CN113266492A - 发动机推力室、火箭发动机、液体火箭 - Google Patents

Abstract

本发明涉及火箭发动机技术领域，具体涉及一种发动机推力室、火箭发动机、液体火箭。一种发动机推力室包括：壳壁，其内间隔设置有若干流道，流道适于在燃气的流通方向上延伸；壳壁还包括：第一进口和第一出口，第一进口和第一出口分别设置在流道的两端；分隔件，设置在两相邻的流道之间；发动机推力室还包括：液冷模块，设置在壳壁上，其上设置有至少一第一腔室，第一腔室与至少一个流道连通；其中，分隔件上设置有液冷通道，液冷通道的一端与第一腔室连通，另一端连通于燃烧室。本发明中在燃烧室的内壁上形成贴壁的冷却液膜，将燃烧室内的高温与腔壁间实现隔离，避免发动机推力室腔壁位置处受高温影响而缩短使用寿命甚至熔化的问题。

Description

发动机推力室、火箭发动机、液体火箭

技术领域

本发明涉及火箭发动机技术领域，具体涉及一种发动机推力室、火箭发动机、液体火箭。

背景技术

推力室是液体火箭发动机的核心部件，液体火箭推进剂燃料通过喷注器进入燃烧室，雾化、混合、燃烧，产生高温高压燃气，将化学能转化为热能，再由喷管高速喷出转化动能，从而产生驱动火箭上升的推力。由于推力室内承载着高温、高压、高速燃气，推力室内的燃气温度高达3500℃，燃气压力普遍在10MPa左右，最高可达30MPa。上述的高温高压环境会导致推力室的腔体受损甚至出现熔化的风险。

发明内容

因此，为了解决上述问题，本发明提供一种发动机推力室、火箭发动机、液体火箭。

为了解决上述问题，本发明提供了一种发动机推力室，包括：壳壁，其内间隔设置有若干流道，所述流道适于在燃气的流通方向上延伸；所述壳壁还包括：第一进口和第一出口，所述第一进口和所述第一出口分别设置在所述流道的两端；分隔件，设置在两相邻的所述流道之间；所述发动机推力室还包括：液冷模块，设置在所述壳壁上，其上设置有至少一第一腔室，所述第一腔室与至少一个所述流道连通；其中，所述分隔件上设置有液冷通道，所述液冷通道的一端与所述第一腔室连通，另一端连通于燃烧室。

可选地，所述壳壁包括一体成型的外壁和内壁，所述流道设置在所述外壁和所述内壁之间。

可选地，在所述外壁的周向上设置有若干引流孔，所述引流孔与所述流道一一对应设置，所述引流孔分别连通于所述第一腔室和所述流道。

可选地，所述引流孔的直径小于等于所述流道的截面直径。

可选地，所述液冷模块还包括：

第二腔室，环设在所述外壁上，且与所述液冷通道连通；

节流通道，连通于所述第二腔室和所述第一腔室；

节流元件，设置在所述节流通道内，以调节所述第一腔室流向所述第二腔室的冷却液流量。

可选地，所述节流元件具有节流部，所述节流部的外周面与所述节流通道的内周面间构成节流间隙，所述节流部可调节所述节流间隙的尺寸。

可选地，所述节流元件处的冷却剂流量与所述节流间隙间满足如下公式：

可选地，所述液冷模块一体成型在所述外壁上。

可选地，所述液冷通道的截面直径小于所述分隔件的宽度。

可选地，所述液冷通道的轴向方向与所述燃烧室的内壁型面母线的夹角范围为大于等于0度小于等于30度。

本发明还提供了一种火箭发动机，包括：上述中任一项所述的发动机推力室。

本发明还提供了一种液体火箭，包括：上述中所述的火箭发动机。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明中的发动机推力室包括：壳壁，其内间隔设置有若干流道，流道适于在燃气的流通方向上延伸；壳壁还包括：第一进口和第一出口，第一进口和第一出口分别设置在流道的两端；分隔件，设置在两相邻的流道之间；发动机推力室还包括：液冷模块，设置在壳壁上，其上设置有至少一第一腔室，第一腔室与至少一个流道连通；其中，分隔件上设置有液冷通道，液冷通道的一端与第一腔室连通，另一端连通于燃烧室。

本发明中在壳壁内形成若干流道，冷却液经第一进口进入到流道中，从第一出口中流出。同时在壳壁上设置液冷模块，流道中的冷却液在压力的作用下可进入到液冷模块的第一腔室中，第一腔室与液冷通道连通，液冷通道的出口端与燃烧室连通，在压力的作用下，第一腔室内的冷却液经液冷通道喷出，在燃烧室的内壁上形成贴壁的冷却液膜，将燃烧室内的高温与腔壁间实现隔离，避免发动机推力室腔壁位置处受高温影响而缩短使用寿命甚至熔化的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的实施例1中发动机推力室的轴向截面图；

