CN101738316A - 具有可靠热防护的低成本试验用燃烧室的结构设计方法 - Google Patents

Abstract

具有可靠热防护的低成本试验用燃烧室的设计方法，所述燃烧室包括：身部圆筒段、连接法兰、喷管部分、连接螺栓和测量接管嘴部分。燃烧室采用容热式结构，身部圆筒短材料采用高导热率的纯铜材料，喷管部分采用钨渗铜材料。必须首先采用一种热分析辅助设计方法，该方法首先需要确立计算模型和计算方法，再进行结构设计与热分析的迭代设计过程。计算模型采用三维非稳态导热微分方程，所计算的热交换主要包括由燃气向室壁的对流换热和辐射换热、室壁内的导热和由室壁向外界的对流和辐射换热。热分析辅助设计方法包括整体计算分析和局部校核计算分析。可使燃烧室在热防护可靠的情况下所用的材料最少，成本大幅降低。

Description

具有可靠热防护的低成本试验用燃烧室的结构设计方法

【技术领域】

本发明涉及一种用于短时间试验的具有可靠热防护且低成本燃烧室结构设计方法。本发明特别用于应用于液体火箭发动机试验的燃烧室设计方法。

【背景技术】

在火箭发动机推力室的研制过程中，特别是作为推力室主要组件的喷注器的研制过程中，需要进行大量的短时间的燃烧试验研究；另外，在对推力室的传热特性或热流测量研究而进行试验中，也必须进行了短时间的燃烧试验研究。

进行推力室试验研究中，一般采用两种燃烧室结构形式，即容热式和水冷却式。而为了能够在试验中获得最为广泛的数据，更全面地开展的试验研究，并能够节约成本和周期，推力室身部需要具有测量方便、零部件易于更换和置换等特点。由于试验时间需求较短，就不必要采用复杂的水冷式结构。而容热式结构具有结构简单、成本低、便于维护等优势，且适合于短时间的工作。一般火箭发动机领域容热式结构分为两种形式：1、采用钨渗铜等耐烧蚀材料，由于材料的耐烧蚀性在火箭发动机领域广泛使用，特别是作为推力室喷管部分的喉衬，但钨渗铜材料连续试验的物性不稳定、偏差大，材料易被氧化，而试验中往往需要对燃烧室壁面进行温度测量，这样测量精度就不可能可靠，且钨渗铜机加工困难、成本高，在圆筒段的应用很不理想。2、采用纯铜等高导热率材料，由于紫铜的连续试验的物性稳定性好，能够可靠地保证壁面温度测量的精度，且紫铜相对于钨渗铜材料成本较低；但由于铜材料的耐热极限低的缺点，因此一般燃烧室室壁设计很厚以满足试验时间的需要，而且一般会安装测量或点火装置在身部紫铜体内部，必然会影响紫铜的局部受热效果，如果设计不合理很可能会造成局部过热烧蚀。这两种方法都已有应用，但这两种材料的成本都不低，特别是当零件的外径尺寸越大时，随着径向尺寸的增大，将使材料体积增长越快、成本增加就越快；但如果采用的材料过少或局部设计不合理，会使燃烧室容热效果不够或传热效果不好，容易发生烧蚀，导致热防护不可靠。因此需要有一种具体的方法使得设计出的燃烧室既具有可靠的热防护，又具有最低的成本，这种设计方法还未曾报道。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种用于短时间试验的具有可靠热防护且低成本燃烧室结构设计方法，特别是在燃烧室尺寸较大的情况下最为适用。

一种具有可靠热防护低成本试验用燃烧室结构设计方法，该方法所设计的燃烧室包括：身部圆筒段、连接法兰、喷管部分、连接螺栓和测量接管嘴等部分。燃烧室采用容热式结构，身部圆筒短材料采用高导热率的纯铜等材料，喷管部分采用钨渗铜等耐高温材料。必须首先采用一种热分析辅助设计方法。所采用热分析辅助设计方法首先需要确立计算模型和计算方法，再进行结构设计与热分析的迭代设计过程。计算模型采用三维非稳态导热微分方程，所计算的热交换主要包括由燃气向室壁的对流换热和辐射换热、室壁内的导热和由室壁向外界的对流和辐射换热；采用Bartz公式计算燃气对室壁的传热，采用经验辐射换热公式计算燃气对室壁的辐射换热，采用大空间自然对流换热实验关联式计算外壁对环境的传热，并忽略外壁的辐射换热。热分析辅助设计方法包括整体计算分析和局部校核计算分析。

