CN114718764A - 一种轻质化复合冷却推力室身部装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轻质化复合冷却推力室身部装置，以解决目前推力室身部轻质化采用局部优化导致的热结构被破坏、减重程度有限的技术问题。该装置包括内至外依次设置的高温抗氧化热障涂层、内壁、冷却夹套及外壁；推力室身部由前至后依次设置圆筒段、收敛段及扩张段；扩张段后端外侧面设置有冷却剂入口和设置在入口集液环的入口集液腔；圆筒段前端外侧面设置有冷却剂出口和设置在出口集液环内的出口集液腔；冷却夹套包括多个沿推力室身部延伸方向设置的冷却通道和设置在相邻冷却通道之间的连接肋；多个冷却通道沿周向均匀分布；冷却通道连通入口集液腔和出口集液腔；内壁、冷却夹套及外壁均采用钛合金材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种推力室身部装置，具体涉及一种轻质化复合冷却推力室身部装置。
背景技术
由于运往空间的有效载荷越来越大，因而对空间发动机的推质比(每公斤结构质量产生的推力)要求也越来越高。因此，应尽量减小发动机的结构质量才能有效地提高推质比。轻质化是未来液体火箭发动机发展的重要方向之一，推力室作为液体火箭发动机的核心组件，其重量占整个发动机总重量的一半以上，因此，推力室轻质化是发动机轻质化的关键。
传统推力室的轻质化方案主要是局部的结构拓补优化减重，但推力室的工作环境恶劣(高温、高压、燃气冲刷)，采用局部结构拓扑优化减重方案可能会造成热结构的破坏，且这种方案减重程度有限。
发明内容
本发明目的在于解决目前推力室身部轻质化采用局部优化导致的热结构被破坏、减重程度有限的技术问题，提出一种轻质化复合冷却推力室身部装置；针对目前空间发动机的轻质化需求，提供了一种采用钛合金轻质材料的推力室身部结构，其热防护方案为集成再生冷却+液膜冷却+隔热冷却的复合冷却方案，同时实现了推力室的轻质化、高性能和可靠热防护。
本发明的技术方案为：
一种轻质化复合冷却推力室身部装置，其特殊之处在于：包括由内至外依次设置的高温抗氧化热障涂层、内壁、冷却夹套及外壁；
沿燃气前进方向，所述推力室身部依次设置圆筒段、收敛段及扩张段；所述圆筒段前端用于与推力室头部连接，所述扩张段用于排出燃烧所产生的气体；
所述扩张段后端外侧面设置有冷却剂入口和入口集液环，所述入口集液环内具有入口集液腔，所述入口集液腔与冷却剂入口相通；
所述圆筒段前端外侧面设置有冷却剂出口和出口集液环，所述出口集液环内具有出口集液腔，所述出口集液腔与冷却剂出口相通；
所述冷却夹套包括多个沿推力室身部延伸方向设置的冷却通道和设置在相邻冷却通道之间的连接肋，所述冷却通道的内侧面与内壁相接，外侧面与外壁相接；多个所述冷却通道沿周向均匀分布；
所述冷却通道连通入口集液腔和出口集液腔；
所述内壁、冷却夹套及外壁均采用钛合金材料。
进一步地，所述冷却剂入口处通入的冷却剂为推力室内燃烧使用的氧化剂或燃料；
所述冷却剂出口排出的氧化剂或燃料用于进入推力室头部，大部分的冷却剂直接沿中心喷注孔喷入推力室内进行掺混燃烧，另一部分冷却剂通过边缘喷注孔喷入推力室身部圆柱段的内壁，在内壁上形成保护液膜。
进一步地，所述高温抗氧化热障涂层包括涂覆在内壁上的MCrAlY抗氧化物涂层及涂覆在MCrAlY抗氧化物涂层上的氧化物陶瓷涂层。
