CN114635812A - 一种推力室热防护结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种推力室热防护结构，涉及液体火箭发动机技术领域，以提高现有推力室热防护的能力。所述的一种推力室热防护结构，包括外壳和内壁，内壁采用耐高温合金材质，内壁与外壳之间形成供冷却液从第二端向第一端流通的冷却槽道，内壁的内表面等离子喷涂有热障涂层。本发明的推力室内壁热防护可靠，内壁采用合金基材结合内壁的热障涂层耐高温性能优于常用的内壁结合镍铬镀层的方案，内壁形成的冷却槽道再生冷却性能高且采用热障涂层防护具有良好的隔热效果与高温抗氧化性能。

Description

一种推力室热防护结构

技术领域

本发明涉及液体火箭发动机技术领域，尤其涉及一种推力室热防护结构。

背景技术

大推力、高室压推力室中，通常燃烧室压力超过10MPa，甚至高达20MPa以上，热流密度高达到35MW/m²。当发动机热流密度增大时，推力室冷却困难，内壁热损伤问题突出，影响可靠工作及寿命。为提高内壁热防护能力，采用高导热率的铜合金(310W/(m·℃)/500℃)的铣槽结构再生冷却方案实现更优的换热冷却，铜合金使用温度超过500℃时强度很低(拉伸强度70～100MPa)且高温抗氧化能力下降，常用的镍铬镀层方案(许用温度约830℃)结合力较差、寿命短、抗高温氧化抗冲刷能力不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种推力室热防护结构，提高现有推力室热防护能力。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种推力室热防护结构，包括：外壳；

内壁，所述内壁采用耐高温合金材质，所述内壁与所述外壳之间形成供冷却液从第二端向第一端流通的冷却槽道，所述内壁的内表面等离子喷涂有热障涂层。

与现有技术相比，本发明的推力室内壁热防护可靠，内壁采用耐高温合金材质结合内表面喷涂的热障涂层可承受1500℃高温，优于现有内表面结合的镍铬镀层，内壁形成的冷却槽道再生冷却性能高且采用热障涂层防护具有良好的隔热效果与高温抗氧化性能。

在一种实现方式中，所述热障涂层包括金属连接层和陶瓷层，所述金属连接层的厚度为50～90μm。

在一种实现方式中，所述冷却槽道的槽深为3.2～6.5mm，所述冷却槽道的槽底厚度为0.9mm～2.5mm。

在一种实现方式中，所述内壁从第一端向第二端包括依次连接的喷注器内壁、燃烧室内壁、收扩段内壁和喷管内壁；所述喷注器内壁的所述热障涂层厚度为220～250μm，所述燃烧室内壁的所述热障涂层厚度为190～220μm，所述喷管内壁的所述热障涂层厚度为190～220μm。

在一种实现方式中，所述收扩段内壁靠近所述燃烧室内壁设置有非喷涂区，所述非喷涂区沿圆周方向设置有冷却液膜环缝出口。

在一种实现方式中，所述热障涂层的热导率1.2～1.6W·mK^-1。

在一种实现方式中，所述内壁与所述热障涂层的结合强度不小于30MPa。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明采用复合冷却结构的涂层使用温度高，具有良好的隔热效果与高温抗氧化、耐腐蚀性能。

(2)本发明涂层相比传统的NiCr镀层，可进一步降低氧化速度，延长涂层的热循环寿命，提高热阻增强隔热能力，从而实现了长寿命、抗冲刷、能多次重复使用，工艺流程简单，耐磨损，热试车后维护处理简单，在推力室热防护应用前景广阔。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的推力室轴向截面图；

图2为本发明的内壁铣槽结构及表面喷涂涂层。

图中：

1-外壳；2-内壁；3-冷却槽道；4-热障涂层；21-喷注器内壁、22-燃烧室内壁、23-收扩段内壁；24-喷管内壁。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1所示,本发明提供了一种推力室,推力室包括外壳1和内壁2，外壳1可以是高强度钢材，内壁2内壁采用耐高温合金材质，可以是高导热率铜合金，承受高压、富氧、高速燃气冲刷，内壁2与外壳1之间形成供冷却液从第二端向第一端流通的冷却槽道3，内壁2的内表面等离子喷涂有热障涂层4。

示例性的，冷却液可采用偏二甲肼，也称1,1-二甲基联氨，分子式(CH3)2NNH2或C2H8N2)，冷却槽道3设置在外壳1和内壁2之间，结构为：圆周均布在内壁2外表面的多个螺旋肋条，相邻两个螺旋肋条之间以及该两个螺旋肋条之间的内壁2外表面、外壳1的内壁形成冷却槽道3，将冷却槽道3设置为螺旋通道，增加冷却液流通时间，提高冷却效果。