本发明的具有可靠热防护低成本试验用燃烧室设计方法具有的优点和积极效果在于：(1)由于只在喷管部分采用耐高温的钨渗铜，而在体积最大的燃烧室身部圆筒段采用的是成本相对较低紫铜材料，这样就大大降低了成本，又能保证身部温度测量精度；(2)由于采用了热辅助结构设计方法，并进行了结构设计与计算分析的迭代设计，且进行了整体分析和局部范围校核的热计算分析方法，该设计方法目的为使热防护可靠的情况下所用的材料体积最少，因此可以保证在热防护可靠的情况下，成本最低。

【附图说明】

图1是燃烧室身部整体装配示意图

图2是热辅助设计方法流程图

图3是紫铜圆筒段的温度分布图

图4是紫铜圆筒段径向位移分布图

图5是钨渗铜喷管段温度分布图

图6是钨渗铜喷管段径向位移分布图

图7是测压孔局部热分析三维温度分布图

【具体实施方式】

下面结合附图用实施例来进一步说明本发明，本实施例为一试验用液体火箭发动机推力室。

实施此方法设计的燃烧室主要包括：身部圆筒段1、连接法兰2、尾部喷管3、连接螺栓4和必要的压力测量接管嘴5。

整个设计过程安排如下：

1、首先必须建立热分析计算模型和计算方法：

1)推力室室壁温度计算模型

紫铜与钨渗铜室壁为计算区域，为非稳态导热，身部结构呈现出典型的三维特性，采用三维非稳态导热微分方程：

$\mathrm{pc}\frac{\∂t}{\∂\mathrm{\τ}}=\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂t}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂t}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂t}{\∂z}\right)+\stackrel{\·}{\mathrm{\Φ}}---\left(1\right)$

边界条件由界面处导热、对流、辐射三种换热方式来确定。

由于在计算时间内温度变化较大，必须考虑材料的物性参数随着温度的变化，将材料物性参数随温度的变化进行多点插值处理。对整个求解区域进行有限元划分，运用微分方程(1)并积分，联立方程：

$\left[C\left(T\right)\right]\left\{\stackrel{\·}{T}\right\}+\left[K\left(T\right)\right]\left\{T\right\}=\left\{Q(T,t)\right\}---\left(2\right)$

[K]为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；[C]为比热矩阵，考虑***内能的增加；{T}为节点温度向量；

为温度对时间的导数；{Q}为节点热流率向量，包含热源。将时间和空间域的偏微分方程问题在空间域内离散为n个节点温度的常微分方程的初值问题。

2)热交换的计算模型

容热式冷却热交换主要包括由燃气向室壁的对流换热和辐射换热、室壁内的导热和由室壁向外界的对流和辐射换热。

a)燃气对室壁的传热

常用的计算方法就是采用Bartz公式计算燃气对室壁的对流换热：

$\left\{\begin{array}{c}{q}_w=h_g(T_{\mathrm{gs}}-T_{\mathrm{wg}})\\ h_g=\mathrm{const}.\frac{1}{{d_t}^{0.2}}\left(\frac{{\mathrm{\η}}^{0.2}{c}_p}{{P_r}^{0.6}}\right){\left(\frac{{p_c}^{*}}{c^{*}}\right)}^{0.8}{\left(\frac{A_t}{A}\right)}^{0.9}\mathrm{\σ}\end{array}\right.---\left(3\right)$

高温高压环境决定了其中的辐射换热也是相当强烈的，均匀成分的燃气对壁面的辐射热流密度计算式为：

$q_r={\mathrm{\ϵ}}_{w,\mathrm{ef}}\mathrm{\σ}({\mathrm{\ϵ}}_g{T_g}^4-a_w{T}_{\mathrm{wg}}^4)---\left(4\right)$

对于燃烧室，认为q_r恒定，从收敛喷管段d_r＝1.2d_t以后辐射热流急剧下降，到达喉部只剩下最大热流的50％，喉部后面下降更快，在面积比A/A_t＝2，3，4处，辐射热流下降到最大热流的12％，6％，3％。所以较大膨胀比处辐射可以忽略不计。

将传热和辐射进行综合换热处理：

q＝q_w+q_r＝h_t(T_gs-T_wg)                          (5)

其中q为对流域辐射的综合换热热流，h_t为综合换热系数。

b)外壁的换热

外壁的对流换热采用大空间自然对流换热实验关联式：

Nu＝C(Gr Pr)ⁿ， $\mathrm{Gr}=\frac{\mathrm{ga\Δt}{l}^3}{v^2}---\left(6\right)$

3)计算方法

对于不同的内壁温燃气对室壁将有不同的对流和辐射热流，首先将温度在材料的温度极限范围内进行划分，对不同的内壁温计算各自的综合换热热流；对所关心的区域进行模型划分和建模，像安排点火器和测压管属于复杂的三维情况，需要进行三维建模，像喷管段属于轴对称模型。可以在solidworks等建模工具中进行，将结果导入ansys软件中，定义非线性材料属性、环境属性，并将上述计算的各温度下综合换热系数输入；进行瞬态热-应力耦合分析。

