CN105631141B - 液氧煤油发动机试验用燃气扩压器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利属于航空、航天技术领域，具体涉及液氧煤油发动机试验使用的燃气扩压器设计方法。该燃气扩压器设计方法包括：1)制定扩压器设计要求；2)扩压器结构参数和性能参数计算；3)扩压器的性能分析与验证；4)扩压器的加工与装配；本发明专利可以保证液氧煤油发动机试验要求同时，优化扩压器设计参数，提升扩压器性能，提高产品使用性能与可靠性。

Description

液氧煤油发动机试验用燃气扩压器设计方法

技术领域

本发明专利属于航空、航天技术领域，涉及一种燃气扩压器设计方法，具体涉及液氧煤油发动机试验用燃气扩压器设计方法。

背景技术

在研制新型上面级火箭发动机时，确定火箭发动机的高空特性是发动机地面试车时的重要任务之一。火箭发动机的推力随着高度的升高不断增大，直到在真空环境中达到最大推力，上面级火箭发动机工作时的环境压强非常低，在地面试车时必须建立相应高度下的低压真空环境才能真实模拟火箭发动机的高空特性。当模拟高度不太大时，普遍采用燃气扩压器来建立试验所需的低压环境。

在高空模拟试验中，燃气扩压器是应用最简单的抽气方式，其典型结构是在发动机喷管上套接一个超音速扩压器。扩压器的一端与试验的真空舱相接，另一端与大气相通，喷管的燃气喷向扩压器的入口。高速流动的燃气对周围的气体有引射作用，使试验真空舱发动机处产生并维持低于大气压力的低压环境。

由于燃气扩压器具有其独特的设计特点，是一种集气动、传热、结构、强度、材料等多学科于一体，其在有限设计空间内承受高温、高速燃气以及外面振动苛刻工作载荷条件的复杂装置，对结构重量、材料、强度、气动性能、可靠性和寿命等均具有极高的要求。燃气扩压器承受来自发动机高温燃气引起的内部温度梯度影响，导致结构中产生热应力，同时受外部冷却水引起的水压力，从而在热应力与水压力共同作用下产生了复杂应力环境以及复杂应变变形，属于热力耦合问题。对于热力耦合环境下的超音速扩压器，设计过程比较复杂、影响因素多、涉及面广、难度大。

目前液氧煤油发动机试验用燃气扩压器设计方法主要利用经验方法，进行简单气动计算与结构集成设计，获取扩压器几何形状尺寸与冷却形式，确定扩压器内型面的几何参数，包括扩压器等直段内径，扩压器长度，长径比，面积比，引射间距，冷却水流量、冷却水流通面积，其计算过程如图1所示。

目前液氧煤油发动机试验用燃气扩压器设计方法比较缺少系统理论计算与性能分析，不能进行相关参数优化设计，缺少工艺改进设计方法，缺少综合评估联接强度与内外壁刚度能力，评价扩压器可靠性能力差，从而不能优化扩压器设计参数，进而不能优化扩压器性能。

发明内容

为了解决背景技术中燃气扩压器的设计问题，从而优化扩压器设计参数，提升扩压器性能，本发明专利提供了一种液氧煤油发动机试验用燃气扩压器设计方法。

本发明解决问题的具体技术方案是：

本发明提出了一种液氧煤油发动机试验使用的燃气扩压器设计方法，包括以下步骤：

1)制定扩压器设计要求；所述扩压器设计要求包括发动机喷管燃气出口温度、燃气出口压力、燃气流量、发动机喷管结构尺寸、环境温度、环境压力、模拟高度、模拟真空压力、冷却形式、冷却水流量；

2)扩压器结构参数和性能参数计算；

3)扩压器的性能分析；

3.1)确定进行扩压器性能分析的对象；所述扩压器性能分析的对象包括扩压器内部流场、扩压器外层槽板与筋板以及扩压器内部冷却水通道；

3.2)扩压器内部流场的分析；

3.2.1)创建扩压器内部流场模型；

3.2.2)设置不同引射间距、不同长径比、不同的启动压力对扩压器内部流场模型中的温度场、压力场、速度场进行分析，获取扩压器内部流场模型的满流状态和激波状态；确定适合的引射间距、长径比以及启动压力；

