CN108757223B - 用于考核复合材料抗氧化烧蚀性能的推力室结构及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于考核复合材料抗氧化烧蚀性能的推力室结构及方法，属于航空航天发动机领域。所述推力室结构，包括依次同轴连接的喷注器(1)、第一身部(2)、第二身部(3)及收敛段(4)，所述第一身部(2)和第二身部(3)均为空心圆柱结构，所述第一身部(2)及收敛段(4)均为金属材质，所述第一身部(2)设有冷却介质通道，所述第二身部(3)为复合材料材质，所述收敛段(4)为空心结构。本发明通过燃烧室压力模拟实际的使用环境压力，降低了对燃料和氧化剂供应能力的要求，节约了考核成本且可以随时、长时间对复合材料性能进行考核，考核结果准确。

Description

用于考核复合材料抗氧化烧蚀性能的推力室结构及方法
技术领域
本发明涉及一种用于考核复合材料抗氧化烧蚀性能的推力室结构及方法，属于航空航天发动机领域。
背景技术
碳碳复合材料是指碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料。而碳陶复合材料则是以碳纤维的三维毡体作为增强骨架，以碳化硅陶瓷作为连续基体的一类新型复合材料。二者均具有高强度，低密度、耐高温、抗氧化烧蚀以及较低膨胀系数等优点，最高工作温度已达2600℃被认为是目前最有发展前途的高温材料。目前，碳碳复合材料和碳陶复合材料在超燃冲压发动机进气道及燃烧室、固体火箭发动机喉衬、液体火箭发动机喷管以及飞行器前缘热防护系统等领域已得到广泛应用。
虽然碳碳或碳陶复合材料具有诸多优良的高温性能，但在高温有氧环境下容易发生氧化烧蚀，导致材料性能急剧下降。因而需要在投入应用之前，需要对复合材料的抗氧化烧蚀性能进行考核。目前可行的复合材料抗氧化烧蚀性能考核方法有三种：搭载火箭发动机试车、电弧风洞烧蚀试验和氧乙炔烧蚀试验。搭载火箭发动机试车所模拟的环境最准确，但成本也最高且试车机会极少；电弧风洞加水困难，难以准确模拟喷管内的燃气组分；氧乙炔烧蚀试验燃气组分单一，且无法模拟燃气的高速环境，参考意义有限；此外，前两种方法对燃料和氧化剂的供应能力也有较高的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种用于考核复合材料抗氧化烧蚀性能的推力室结构及方法，通过燃烧室压力模拟实际的使用环境压力，降低了对燃料和氧化剂供应能力的要求，节约了考核成本且可以随时、长时间对复合材料性能进行考核，考核结果准确。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种用于考核复合材料抗氧化烧蚀性能的推力室结构，包括依次同轴连接的喷注器1、第一身部2、第二身部3及收敛段4，所述第一身部2和第二身部3均为空心圆柱结构，所述第一身部2及收敛段4均为金属材质，所述第一身部2设有冷却介质通道，所述第二身部3为复合材料材质，所述收敛段4为空心结构。
在一可选实施例中，所述第一身部2包括贴合的内壁和外壁，所述内壁上设有多条沿轴向延伸的沟槽，以形成所述冷却介质通道。
在一可选实施例中，所述内壁为铜材质，所述外壁为不锈钢材质，所述内壁和外壁通过焊接的方式贴合。
在一可选实施例中，所述沟槽的槽壁上设有冷凝介质通孔，所述冷凝介质通孔位于所述第一身部2与所述第二身部3相接的一端，且连通所述沟槽与所述第二身部3的内腔。
在一可选实施例中，所述第二身部3由至少两段空心圆柱体连接而成，且各段厚度不同。
在一可选实施例中，所述第二身部3两端分别通过法兰盘与所述第一身部2和所述收敛段4连接。
在一可选实施例中，所述第二身部3由至少三段空心圆柱体连接而成，且各段厚度不同，厚度最厚的两段位于两端。