进一步地，所述内壁、冷却夹套及外壁采用3D打印技术一体成型。
进一步地，所述冷却剂入口处的入口集液腔沿径向的断面面积为S1；
沿中心轴线，与冷却剂入口对称位置的入口集液腔沿径向的断面面积为S2；
沿冷却剂在入口集液腔内的流动方向，冷却剂入口处的S1至冷却剂入口对称位置的S2断面面积逐渐减小。
从冷却剂入口处的S1至冷却剂入口对称位置的S2断面面积逐渐减小的设计，可以保证入口集液腔9及冷却通道41内各处流速相同，进一步提高再生冷却的效果。
进一步地，所述高温抗氧化热障涂层的厚度为0.2mm～0.5mm。
高温抗氧化热障涂层的厚度选择根据传热计算结果设计，高温抗氧化热障涂层过薄无法起到热防护作用，过厚使用过程中易开裂。
进一步地，所述冷却剂入口和冷却剂出口内径为6mm～20mm。
进一步地，所述内壁的厚度为0.8mm～1.5mm。
进一步地，所述冷却通道的厚度为1mm～2.5mm；
相邻所述冷却通道之间的连接肋的沿周向上的厚度为1.5mm～3mm。
进一步地，所述钛合金材料为TC4钛合金。
在本发明中，推力室身部整个由钛合金3D打印一体成型，钛合金的用量大，选择TC4钛合金更节省成本。
本发明的有益效果：
1、本发明轻质化复合冷却推力室身部装置通过冷却夹套和高温抗氧化热障涂层实现对轻质材料钛合金制作的内壁、冷却夹套和外壁进行冷却，解决了钛合金材料推力室的身部的冷却难题，同时提高了推力室的性能。
2、采用3D打印制造技术实现推力室身部一体化加工，内壁和外壁的连接强度更高，更有利于实现身部的可靠热防护。
附图说明
图1为本发明轻质化复合冷却推力室身部装置实施例结构示意图；
图2为本发明实施例中冷却夹套结构示意图；
图3为与本发明实施例中推力室身部圆筒段前端相接的喷嘴结构示意图；
图4为与本发明实施例中推力室身部圆筒段前端相接的喷嘴结构的剖面图。
附图标记如下：
1-冷却剂入口，2-高温抗氧化热障涂层，3-内壁，4-冷却夹套，41-冷却通道，42-连接肋，5-外壁，6-冷却剂出口，7-出口集液腔，8-出口集液环，9-入口集液腔，10-入口集液环，11-边缘喷注孔。
具体实施方式
本实施例中，“前”“后”为沿燃气流动方向，燃气来向为前，燃气去向为后。
参见图1和图2，本实施例提供一种轻质化复合冷却推力室身部装置，包括由内至外依次设置的高温抗氧化热障涂层2、内壁3、冷却夹套4及外壁5；内壁3的厚度为0.8mm～1.5mm；其中，内壁3、冷却夹套4及外壁5采用3D打印技术一体成型，使制备推力室身部的焊缝数量由150条减为0条，零件数目减少至1个，内壁3和外壁5的连接强度更高，更有利于实现身部的可靠热防护。
高温抗氧化热障涂层2包括涂覆在内壁(3)上的MCrAlY抗氧化物涂层及涂覆在MCrAlY抗氧化物涂层上的氧化物陶瓷涂层，具体的，高温抗氧化热障涂层2的厚度为0.2mm～0.5mm；高温抗氧化热障涂层2一方面可以提高内壁3的抗氧化、冲刷能力和抗高温能力，另一方面提高推力室身部的耐热隔热能力。
沿燃气前进方向，推力室身部依次设置圆筒段、收敛段及扩张段；圆筒段前端用于与推力室头部连接，扩张段用于与推力室喷注部连接。
扩张段后端外侧面设置有冷却剂入口1和入口集液环10，入口集液环10内具有入口集液腔9，入口集液腔9与冷却剂入口1相通；具体的，冷却剂入口1的内径为6mm～20mm。