3.3)扩压器外层盖板与筋板的分析；

3.3.1)创建扩压器外层盖板与筋板的有限元模型；

3.3.2)选取不同材料、不同的焊接方式对扩压器外层盖板与筋板的有限元模型的连接强度、连接刚度、应变、力热耦合以及瞬间动力学分析，根据扩压器外层盖板与筋板的有限元模型结构的应变状态、焊接强度、材料特性确定扩压器外层槽板与筋板的材料、厚度；

3.4)扩压器内部冷却水通道的分析；

3.4.1)创建扩压器内部冷却水流通结构有限元模型；

3.4.2)选取不同的流通面积、不同面积分布、不同的槽板结构形式进行应力和应变分析、力热耦合分析以及模态分析；获取扩压器内部冷却水流通结构有限元模型的冷却水流通的温升变形、应变分布以及应力分布；确定扩压器内部冷却水流通结构有限元模型的冷却水通道的流通面积、分布数量以及结构形式；

4)扩压器的加工与装配；

扩压器的加工与装配包括对内层、筋板、盖板、进水集液环、出水集液环、间隙调节装置的加工以及着色检验、水压试验、表面处理、测点安装、进水管与出水管的安装。

上述扩压器结构参数包括扩压器内径、扩压器长径比；

所述扩压器性能参数包括燃气扩压器的换热参数、沿程阻力损失、冷却水流量、冷却水通道高度以及扩压器壁温。

本发明的优点在于：

1、具有集成化设计方法

有结构参数与性能参数计算过程的集成，实现扩压器设计过程计算过程系统化与流程化，减少无关计算环节，改进与精简计算流程，使扩压器计算清晰与简化。

2、实现理论计算与仿真验证相结合

在理论计算结构参数与性能参数基础上，实现扩压器内部流场分析与结构强度分析，分析扩压器力热耦合特性，验证与分析扩压器结构参数与性能参数选取的合理性，评价扩压器性能与结构特性，实现对计算结果的佐证与支撑，避免扩压器加工的缺陷。

3、优化设计方法

通过对扩压器结构特点与流通面积的分析，合理选取扩压器冷却流通面积与冷却结构，实现冷却效果优化以及结合结构补偿，实现扩压器结构补偿能力的结构设计方法，提升了扩压器冷却效果。

4、设计了加工改进方法

在扩压器加工过程中，采用对称布局与交互加工方法，实现加工过程的稳定与均衡，减少加工过程的变形与残余应力，降低焊接尺寸收缩，更好满足扩压器设计的尺寸要求与形状要求，从而更好保证扩压器性能与可靠性。

附图说明

图1是本发明的流程图。

具体实施方式

本实用新型为了解决背景技术中燃气扩压器的设计，包括结果优化设计和性能仿真，现提出一种发动机试验用燃气扩压器设计方法。如图1所示，包括以下步骤：

步骤1)制定扩压器设计要求

根据液氧煤油发动机性能参数，例如喷管尺寸、燃气流量、燃气温度、摩尔数、燃气压力等，结合试验台特点与结构形式，确定扩压器设计设计范围、模拟能力、内径范围、冷却水流量。

步骤2)扩压器结构参数和性能参数计算

进行扩压器气动计算，确定扩压器内型面的几何参数，包括扩压器内径、扩压器长径比、燃气扩压器的换热参数、沿程阻力损失、冷却水通道高度、扩压器壁温，得到扩压器结构参数和性能参数。

①扩压器内径计算

A_d为扩压器入口端面积，按一元等熵流计算气流自由膨胀到扩压器入口端A_d时的M_d：

其中：P_c为燃烧室压力，MPa，k为绝热系数。

扩压器面积比ε为：

其中：ε为喷管面积比；A^*为喷管喉部面积。

计算得出的直径D_d应向上圆整。考虑到扩压器的制造误差，吊装需要和试车过程中的变形、振动等，喷管最大外径D_emax与扩压器之间的间隙不应小于40～50mm，即：

D_d≥D_emax+(80～100mm)

