涡轮排气液化循环发动机的能量分析.pdf

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1、上海航天AEROSPACESHANGHAI2010年第2期文章编号：1006—1630(2010)02—0046—03涡轮排气液化循环发动机的能量分析黄奕勇，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：对涡轮排气液化循环发动机液化水的处置进行了研究。通过热力学分析获得了发动机性能的理论解，并利用热力计算进行验证。分析表明液态水直接排出发动机将导致约2％的比冲损失。分析了发动机各环节的能量传递，获得了燃烧室中心燃烧区焓增的理论表达式，可作为燃烧室性能的详细分析的基础。关键词：液体火箭发动机；发动机循环；热力学分析；液化水中图分类号：TJ

2、7文献标示码：AEnergyAnalysisoftheTurbineExhaustLiquefactionCycleEngineHUANGYi—yong，XUJun—xiao(SchoolofAstronauticsandMaterialEngineering，NUDT，ChangshaHunan410073，China)Abstract：Thetreatmentoftheliquidwateroftheturbineexhaustliquefactioncycleengine(TELCE)wasstudiedinthispaper．Thetheorysolut

3、ionwasacquiredbythermalanalysisandwasidentifiedbythermalcalculation．Theanalysisshowedthattherewasabout2％specificimpulselossifliquidwaterwasdrilledoutofenginedirectly．Furthermore，theenergytransferinTELCEwasanalyzed，andtheenthalpytheoryexpressionofthegasinenginecentercombustionregionwa

4、sgivenout，whichcouldbeasthedetailanalysisbaseforthechamberperformance．Keywords：Liquidrocketengine；Enginecycle；Thermalanalysis；Liquidwater0引言涡轮排气液化方案(简称排气液化循环)是一种全新的发动机循环方式[1~3]。与普通循环相比，排气液化循环方案具明显的优势：燃烧室压力可提高至35MPa，氢主涡轮泵出口压力降低47．7％，发动机比冲提高50．9m／s。系统主要特点是具有一个混合比为8的燃气发生器(通过加水进行冷却)，其燃气对

5、涡轮做功后经过换热器后成为液态水。涡轮排气被完全液化为水，表明其燃烧热已全部传给进入燃烧室的推进剂。本文对发动机热力过程进行了分析，讨论了此部分质量(液态水)不同处理方式对主燃烧室性能的影响。收稿日期z2009—03—03；修回日期：2009—05—25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。1涡轮排气液化水处理方式对性能的影响1．1理论推导排气液化发动机结构如图1所示。喷管膨胀过程的焓熵图如图2所示。图中：状态1为液态水全部重返主燃烧室方案；状态2为水液化后直接排放

6、外界方案。两方案的燃烧室压力和出口压力相同，即点c-，cz位于压力为P。(燃烧室压力)的等压线上，点et、ez位于压力为P。(喷管出口压力)的等压线上。因喷管膨胀为等熵，故点C。、e，等熵(点c。、e。等熵)。发动机的比冲与喷管出口速度成正比，而推进剂能量与速度的平方成正比。完全将一物质的能量传给另一物质，此物质的能量增加相对值只能产生50％的速度增加相对值。2010年第2期黄奕勇，等：涡轮排气液化循环发动机的能量分析图1涡轮排气液化发动机各环节关系Fig．1TransferrootingofTELRE皿s2J图2喷管膨胀过程焓熵图Fig．2h-sofrocke

7、tnozzleexpand推力室喷管出口速度口一,／2(^。一h。)．(1)式中：h为焓值；下标C、e分别表示燃烧室和出I=l。式(1)取对数并微分后，得了Av一糌．(2)了一丽两‘u7式中：△口，Ah分别为速度差和焓差。由热力学第一定律可得Td5一dh一—d—p．1D式中：T，』D，s分别为温度、密度和熵。对燃烧室，由点f。沿等压线积分到点fz，得一；2idh一学：FAhcSc2$c1．(3)一5。。丁一—亍：=一2亍：=。u’式中：△^。为燃烧室推进剂焓增。同样，由点e，沿等压线积分至点ez，得s砣一sd；f2节dh一学一．尝．(4)跎一&l5J。丁一—i■

8、一‘荒’¨’式中：T⋯，