图2为图1中A－A处的剖面图；

图3为本发明提供的实施例中的液冷模块的剖视图；

图4为本发明提供的实施例中的液冷通道的位置示意图。

附图标记说明：

1－壳壁；11－流道；12－第一进口；13－第一出口；14－分隔件；15－外壁；16－内壁；17－引流孔；141－液冷通道；

2－液冷模块；21－第一腔室；22－第二腔室；23－节流通道；24－节流元件；

3－燃烧室。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

如图1到图4所示，为本实施例提供的一种发动机推力室，包括：壳壁1，其内间隔设置有若干流道11，流道11适于在燃气的流通方向上延伸；壳壁1还包括：第一进口12和第一出口13，第一进口12和第一出口13分别设置在流道11的两端；分隔件14，设置在两相邻的流道11之间；发动机推力室还包括：液冷模块2，设置在壳壁1上，其上设置有至少一第一腔室21，第一腔室21与至少一个流道11连通；其中，分隔件14上设置有液冷通道141，液冷通道141的一端与第一腔室21连通，另一端连通于燃烧室3。

基于推力室的冷却方式，现有技术中常用的冷却手段有再生冷却、排放冷却、液膜冷却、气膜冷却等。本实施例中采用的是再生冷却和夜膜冷却相结合的方式。下面对再生冷却和夜膜冷却作出阐述：

再生冷却即冷却剂(通常为推进剂的燃料剂)流经燃烧室内外壁之间的夹层冷却通道，通过对燃烧室内壁面的对流换热，带走热量使燃烧室内壁温降到材料使用温度范围内，同时冷却剂吸收热量升温，但这部分吸收的热量并没有浪费，而是通过提升推进剂的焓值回到喷注器，并在燃烧中释放出来，即使得从燃烧室内壁吸收的能量又回到燃烧室，能量得以再生因此称为再生冷却。

液膜冷却是利用少量的冷却燃料剂从喷注器的边缘或者身部适当的地方，以贴近燃烧壁面的方式喷出，形成贴壁的冷却液膜，把燃气与内壁隔开。

对应到本实施例中的产品结构为：

参见图1和图2所示，推力室的壳壁1上加工有若干流道11，若干流道11沿壳壁11的周向方向间隔分布，并沿着燃气流通的方向延伸，在流道11的两端口处分别设置有第一进口12和第一出口13，冷却液在泵压等压力的作用下经第一进口12流入到流道11中，从第一出口13流出。冷却液在流道11中流动的过程中，燃烧室中的热量通过壳壁1传导向冷却液，热量被冷却液吸收，吸收的热量通过提升推进剂的焓值回到喷注器中，并在燃烧中释放出来，进而完成再生冷却的过程。

流道11的轴向截面形状可为三角形、圆形、方形或者其他异形孔的样式，本实施例中优选圆形，其加工简单且导流效果好，方便冷却液在流道中流动。参见图2所示，流道11的延伸方向与壳壁1的表面轮廓样式相互适配，以使流道11更加均匀的分布在壳壁1上，以提升冷却效果。

作为变形，流道11的截面尺寸可随着壳壁1的厚度适应性变化，或者是出于加速或者减缓冷却液流动的需要自行设计特殊位置处的流道尺寸。

流道11内的冷却液的流动方向与燃烧室3内的燃气流动方向相反，实现逆流再生冷却。作为变形，流道11内的冷却液的流动方向还可与燃烧室3内的燃气流动方向相同，实现顺流再生冷却。

本实施例中的每一条流道11的两端分别对应设置一第一进口12和一第一出口13，以保证冷却液供应的均匀性和稳定性。第一进口12和第一出口13上可安装相应的管路接口，实现冷却液的管路供应。作为变形，还可在多条流道11的两端设置通槽，通槽上加工第一进口12和第一出口13，以保证多个流道11可共用同一第一进口12和第一出口13，以简化结构设计。为了加注冷却液的便捷性，本实施例中的第一进口12和第一出口13均设置在壳壁1的外表面上。

流道11的实施方式有多种，在其中一些实施方式中，壳壁1可被加工成具有沟槽通道的夹层结构。壳壁1的内壁为导热率高的铜合金材料，外壁为强度较高的高温合金或高强钢材。沟槽通道被分隔件14分隔成一个个小的流道11。分隔件14可采用扩散焊和电铸镍工艺来实现在壳壁1上的固定。扩散焊工艺是利用在一定温度和压力环境下，两个相互接触的金属表层原子相互扩散的原理，从而将两个金属连接在一起。电铸工艺是利用金属离子阴极电沉积原理，在导电芯模(燃烧室内壁)上沉积金属(燃烧室外壁)、合金或复合材料。