②扩压器长径比计算

扩压器最小燃烧室压力P_min为：

其中：P_c为燃烧室压力，MPa；P_am为大气压力。

启动压力比为：

根据国外试验和国内试验，直筒型扩压器与发动机喷管扩张角度存在一定关系。扩压器长径比L/D的推荐数据可以根据表1(Q/Tm828-96)查到：

表1 L/D选取推荐数据表

其中：为启动压力比。

③燃气扩压器的换热参数计算

通过燃气扩压器的换热计算，确定扩压器内部燃气热流特性，结合对流热流计算，并通过流场参数计算，确定扩压器的冷却水流阻、冷却水压力、气液壁温度，评估扩压器冷却效果。

扩压器入口端参数燃气总温T₀₂为：

其中：T_e为喷管出口温度，根据推力室出口设计参数取值。

燃气向扩压器传递热量的主要形式包括对流热流与辐射热流。液壁对冷却水燃气放热系数a_g可以根据简化的巴尔兹板经验公式计算：

其中:C_p为混合气体定压比热容，C_p＝1738.06J/kg.℃；g为重力加速度；u为动力粘度，取86.33×10^-6N.s/m²；d为扩压器水力直径，m；P为普朗特数；k为平均绝热指数；G_Z为混合气体总流量；T_k为燃气滞止温度，即4355.52K；T_f定性温度，T_f＝(T_k+T_e)/2；T_bg为内壁温度，当选用0Cr18Ni10Ti作为材料时，取773K。

对流热流密度q₁为：

q₁＝a_g(T_k-T_bg)

其中：a_g为燃气放热系数，计算得出1.44×10⁶J/m²h。

由于燃气温度很高，在扩压器出口端燃气温度接近滞止温度，静压接近于大气压，辐射交换很强烈。燃气的主要辐射气体是水蒸气和二氧化碳。二氧化碳的辐射热流为：

水蒸气的辐射热流为：

其中：为二氧化碳的分压，取15.94kPa。

辐射热流密度q₂为：

总平均热流计算q_m为：

q_m＝q₁+q₂

根据美国大力神实测燃气密度比计算燃气密度大1.74，以及北京101所采用2倍多值，因此有必要可达2-3倍作为总平均热流密度的设计值(根据二次喉道扩压器设计规范(Q/Tm 871-97)；二次喉道扩压器的研制(HT-860379M))，在此取2。

④沿程阻力损失：

沿程阻力与相对粗糙度有关，沿程阻力系数λ为：

其中：d_ε为通道水力半径，为截面积除以周长，mm；k为工业管道定量粗糙度高度。

需要克服流阻的冷却水最小压力为

因此，ξ为总压力系数。

⑤冷却水流量计算：

在稳定传热过程中，燃气传给扩压器气壁的热量被冷却水全部换热吸收，冷却水量为：

其中：A为扩压器内筒面积；C_p为冷却水平均温度下的比热；Δt为温升；为总平均热流密度修正值。

根据扩压器液壁与冷却水之间传递的热流与总平均热流密度q_m相等的原则，进行气液壁的温度计算。

其中：γ_m为冷却水密度。

⑥冷却水通道高度计算

冷却水通道高度h的大小直接影响到冷却通道的面积与流速。h取得过大，为保证水流速不降低，水流量却需要增大；h取得过小，造成扩压器生产与制造难度。根据规范(Q/Tm828-96)，h推荐值为8～15mm之间。

其中：D为环形冷却通道内外径平均值。

⑦扩压器壁温计算

液壁对冷却液的放热系数α_b为：

其中：Z为冷却水的温度变化系数，60℃时Z＝0.1；d为冷却水通道的水力直径；F为冷却水的横截面积；B为冷却水粘度特性值。

液壁温度：

气壁温度：

其中：T_m为冷却水的温升；δ为内层壁厚；λ为材料导热系数；为总平均热流密度修正值。

步骤3)扩压器的性能分析与验证

步骤3.1)确定进行扩压器性能分析的对象；

根据扩压器扩压器内部特点，确定扩压器性能分析的对象与顺序，首先对其扩压器内部流场的分析(即扩压器内部燃气形成的温度场、速度场、压力场)，然后进行扩压器外层槽板与筋板分析，最后对扩压器内部冷却水通道进行分析(包括强度计算、进行不同冷却结构的力热分析与方案验证)；

步骤3.2)扩压器内部流场的分析

步骤3.2.1)创建扩压器内部流场模型；

步骤3.2.2)设置不同引射间距、不同长径比、不同的启动压力对扩压器内部流场模型中的温度场、压力场、速度场进行分析，获取扩压器内部流场模型的满流状态和激波状态；确定适合的引射间距、长径比以及启动压力；