在一可选实施例中，所述喷注器1为三底两腔式结构或四底三腔式结构。
在一可选实施例中，所述收敛段4大端为圆形开口，小端为矩形开口。
一种用于考核复合材料抗氧化烧蚀性能的方法，包括：
通过推力室结构模拟复合材料的使用环境，所述推力室结构包括依次同轴连接的喷注器、第一身部、第二身部及收敛段，所述第一身部和第二身部均为空心圆柱结构，所述第一身部及收敛段均为金属材质，所述第一身部设有冷却介质通道，所述第二身部为复合材料材质，所述收敛段为空心结构，考核时，通过所述喷注器将一定混合比的燃料和氧化剂混合雾化，点火后在所述第一身部充分燃烧形成所需模拟的燃气环境，考核所述第二身部在所述燃气环境下的抗氧化烧蚀性能,燃烧后的尾气从所述收敛段排出。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明实施例提供的用于考核复合材料抗氧化烧蚀性能的推力室结构，通过将推力室身部设计成待考核的复合材料段(第二身部)和水冷段(第一身部)，通过复合材料段的烧蚀情况对相同使用环境下的复合材料抗氧化烧蚀性能进行评价，可以通过燃烧室(第一身部和第二身部)压力模拟实际的使用环境压力，从而降低了对燃料和氧化剂供应能力的要求，节约了考核成本且可以随时、长时间对复合材料性能进行考核；考核时，通过喷注器混合雾化燃料和氧化剂，点火后，第一身部确保燃料和氧化剂在进入第二身部之前完全燃烧，在第一身部形成所需模拟的燃气环境，通过调节燃料和氧化剂种类及混合比，能够保证对除压力以外的燃气环境的准确模拟，同时，第一身部可以避免燃烧不完全引起的燃气温度不均对考核的影响，确保环境模拟的准确性，提高了考核结果的可靠性；
(2)收敛段为所述圆转方结构，推力室结构还可以对平板结构复合材料进行考核；
(3)通过将第一身部设计成内外壁的结构形式，并在内壁上设置沟槽，既提高了冷却效果，又确保了第一身部结构的可靠性；
(4)通过在沟槽槽壁上设置冷凝介质通孔，使冷凝介质沿该通孔流入第二身部内腔，并沿内腔壁流动，从而准确模拟实际使用环境中复合材料喷管近壁区可能出现的冷凝水，进一步提高了模拟环境的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的推力室结构半剖结构示意图；
图2为本发明实施例提供的第一身部内壁剖面结构示意图；
图3为本发明实施例提供的第一身部和第二身部相接处的局部剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
参见图1，本发明实施例提供了一种用于考核复合材料抗氧化烧蚀性能的推力室结构，包括依次同轴连接的喷注器1、第一身部2、第二身部3及收敛段4，第一身部2和第二身部3均为空心圆柱结构，第一身部2及收敛段4均为金属材质，第一身部2设有冷却介质通道，第二身部3为复合材料材质，收敛段4为空心结构。
具体地，本发明实施例中，喷注器1优选不锈钢材质，可以为三底两腔式结构或四底三腔式结构形式的喷注器，喷嘴可以为同轴直流式或离心式喷嘴，本发明不作限定，三底两腔式结构较为简单，能满足一般使用环境的模拟需求；最优选四底三腔式结构，通过选择四底三腔式喷注器结构，可以增加氧化剂种类，从而实现对燃气组分的调节，进一步提高了环境模拟的准确性；喷注器喷嘴优选同轴直流式喷嘴。
本发明实施例中，喷注器1、第一身部2、第二身部3及收敛段4之间优选通过法兰盘连接，以便于拆卸检查烧蚀情况以及更换组件；所述冷却介质可以为水、液氢、煤油等；由于近壁区可能存在燃气冷凝甚至结冰的现象，为模拟冷凝水对材料抗氧化烧蚀性能的影响，冷凝介质优选冷凝水，水冷身部(第一身部)可以同时具备向下游身部(第二身部)喷水的功能，以模拟复合材料所制喷管入口近壁区可能形成的冷凝水，进一步地提高模拟环境的准确性；