本实施例中的壳壁1结构采用激光选区融化增材制造技术(SLM)工艺一体化整体成形，增材制造用粉末材料为高温合金，弥补高温合金材料导热低，再生冷却能力不足的问题。成型时，一体化推力室的一端(一般为燃气出口端)与3D打印设备的基板相连，打印过程由一端开始沿着推力室的轴线方向逐层打印至推力室模型的另一端。增材制造用粉材料牌号为GH3625，粉末颗粒粒度为10～80μm，应能通过No.100#筛，且通过No.100#筛的粉末颗粒重量不少于95％。产品生产工艺流程：采用SLM激光3D打印设备打印→清理产品→热等静压→固溶热处理→表面处理→机械加工→压力试验。具体工艺方法参数：热等静压：温度范围1050～1150℃，压力大于100MPa，保温保压时间3～5h，氩气保护，空冷。固溶热处理：温度范围1080℃～1200℃保温3h、氩气速冷。采用增材制造技术制备壳壁1结构，降低了推力室产品成本，一体化推力室的制造成本约为传统推力室成本的60％；提高了推力室产品的生产效率，通过一体化成形大幅缩减了工艺流程，生产周期减少50％以上；一体化结构设计减少了扩散焊、电子束焊接、氩弧焊、表面处理等人工环节，产品的成品率提高约30％，同时为推力室产品自动化批生产创造了条件。

参见图1所示，在两个相邻的流道11间形成了分隔件14，分隔件14负责将相邻的流道11分隔开。本实施例中在分隔件14内加工液冷通道141，液冷通道141一方面与燃烧室3连通，一方面与液冷模块2中的第一腔室21连通。流道11中的冷却液流入到第一腔室21中，通过液冷通道141喷射到燃烧室3的内壁上，形成液冷隔膜，将燃烧室内的高温与腔壁间实现隔离，避免发动机推力室腔壁位置处受高温影响而缩短使用寿命甚至熔化的问题，进而完成液膜冷却的过程。液膜冷却的冷却剂来源于流道11，由于流道11内的冷却剂压力＞第一腔室21的压力＞燃烧室3内的压力，因此在压力梯度的作用下一小部分冷却剂可以由流道11引流入液冷模块2中。

为了方便后续的阐述，定义壳壁1包括一体成型的外壁15和内壁16，外壁15即为整个推力室的外壳壁，内壁16即为推力室的内壁，流道11设置在外壁15和内壁16之间，分隔件14竖直设置在外壁15和内壁16上。在外壁15的周向上设置有若干引流孔17，引流孔17与流道11一一对应设置，引流孔17分别连通于第一腔室21和流道11。引流孔17沿外壁15的内表面的周向分布，其在外壁15的厚度方向上延伸设置，并贯通外壁15，以连通流道11和液冷模块2中第一腔室21，以实现将流道11中的冷却液导流向第一腔室21中，实现液膜冷却。第一腔室21为沿外壁15的外表面周向罩设的空腔，空腔部分罩设在引流孔17上。需要说明的是，一个第一腔室21可仅对应一个引流孔17或者一个第一腔室21可对应多个引流孔17，以减少液冷模块的数量。进一步地，引流孔17的直径小于等于流道11的截面直径，防止引流孔17分流过多，影响到上述再生冷却的使用。

参见图3所示，本实施例中的液冷模块2还包括：第二腔室22，环设在外壁15上，且与液冷通道141连通，第二腔室22的结构与第一腔室21的结构类似，同样的，一个第二腔室22可对应一条液冷通道141，使得冷却液流量分布更均匀，增强液膜冷却的效果。或者一个第二腔室22对应多条液冷通道141设置，以简化液冷模块2的结构设计。液冷模块2还包括有节流通道23，连通于第二腔室22和第一腔室21，本实施例中的第一腔室21和第二腔室22近似并排设置在外壁15的外表面上，节流通道23被构造为类似三通的结构形式，其一端连通第一腔室21，一端连通第二腔室22，另一端上设置有节流元件24，节流元件24用以调节第一腔室21流向第二腔室22的冷却液流量，且通过调节节流元件增大或减小冷却液流量，以满足推力室不同工作状态的使用需求。进一步地，节流元件24具有节流部，节流部的外周面与节流通道23的内周面间构成节流间隙，节流部可调节节流间隙的尺寸，可通过更换不同直径的节流部的节流元件24，来实现流量的调节。节流元件15采用铜材料机加而成，通过螺纹连接的方式安装在节流通道23中。节流元件15还具有密封部，当节流元件15旋接在节流通道23上时，密封部压接在节流通道23的端口处，实现对节流通道23的密封。为了保证密封效果，密封部上的密封面的粗糙度不大于1.6μm。