具体做法是：采用FLUENT软件进行计算，通过性能分析，结合发动机试车数据，基于雷诺平均方程和kw-SST湍流模型，采用理想气体模型，扩压器性能仿真主要过程包括对仿真模型构建、不同引射间距、不同长径比、不同启动压力、以及冷却结构的力热耦合特性进行性能仿真，评价与验证扩压器性能参数,获取燃气冷却换热对扩压器内部温度梯度影响关系。

步骤3.3)扩压器外层盖板与筋板的分析；

步骤3.3.1)创建扩压器外层盖板与筋板的有限元模型；

步骤3.3.2)选取不同材料、不同的焊接方式对扩压器外层盖板与筋板的有限元模型的连接强度、连接刚度、应变、力热耦合以及瞬间动力学分析，根据扩压器外层盖板与筋板的有限元模型结构的应变状态、焊接强度、材料特性确定扩压器外层槽板与筋板的材料、厚度；

具体的计算过程是：

a.连接强度计算

根据扩压器结构形式，通过强度计算，确定扩压器外层槽板与筋板的材料、厚度。

作用在焊缝上的总力F为：

其中：L为扩压器冷却长度，mm；Dw为扩压器外壁内径，mm，为设计冷却水压力，MPa。

焊缝总面积A1为：

其中：φ为焊缝系数，取0.8。

焊点数量n为：

n＝A₁/D_s

为了保证隔板内部冷却水的满流，以及减小焊缝拉伸强度，因此隔板数量nmin>10。

b.内外壁刚度计算

根据《GB150-1998钢制压力容器标准》，内壁外侧的筋板与隔板组成了内壁的加强圈，计算得出其理论惯性矩为：

其中：D₀为圆筒直径，mm；E为弹性模量；A为壁厚影响系数。

加强圈的惯性矩需要大于所需最小理论惯性矩，同时根据《GB/T20801.3-2006工业管道设计与计算》，外壁厚度t₁为：

其中：P为承受压力，MPa；D为冷却水流道直径；Y温度对壁厚修正系数；s为焊缝接头强度降低系数取1；φ为焊缝系数，取1。同时考虑圆筒名义厚度，外壁厚度t¹ ₁＝1.3t₁。

步骤3.4)扩压器内部冷却水通道的分析

步骤3.4.1)采用Pro/E建模，基于ANSYS对不同冷却形式(弧形、圆筒形、方形)，创建扩压器内部冷却水流通结构有限元模型；

步骤3.4.2)选取不同的流通面积、不同面积分布、不同的槽板结构形式进行应力和应变分析、力热耦合分析以及模态分析；获取扩压器内部冷却水流通结构有限元模型的冷却水流通的温升变形、应变分布以及应力分布；确定扩压器内部冷却水流通结构有限元模型的冷却水通道的流通面积、分布数量以及结构形式；在满足材料许用强度要求同时，设计具有一定补偿能力冷却通道结构。

4)燃气扩压器的加工与装配

扩压器的加工与装配包括对内层、筋板、盖板、进水集液环、出水集液环、间隙调节装置的加工以及着色检验、水压试验、表面处理、测点安装、进水管与出水管的安装。

扩压器加工工艺采用从内向外展开，具体是：

①内层加工

首先将长钢板卷制成圆筒，在进行焊缝对焊，依次加工四个，卷制成圆筒。然后进行两个圆筒对焊。在两个内筒加工完成后，进行五段内筒焊接工作，其中环焊缝与纵焊缝进行错位，提升内筒结构强度。

②筋板焊接加工

在内筒五段焊接完成基础上，进行筋板焊接加工，首先在圆周方向均分50，每7.2°确定一根筋板，并通过点焊的形式进行定位焊接。筋板采用相互错位的形式，避免焊缝重合，造成结构强度下降；同时筋板与内筒采用断续焊形式，角焊缝形式。同时在筋板上下错开，采用180°相对焊接形式，分段加密形式，完成所有筋板焊接工作，在保证强度同时，避免焊接对内筒影响。

③盖板焊接加工

在筋板焊接完成基础上，进行盖板焊接加工。首先在两个筋板之间，焊接一个盖板；并通过点焊的形式进行定位焊接；同时在盖板上下错开，采用180°相对焊接形式，分段加密形式，并采用筋板两侧焊接方式，减少盖板焊接变形完成所有盖板焊接工作，在保证强度同时，避免焊接对盖板影响。

