GH2∕GO2涡流冷却透明燃烧室方案设计及试验研究

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1、第39卷第2期火箭推进V01．39．№．22013年4月JOURNALOFROCKETPROPULSIONApr．2013GH2／G02涡流冷却透明燃烧室方案设计及试验研究路强，俞南嘉，李恭楠，王化余，李家文(北京航空航天大学宇航学院，北京，100191)摘要：涡流冷却是一种新型的推力室冷却技术，采用该技术可以简化推力室结构、降低成本，并提高系统可靠性。本文在综合国外研究成果的基础上，对涡流冷却技术进行了理论分析，设计出推力室结构，采用石英玻璃加工燃烧室圆柱段部分，并用高速摄影仪记录了燃烧室内的火焰图像

2、。研究表明，涡流冷却透明燃烧室方案是可行的，燃烧稳定段燃烧区域占燃烧室的55％～60％。关键词：涡流冷却；透明燃烧室；可视化方案中图分类号：V434—34文献标识码：A文章编号：1672—9374(2013)02—0001—05DesignandexperimentresearchofGH2／G02vortex—coolingtransparentcombustionchamberLUQiang，YUNan-jia，LIGong·nan，WANGHua-yu，LIJia—wen(SchoolofAstr

3、onautics，BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Beijing100191，China)Abstract：Vortex—coolingisanewthrustchambercoolingmethod．Thistechnologycansimplifythethrustchamberstructure，reducecostandincreasesystemreliability．Basedontheresearchfin—dingsoffore

4、igncountries，thevortex-coolingtechnologywasanalyzedtheoretically，thestructureofthrustchamberwasdesigned，quartzglasswasadoptedtomakethecylindricalpartofthechamber，andtheflameimageswererecordedbyahigh—speedcamera．TheresultsshowthatthedesignschemeofGH2／G02v

5、ortex-coolingtransparentcombustionchamberisfeasible．ThecombustionzoneOCCU—pied55％-60％ofthecombustionchamberdesignedwiththisschemeinthestableperiodofcombus—tion．Keywords：vortexcooling；transparentcombustionchamber；visualizationscheme收稿日期：2012—10—15；修回日期：20

6、12～12—28作者简介：路强(1989一)，男，硕士，研究领域为液体火箭发动机2火箭推进2013年4月0引言液体火箭发动机内高温、高压燃气与燃烧室壁面之间存在巨大的对流换热和辐射换热，所以必须采用有效的冷却措施，否则现有的工程材料将无法承受，从而导致发动机烧毁。再生冷却、膜冷却、发汗冷却等推力室冷却方法的针对性都很强，对特定类型的推力室适用，却不一定适合其它类型的推力室，所以人们一直在寻求一种能够广泛运用的冷却技术。参照龙卷风以及旋风分离器的原理而设计的推力室涡流冷却技术是由美国轨道公司提出的一种新型

7、推力室冷却技术。采用该技术设计的涡流冷却发动机与传统液体火箭发动机的区别在于，它不是在头部喷注推进剂，而是在燃烧室后部(即燃烧室与喷管连接处)切向喷人氧化剂。氧化剂在燃烧室尾部压差的作用下，紧贴燃烧室侧壁形成强烈的旋涡流动，逆向流到燃烧室头部，与喷注器喷入的燃料混合，在燃烧室的中心区域又形成一个方向相反的旋涡。氧化剂和燃料在这个旋涡区内燃烧，形成高温的燃气流向喷管。因为外层未燃烧的氧化剂将高温燃气区与壁面隔离，从而可以大幅度降低壁面温度，达到高可靠性、长时间工作和采用廉价材料的目的。本文分析了涡流冷却技

8、术的原理，给出了燃烧室可视化方案，并对GH2／GO：涡流冷却透明燃烧室试验结果进行了分析讨论。涡流技术的原理分析涡流冷却发动机的关键技术之一是氧化剂形成的内外两股涡流结构。外部涡流结构对燃烧室壁面的冷却保护很重要，同时也影响着内部涡流与燃料的掺混和燃烧，所以建立了理论模型，通过理论计算求出涡流结构的速度分布和燃烧室内压力分布对本文研究工作有较大的帮助。由于涡流结构主要存在于燃烧室内，喷管部分对涡流的结构影响较小，所以建立的理论模型无需考虑喷