液膜冷却剂的流量根据热防护部位的需求而定，一般占流道11内冷却剂总流量的3％～10％，其流量的大小由节流元件24控制。如上述中通过控制节流元件24与节流通道23形成的环形间隙面积来控制液膜冷却液的流量，节流元件24处的冷却剂流量与节流间隙间满足如下公式：

Ql——冷却剂流量；

Cd——流量系数，一般为0.7～0.9；

D1——节流元件24的外径；

D2——节流通道23的内径；

ρ——冷却剂密度。

本实施例中的液冷模块2一体成型在外壁15上，通过一体化、集成化的设计减轻产品重量约10～20％。

进一步地，本实施例中的液冷通道141的截面直径小于分隔件14的宽度，防止液冷通道141过大，导致分隔件14被贯穿，而导致相邻的两条流道11间相互连通。

参见图2所示，液冷通道的轴向方向与燃烧室3的内壁型面母线的夹角β范围为大于等于0度小于等于30度，一般采用10度到20度的范围值，本实施例中采用的是15度，此种角度范围可保证从液冷通道141中出来的冷却液更好地铺设在燃烧室3的内表面上，进而提高冷却液的利用率。

实施例2

本实施例提供了一种火箭发动机，包括上述实施例1中的发动机推力室，且具有其全部的技术优点，在此不再一一赘述。

实施例3

本实施例提供了一种液体火箭，包括上述实施例2中的火箭发动机，且具有其全部的技术优点，在此不再一一赘述。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (12)

1.一种发动机推力室，其特征在于，包括：

壳壁(1)，其内间隔设置有若干流道(11)，所述流道(11)适于在燃气的流通方向上延伸；

所述壳壁(1)还包括：

第一进口(12)和第一出口(13)，所述第一进口(12)和所述第一出口(13)分别设置在所述流道(11)的两端；

分隔件(14)，设置在两相邻的所述流道(11)之间；

所述发动机推力室还包括：

液冷模块(2)，设置在所述壳壁(1)上，其上设置有至少一第一腔室(21)，所述第一腔室(21)与至少一个所述流道(11)连通；

其中，所述分隔件(14)上设置有液冷通道(141)，所述液冷通道(141)的一端与所述第一腔室(21)连通，另一端连通于燃烧室(3)。

2.根据权利要求1所述的发动机推力室，其特征在于，所述壳壁(1)包括一体成型的外壁(15)和内壁(16)，所述流道(11)设置在所述外壁(15)和所述内壁(16)之间。

3.根据权利要求2所述的发动机推力室，其特征在于，在所述外壁(15)的周向上设置有若干引流孔(17)，所述引流孔(17)与所述流道(11)一一对应设置，所述引流孔(17)分别连通于所述第一腔室(21)和所述流道(11)。

4.根据权利要求3所述的发动机推力室，其特征在于，所述引流孔(17)的直径小于等于所述流道(11)的截面直径。

5.根据权利要求2所述的发动机推力室，其特征在于，所述液冷模块(2)还包括：

第二腔室(22)，环设在所述外壁(15)上，且与所述液冷通道(141)连通；

节流通道(23)，连通于所述第二腔室(22)和所述第一腔室(21)；

节流元件(24)，设置在所述节流通道(23)内，以调节所述第一腔室(21)流向所述第二腔室(22)的冷却液流量。

6.根据权利要求5所述的发动机推力室，其特征在于，所述节流元件(24)具有节流部，所述节流部的外周面与所述节流通道(23)的内周面间构成节流间隙，所述节流部可调节所述节流间隙的尺寸。

7.根据权利要求6所述的发动机推力室，其特征在于，所述节流元件(24)处的冷却剂流量与所述节流间隙间满足如下公式：

8.根据权利要求2－7任一项所述的发动机推力室，其特征在于，所述液冷模块(2)一体成型在所述外壁(15)上。

9.根据权利要求1－7中任一项所述的发动机推力室，其特征在于，所述液冷通道(141)的截面直径小于所述分隔件(14)的宽度。

10.根据权利要求1－7中任一项所述的发动机推力室，其特征在于，所述液冷通道的轴向方向与所述燃烧室(3)的内壁型面母线的夹角范围为大于等于0度小于等于30度。

11.一种火箭发动机，其特征在于，包括：

权利要求1-10中任一项所述的发动机推力室。

12.一种液体火箭，其特征在于，包括：

权利要求11中所述的火箭发动机。

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