④进水集液环加工

在盖板焊接完成基础上，完成进水口集液环加工。首先全焊进水口环带，对进水口筋板与盖板进行固定；在集液环内侧焊接加强环与加强筋。由于是全焊接形式，其内部加强筋有水道缺口；然后焊接集液环内外侧；焊接集液环板；最后焊接进水口集液环外部加强筋。

⑤出水集液环加工

在进水口集液环焊接完成基础上，完成出水口集液环加工。首先全焊出水口环带，对出水口筋板与盖板进行固定；在集液环内侧焊接加强环；然后焊接集液环内外侧；焊接集液环板；最后焊接出水口集液环两侧外部加强筋。

⑥着色检验与水压试验与出厂验收

对所有焊缝进行着色检验，确保焊缝质量；同时对冷却通道进行水压试验，进行设计压力1.25倍的压力，保压20分钟，观察焊缝处是否有异响、渗水。

⑦外表面酸洗

对外表面采用酸洗膏，进行酸洗，去除表面氧化层与污渍，保证其表面清洁。

⑧测点安装

在进、出水集液环部位安装温度测点与压力测点，用于测量内部冷却水进口压力与温度，出口压力与温度，同时在扩压器中部安装脉动压力测点，用于测量内部冷却水脉动压力情况，同时在扩压器入口不问安装真空压力测点，用于测控扩压器入口模拟高度。

⑨进水管与出水管的安装

扩压器安装结束后，需要对现有冷却水管对接，安装进出水管，同时需要固定于支架中，同时应约束轴向与径向位移。最后进行放水调试，检查扩压器安装状态。

Claims (2)

1.一种液氧煤油发动机试验使用的燃气扩压器设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)制定扩压器设计要求；所述扩压器设计要求包括发动机喷管燃气出口温度、燃气出口压力、燃气流量、发动机喷管结构尺寸、环境温度、环境压力、模拟高度、模拟真空压力、冷却形式、冷却水流量；

2)扩压器结构参数和性能参数计算；

3)扩压器的性能分析；

3.1)确定进行扩压器性能分析的对象；所述扩压器性能分析的对象包括扩压器内部流场、扩压器外层槽板与筋板以及扩压器内部冷却水通道；

3.2)扩压器内部流场的分析；

3.2.1)创建扩压器内部流场模型；

3.2.2)设置不同引射间距、不同长径比、不同的启动压力对扩压器内部流场模型中的温度场、压力场、速度场进行分析，获取扩压器内部流场模型的满流状态和激波状态；确定适合的引射间距、长径比以及启动压力；

3.3)扩压器外层盖板与筋板的分析；

3.3.1)创建扩压器外层盖板与筋板的有限元模型；

3.3.2)选取不同材料、不同的焊接方式对扩压器外层盖板与筋板的有限元模型的连接强度、连接刚度、应变、力热耦合以及瞬间动力学分析，根据扩压器外层盖板与筋板的有限元模型结构的应变状态、焊接强度、材料特性确定扩压器外层槽板与筋板的材料、厚度；

3.4)扩压器内部冷却水通道的分析；

3.4.1)创建扩压器内部冷却水流通结构有限元模型；

3.4.2)选取不同的流通面积、不同面积分布、不同的槽板结构形式进行应力和应变分析、力热耦合分析以及模态分析；获取扩压器内部冷却水流通结构有限元模型的冷却水流通的温升变形、应变分布以及应力分布；确定扩压器内部冷却水流通结构有限元模型的冷却水通道的流通面积、分布数量以及结构形式；

3.5)扩压器内部流场的验证；

4)扩压器的加工与装配；

扩压器的加工与装配包括对内层、筋板、盖板、进水集液环、出水集液环、间隙调节装置的加工以及着色检验、水压试验、表面处理、测点安装、进水管与出水管的安装。

2.根据权利要求1所述的液氧煤油发动机试验使用的燃气扩压器设计方法，其特征在于：

所述扩压器结构参数包括扩压器内径、扩压器长径比；

所述扩压器性能参数包括燃气扩压器的换热参数、沿程阻力损失、冷却水流量、冷却水通道高度以及扩压器壁温。