本发明实施例中，收敛段4可以为空心回转体结构或者大端开口为圆形小端开口为矩形的圆转方结构，本发明不作限定；在一可选实施例中，收敛段4为所述圆转方结构，以使推力室结构可以对平板结构复合材料进行考核。考核方法为，在收敛段4的矩形出口处，沿轴向方向放置平板结构复合材料，利用从矩形出口处喷出的燃气模拟其使用环境；为给收敛段 4降温，收敛段可以设置冷却介质通道；
本发明实施例中，第二身部3采用的是待考核复合材料，例如碳碳复合材料或碳/碳化硅复合材料，使用本发明实施例提供的推力室结构对复合材料抗氧化烧蚀性能进行考核时，通过所述喷注器1将一定混合比的燃料和氧化剂混合雾化，点火后在第一身部2充分燃烧形成所需模拟的燃气环境，使第二身部2内壁面的温度与实际使用环境下内壁面温度相当，考核所述第二身部3在所述燃气环境下的抗氧化烧蚀性能,燃烧后的尾气从所述收敛段4排出。
本发明实施例提供的用于考核复合材料抗氧化烧蚀性能的推力室结构，通过将推力室身部设计成待考核的复合材料段(第二身部3)和水冷段(第一身部2)，通过复合材料段的烧蚀情况对相同使用环境下的复合材料抗氧化烧蚀性能进行评价，可以通过燃烧室(第一身部2和第二身部3)压力模拟实际的使用环境压力，从而降低了对燃料和氧化剂供应能力的要求，节约了考核成本且可以随时、长时间对复合材料性能进行考核；考核时，通过喷注器混合雾化燃料和氧化剂，点火后，第一身部确保燃料和氧化剂在进入第二身部之前完全燃烧，在第一身部形成所需模拟的燃气环境，通过调节燃料和氧化剂种类及混合比，能够保证对除压力以外的燃气环境的准确模拟，同时，第一身部可以避免燃烧不完全引起的燃气温度不均对考核的影响，确保环境模拟的准确性，提高了考核结果的可靠性。
进一步地，参见图2，本发明实施例提供的第一身部2包括贴合的内壁21和外壁22，内壁21上设有多条沿轴向延伸的沟槽，以形成所述冷却介质通道；具体地，本发明实施例中，优选多条沟槽沿内壁21周向均匀设置；内壁21和外壁22可以通过焊接、耐高温胶黏剂粘接、吸附等方式贴合连接，本发明不作限定，收敛段4也设有相似的冷却结构，如图2所示，包括收敛段内壁41和收敛段外壁42；通过将第一身部和收敛段设计成内外壁的结构形式，并在内壁上设置沟槽，既提高了冷却效果，又确保了第一身部结构的可靠性；
在一可选实施例中，第一身部的内壁21为铜材质，外壁22为不锈钢材质，内壁21和外壁22通过焊接的方式贴合，既确保第一身部能够承受较高的温度，又保证其具有较高的强度。
进一步地，参见图2，沟槽的槽壁上设有冷凝介质通孔，冷凝介质通孔位于第一身部2与第二身部3相接的一端，且如图3所示，连通沟槽与第二身部3的内腔。通过在沟槽槽壁上设置冷凝介质通孔，使冷凝介质沿该通孔流入第三身部内腔，并沿内腔壁流动，从而准确模拟实际使用环境中复合材料喷管近壁区可能出现的冷凝水，进一步提高了模拟环境的准确性。在一可选实施例中，如图1所示，第二身部3由至少两段空心圆柱体连接而成，且各段厚度不同。通过将第二身部设计成多台阶壁厚，以实现在不同的热流密度和气壁温环境下进行考核。在一可选实施例中，各段长度优选40-60mm，既便于加工又能保证第二身部具有良好的力学环境。
在一可选实施例中，如图1所示，第二身部3两端分别通过法兰盘与第一身部2和收敛段4连接，如图1所示，所述法兰盘为榫槽式结构并通过在槽底设置石墨圈进行密封。第二身部3包括由至少三段空心圆柱体连接而成，且各段厚度不同，厚度最厚的两段位于两端。通过将壁厚较厚的两段设置在两端，可以避免由于法兰盘附近应力集中导致的第二身部结构破坏，提高了考核的安全性。
本发明实施例还提供了一种用于考核复合材料抗氧化烧蚀性能的方法，包括：
