内壁,建立起保护膜,使传给壁的热流密度下降,从而降低壁面温度。发汗冷却的方法从经济实用的角度看是不可取的。 
  4 设计方案总结 
  从经济实用、简单易行角度出发,选择采用低温液氮作保护剂,从燃烧室切向喷入来对燃烧室的壁面进行热防护。一方面解决燃烧室壁面温度过高的问题;另一方面可以解决液氮含量不足的问题。 
  但由于需要降低保护层的温度,所以燃烧室壁面附近的混合比不同于中心区域的最佳混合比(多数情况下采用富燃料的近壁层),造成混合比沿燃烧室横截面分布不均匀,使燃烧效率有一定程度的降低。这就需要对之后的一系列设计及方案中重点解决这一问题。

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