排气液化循环发动机推力室性能计算研究.pdf

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1、上海航天AEROSPACESHANGHAI2010年第3期文章编号：1006—1630(2010)03—0046—03排气液化循环发动机推力室性能计算研究黄奕勇，许军校(国防科学技术大学航天与材料工程学院，湖南长沙410073)摘要：用双流管方法分析了液膜对排气液化循环发动机推力室性能的影响。推导了发动机壁面的修正方法，给出了主燃烧区参数、边区流管参数与壁面修正、中心流管性能与双流管性能的计算模型。研究结果表明：液膜冷却会导致少量的性能损失；与常规一维流动不同，双流管的壁面修正不可忽略。关键词：液体火箭发动机；液膜冷却；双

2、流管；壁面修正中图分类号：V430文献标示码：AMainChamberPerformanceCalculationofHeatTransferRocketEngineHUANGYi—yong，XUJun—xiao(SchoolofAstronauticsandMaterialEngineering，NUDT，ChangshaHunan410073，China)Abstract：ThedualflowtubemethodwasusedtocalculatetheperformanceforthemaincombUStionc

3、hamber(MCC)oftheturbineexhaustliquefactioncycleengine(TELCE)inthispaper．Theinnerwallchangefortheenginewasderived．Thecomputationmodelsoftheperformancesofthemaincombustionarea，theboundaryareaanditswallchange，andthecenterareaaswellasthedualflowtubeweregivenOUt．Theres

4、ultsshowedthatthereweresomeenergylostcausedbytheliquidfilmcooling．Theinnerwallchangeofthedualflowtubewhichwasdifferentwiththecommonsingletube，whichcouldnotbeneglected．Keywords：Liquidrocketengine；Liquidfilmcooling；Dualflowtube；Innerwallchange0引言涡轮排气液化循环是～种新型高性能氢氧发动

5、机方案[1。]。其燃气发生器中推进剂混合比为8，同时在其中注入一定量的水以降低燃气温度。燃气发生器产生的水蒸气对涡轮作功后，通过换热器与主推进剂中的氢、氧流体进行热交换，温度降低并液化成水。水是良好的冷却剂，将水引入推力室对燃烧室壁冷却液膜和气膜(由液膜汽化后产生)。液／气膜冷却可对推力室壁面进行有效的热保护。在目前的氢氧发动机中，均未组织液膜冷却。实际上，采用液膜冷却的发动机只有前苏联的液氧煤油发动机‘3。]。液态冷却剂(对涡轮排气液化发动机来说，冷却剂是水)从发动机的侧壁面注入，发收穑日期：2009—03—03；修回日

6、期：2009—0526基金项目：自然科学基金资助(50406006)作者简介：黄奕勇(1972一)，男，副教授．主要从事绳系卫星控制、交会对接和飞行器设计等。动机内流动被分为两个部分：高温的中心区，混合比低；低温的边区，混合比高。此时，推力室内流动与普通一维流动存在明显差异，采用传统型面计算方法会导致误差，须加以修正。为此，本文对排气液化循环发动机推力室性能的计算进行了研究。1性能计算方法为便于讨论，将燃烧室分成头部附近的主燃烧区、中心区和边区3个区，如图1、2所示。a)主燃烧区：此区的物质包括从头进入的推进剂氧q。cOx

7、、氢q。cf和水q。。．o．H。d。这些物质经泵增压、换热器换热、涡轮作功后焓值均发生了变化。三种物质在此区混合燃烧，产生推力室的燃气流。b)边区：沿燃烧室壁组织3道液膜冷却，液膜在向下游流动中进行对流与辐射换热，温度升高至饱和(或临界)温度时液膜完全汽化。汽化的蒸汽膜继续保护壁面。主燃气与液膜和蒸汽膜间存在大的温度差和速度差，故在边界上形成附面层和剪切混合2010年第3期黄奕勇．等：排气液化循环发动机推力室性能计算研究层。蒸汽和被卷入(以及将被卷入)边区的主燃气组成边区流管。但超声速状态下气体混合减弱，计算时认为中心区气

8、流超声速时不再与边区掺混而将被卷入边区。c)中心区：除边区外的燃气流构成的中心区流管。圈1发动机推力室Fig．1SchemeofMCC+LH20圈2计算用双流管Fig．2SketchusedforMCCanalysis1．1主燃烧区参数确定主燃烧区分析中，主要是确定进入该区的总焓和成分。据此即可由热力计