在高压、高温环境中，身部紫铜和喉部的分析是首要的，而后续局部的热分析也是必须的，像测压管区域的分析，以及密封面位置、零件间的互相连接面的分析等等，整个设计过程就是分析计算和结构设计安排互相迭代进行的，如图2所示为热分析辅助设计基本流程图。以下取几个关键部位的分析进行介绍。

2、燃烧室整体尺寸和局部结构的确定

在喉部面积确定的情况下，身部关键结构尺寸为燃烧室的内径的确定。在同样的压力和混合比的情况下，燃烧室圆筒段内径越小，燃气流动马赫数越大，换热将越强；另外，采用紫铜材料时，材料具有良好的导热性和容热性，而外壁的自然对流换热系数小，对于换热保护来说燃烧室内径越大越好，室壁越厚越好，但是这都带来成本高和结构尺寸增大。太大的壁厚在有限的热试车时间里对关键的内壁热防护起不到作用，因为热流没有足够时间传到最外层。于是要寻求在满足试验要求时间的情况下，燃烧室内径和壁厚最小。通过多次迭代分析计算，在本实施例中最终设计出内径为90mm，壁厚60mm的圆筒紫铜段。另外，温度的升高以及紫铜材料较高的膨胀率，在高温下其轴向尺寸的变化也是考察点之一，计算模型取身部一段进行分析。热分析结果得到推力室稳定工作后身部紫铜温度分布图如图3(单位：K)，推力室稳定工作后身部紫铜径向位移分布图如图4所示(单位：m)。

由图3可见稳定工作后紫铜段内壁最高温为1015K，紫铜的耐热极限为1273K，为保证试验安全保留一定设计裕度。由图4可知紫铜内壁的径向位移不超过0.2mm。

喉部位于喷管的中部，且在喷管段，燃气参数和喷管型面都发生急剧的变化，必须对整个喷管进行整体热分析；另外由于喉部温度上升幅度大，热试车过程中钨渗铜将热变形，喉部尺寸变化过大将引起室压的较大的波动，这是不可取的，必须对其热试车过程的变形量进行预估。模型采用轴对称模型，内、外壁面分别根据换热计算结果取沿轴向变化的非均匀和均匀的第3类热边界条件，上下表面以及与不锈钢接触面取绝热边界条件。计算结果得到喷管温度分布如图5，径向位移分布如图6所示。

由图5可见稳定工作后紫铜段内壁高温区发生在喉部靠后的区域，最高温为2379K，钨渗铜的耐热极限为3000K以上，与不锈钢的接触面最高温为730K。图6说明试验时最大喉部径向位移不到0.01mm，喉径为41mm，这么小的位移是可以忽略的。

另外在紫铜圆筒段内部安排了测压孔等，需要对这些局部区域进行分析，否则可能会造成烧蚀的危险，这里举例说明测压孔区域的分析，温度分布结果如图7所示。模型取为：周向上含测压孔的对称一半的四分之一圆周体，轴向方向上从燃烧室头部取到3倍测压孔径的距离，同时考虑螺栓孔和密封环的影响，内外边界取第3类边界条件，两侧面取对称边界条件，其余面皆取绝热边界条件。结果可以看出，测压孔的存在对内壁最高温的影响不大。

Claims (5)

1.具有可靠热防护低成本试验用燃烧室结构设计方法，所述燃烧室包括：身部圆筒段(1)、连接法兰(2)、喷管部分(3)、连接螺栓(4)和测量接管嘴部分(5)。燃烧室采用容热式结构，身部圆筒段采用高导热率的纯铜材料，喷管部分采用钨渗铜等耐高温材料。其特征在于：必须首先采用一种热分析辅助设计方法。(附图标记)

2.根据权利要求1所述的具有可靠热防护低成本试验用燃烧室结构设计方法，设计步骤包括：(1)确立热分析辅助设计的计算模型和计算方法；(2)进行结构设计与热分析的迭代设计过程。

3.根据权利要求2所述的具有可靠热防护低成本试验用燃烧室结构设计方法，其特征在于：热分析辅助设计的计算模型采用三维非稳态导热微分方程，所计算的热交换主要包括由燃气向室壁的对流换热和辐射换热、室壁内的导热和由室壁向外界的对流和辐射换热。

4.根据权利要求3所述的具有可靠热防护低成本试验用燃烧室结构设计方法，其特征在于：采用Bartz公式计算燃气对室壁的对流换热，采用经验辐射换热公式计算燃气对室壁的辐射换热，采用大空间自然对流换热实验关联式计算外壁对环境的对流换热，并忽略外壁的辐射换热。

5.根据权利要求1或2或3所述的具有可靠热防护低成本试验用燃烧室结构设计方法，其特征在于：所采用热分析辅助设计方法包括整体计算分析和局部校核计算分析。

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