本发明基于铜合金内壁形成的冷却槽道的薄壁高肋结构具有受热易变形、涂层应力变化导致局部剥落的问题，提出一种基于铜合金、高性能涂层热防护结构，高导热率的铜合金(310W/(m·℃)/500℃)内壁外表面与外壳形成冷却槽道提高了换热冷却能力，内表面热喷涂低热导率的热障涂层，达到良好的隔热效果与高温抗氧化、耐腐蚀性能，实现了高压推力室的可靠防护。

具体的，热障涂层4包括金属连接层和陶瓷层，金属连接层的厚度为50～90μm，在本实施例中，金属连接层为NiCrAlY，陶瓷层为ZrO₂，采取内孔喷涂的方式，喷枪由喷管内壁24的大端即内壁2的第二端开口处伸入，对内壁进行喷涂。

如图2所示，具体的，内壁2包括喷注器内壁21、燃烧室内壁22、收扩段内壁23和喷管内壁24，根据薄壁高肋的结构受热、与涂层应力变化情况、结合强度评估，设计喷注器内壁21的热障涂层4厚度为220～250μm，燃烧室内壁22的热障涂层4厚度为190～220μm，喷管内壁24的热障涂层4厚度为190～220μm。

在本实施例中，由于推力室不同部位的内壁厚度不同，冷却槽道3的槽底厚度E为0.9mm～2.5mm，冷却槽道3的槽深H为3.2～6.5mm。由于热障涂层厚度为设计关键，过厚则热量无法及时由内壁传递至再生冷却液，过薄则无法有效隔热。

在此情况下，通过对内壁2不同区域的冷却槽道3的槽底厚度、槽深及热障涂层4的厚度优化设计，即铜合金基材的底层NiCrAlY+面层ZrO₂匹配，通过传热仿真迭代分析，实现了高压推力室内壁在高温(燃气温度1500℃)、高速燃气冲刷(燃气流速度达到数千米每秒)、高热流(最高热流密度30MW/m²)下结构可靠热防护。

如图2所示，收扩段内壁23靠近燃烧室内壁22设置有非喷涂区，非喷涂区沿圆周方向设置有冷却液膜环缝出口，非喷涂区宽度F为20～30mm，在喷涂时采用专用防护保证在冷却液膜下游的倾斜锥段15～20mm范围内不喷涂。

在一些实施例中，热障涂层4的热导率1.2～1.6W·mK-1。采用铜合金内壁结合内表面的热障涂层可承受1500℃高温，相比现有的铜合金内壁结合镍铬镀层，可承受的工作压力提高1.3-1.5倍，热流温度提高1.3倍。

在一些实施例中，热障涂层4按照航空工业标准HB5476-91《热喷涂涂层结合强度试验方法》中的拉伸试验法进行测试，内壁与热障涂层的结合强度不小于30MPa。

在一些实施例中，热障涂层4采用水冷热震试验测试，试件升温至1200℃，循环10次，热障涂层不被破坏。并且热障涂层经相容性试验测试方法，热障涂层与冷却剂偏二甲肼为二级相容，无明显重量变化及腐蚀。

经实验表明，本发明采用高导热率铜合金内壁及热喷涂涂层防护方案，隔热效果好，厚度200μm～300μm时隔热效果可达200℃以上，实现了推力室内壁在高压(国内液体火箭发动机推力室最高工作压力22.6MPa)、高温(涂层侧气壁温1500℃～1600℃)富氧、高速燃气冲刷下的可靠防护，铜合金内壁工作温度在270℃～420℃，具有良好的隔热效果与高温抗氧化、耐腐蚀性能。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种推力室热防护结构，其特征在于，包括：

外壳；

内壁，所述内壁与所述外壳之间形成供冷却液从第二端向第一端流通的冷却槽道，所述内壁的内表面等离子喷涂有热障涂层。

2.根据权利要求1所述的推力室热防护结构，其特征在于，所述热障涂层包括金属连接层和陶瓷层，所述金属连接层的厚度为50～90μm。

3.根据权利要为1所述的推力室热防护结构，其特征在于，所述冷却槽道的槽深为3.2～6.5mm，所述冷却槽道的槽底厚度为0.9～2.5mm。

4.根据权利要求1所述的推力室热防护结构，其特征在于，所述内壁从第一端向第二端包括依次连接的喷注器内壁、燃烧室内壁、收扩段内壁和喷管内壁；所述喷注器内壁的所述热障涂层厚度为220～250μm，所述燃烧室内壁的所述热障涂层厚度为190～220μm，所述喷管内壁的所述热障涂层厚度为190～220μm。

5.根据权利要求4所述的推力室热防护结构，其特征在于，所述收扩段内壁靠近所述燃烧室内壁设置有非喷涂区，所述非喷涂区沿圆周方向设置有冷却液膜环缝出口。

6.根据权利要求4所述的推力室热防护结构，其特征在于，所述热障涂层的热导率为1.2～1.6W·mK^-1。

7.根据权利要求1所述的推力室热防护结构，其特征在于，所述内壁与所述热障涂层的结合强度不小于30MPa。

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