通过推力室结构模拟复合材料的使用环境，包括所述推力室结构包括依次同轴连接的喷注器1、第一身部、第二身部3及收敛段4，第一身部2 和第二身部3均为空心圆柱结构，第一身部2及收敛段4均为金属材质，第一身部2和收敛段4设有冷却介质通道，所述第二身部3为复合材料材质，所述收敛段4为空心结构，考核时，通过所述喷注器1将一定混合比的燃料和氧化剂混合雾化，点火后在第一身部2充分燃烧形成所需模拟的燃气环境，考核所述第二身部3在所述燃气环境下的抗氧化烧蚀性能,燃烧后的尾气从所述收敛段4排出。
具体地，本发明实施例中，所述燃料可以为氢气、煤油或酒精等，所述氧化剂可以为氧气、空气等，本发明不作限定；
本发明方法实施例所用推力室结构由上述结构实施例提供，具体描述及效果参见上述实施例，在此不再赘述。
在一可选实施例中，喷注器1为四底三腔式结构，将一定混合比的燃料、氧气及空气进行混合雾化，通过调节空气的流量可以实现对燃气组分中氧气含量的调节，同时由于空气含有其他气体成分，避免了由于氧气含量过高导致的燃烧室温度过高的问题。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种用于考核复合材料抗氧化烧蚀性能的推力室结构，其特征在于，包括依次同轴连接的喷注器(1)、第一身部(2)、第二身部(3)及收敛段(4)，所述第一身部(2)和第二身部(3)均为空心圆柱结构，所述第一身部(2)及收敛段(4)均为金属材质，所述第一身部(2)设有冷却介质通道，所述第二身部(3)为复合材料材质，所述收敛段(4)为空心结构，所述第一身部(2)包括贴合的内壁和外壁，所述内壁上设有多条沿轴向延伸的沟槽，以形成所述冷却介质通道，所述沟槽的槽壁上设有冷凝介质通孔，所述冷凝介质通孔位于所述第一身部(2)与所述第二身部(3)相接的一端，且连通所述沟槽与所述第二身部(3)的内腔。
2.根据权利要求1所述的用于考核复合材料抗氧化烧蚀性能的推力室结构，其特征在于，所述内壁为铜材质，所述外壁为不锈钢材质，所述内壁和外壁通过焊接的方式贴合。
3.根据权利要求1所述的用于考核复合材料抗氧化烧蚀性能的推力室结构，其特征在于，所述第二身部(3)由至少两段空心圆柱体连接而成，且各段厚度不同。
4.根据权利要求1或3所述的用于考核复合材料抗氧化烧蚀性能的推力室结构，其特征在于，所述第二身部(3)两端分别通过法兰盘与所述第一身部(2)和所述收敛段(4)连接。
5.根据权利要求4所述的用于考核复合材料抗氧化烧蚀性能的推力室结构，其特征在于，所述第二身部(3)由至少三段空心圆柱体连接而成，且各段厚度不同，厚度最厚的两段位于两端。
6.根据权利要求1所述的用于考核复合材料抗氧化烧蚀性能的推力室结构，其特征在于，所述喷注器(1)为三底两腔式结构或四底三腔式结构。
7.根据权利要求1所述的用于考核复合材料抗氧化烧蚀性能的推力室结构，其特征在于，所述收敛段(4)大端为圆形开口，小端为矩形开口。
8.一种用于考核复合材料抗氧化烧蚀性能的方法，其特征在于，包括：
通过推力室结构模拟复合材料的使用环境，所述推力室结构包括依次同轴连接的喷注器、第一身部、第二身部及收敛段，所述第一身部和第二身部均为空心圆柱结构，所述第一身部及收敛段均为金属材质，所述第一身部设有冷却介质通道，所述第二身部为复合材料材质，所述收敛段为空心结构，所述第一身部包括贴合的内壁和外壁，所述内壁上设有多条沿轴向延伸的沟槽，以形成所述冷却介质通道，所述沟槽的槽壁上设有冷凝介质通孔，所述冷凝介质通孔位于所述第一身部与所述第二身部相接的一端，且连通所述沟槽与所述第二身部的内腔，考核时，使冷凝介质沿该通孔流入第二身部内腔，并沿内腔壁流动，通过所述喷注器将一定混合比的燃料和氧化剂混合雾化，点火后在所述第一身部充分燃烧形成所需模拟的燃气环境，考核所述第二身部在所述燃气环境下的抗氧化烧蚀性能,燃烧后的尾气从所述收敛段排出。
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