圆筒段前端外侧面设置有冷却剂出口6和出口集液环8，出口集液环8内具有出口集液腔7，出口集液腔7与冷却剂出口6相通；具体的，冷却剂出口6的内径为6mm～20mm。
冷却剂入口1处通入的冷却剂为推力室内燃烧使用的氧化剂或燃料；冷却剂出口6排出的氧化剂或燃料用于进入推力室头部并喷入推力室身部进行掺混燃烧。
冷却夹套4包括多个沿推力室身部延伸方向设置的冷却通道41和设置在相邻冷却通道41之间的连接肋42，冷却通道41的内侧面与内壁3相接，外侧面与外壁5相接，冷却通道41沿周向均匀分布；具体的，冷却通道41的厚度为1mm～2.5mm；相邻冷却通道41之间的连接肋42的沿周向上的厚度为1.5mm～3mm，沿周向上的厚度也就是指相邻冷却通道41之间的距离；冷却通道41可以连通入口集液腔9和出口集液腔7。
内壁3、冷却夹套4及外壁5均采用TC4钛合金材料，与常规材料相比，推力室身部将减重40％。
推力室燃烧室温度在3000℃以上，热环境十分恶劣，在推力室身部材料的选择上一般选取强度高、导热性能好、许用温度高的材料；对于TC4钛合金材料来说，虽然其密度优势明显，但其导热差，许用温度低(小于600℃)长期制约着该材料在推力室身部结构上的使用，本实施例中采用复合冷却方式，将三种冷却方式结合，有效解决推力室的身部冷却难题，同时实现的推力室的轻质化和高性能。
复合冷却包括再生冷却、液膜冷却、隔热冷却三种方式。
再生冷却：再生冷却为采用燃料或氧化剂作为冷却剂，本实施例采用燃料作为冷却剂，冷却剂从冷却剂入口1流入，迅速充填满入口集液腔9，为保证入口集液腔9和冷却通道41内各处流速相同，通过改变入口集液腔9的径向断面面积实现；具体的，冷却剂入口1处的入口集液腔9沿径向的断面面积为S1；沿中心轴线，与冷却剂入口1对称位置的入口集液腔9沿径向的断面面积为S2；沿冷却剂在入口集液腔9内的流动方向，冷却剂入口1处的S1至冷却剂入口1对称位置的S2断面面积逐渐减小。
入口集液腔9充填满冷却剂后，在冷却通道41流动，冷却剂在流动的过程中不断与内壁3面进行对流换热，吸收由内壁3面传来的热量，保证内壁3的温度不超过其许用温度600℃，同时，传递的热量使冷却剂实现温升，提高参与燃烧的推进剂的初始能量，进一步提高推力室燃烧性能。冷却剂吸收的热量不仅从内壁3传递，还从冷却通道41两侧的连接肋42传递，由于换热面积加大，大幅提高了换热效率。冷却剂吸收热量后温度不断升高，应确保冷却剂出口6处的温度低于冷却剂许用温度，一般低于冷却剂的沸点温度即可；推力室身部内3壁因热量被吸收，温度降低至其许用温度。从冷却通道41流出的冷却剂汇集到出口集液腔7，出口集液腔7内的所有冷却剂再由冷却剂出口6流出，流出的冷却剂进入推力室内部继续参与燃烧，释放化学能，产生推力。
液膜冷却：再生冷却使用的冷却剂从冷却剂出口6排出后进入推力室头部，推力室头部的喷嘴前端具有中心喷注孔及沿中心喷注孔周向均匀设置的多个边缘喷注孔11，大部分的冷却剂直接沿中心喷注孔喷入推力室内进行掺混燃烧，另一部分冷却剂通过边缘喷注孔11喷入推力室身部圆柱段的内壁，在内壁上形成保护液膜；喷注角度为5°-20°，喷注角度为边缘喷注孔11与中心喷注孔的中心轴线的夹角；从推力室圆筒段入口开始，在整个推力室圆筒段长度的1/5-1/2距离形成低温保护液膜，避免高温抗氧化热障涂层2直接与高温燃气接触，发生烧蚀，液膜吸收热量后变为气膜继续保护壁面，在此过程中，气膜被中心气流卷不断吸并参与燃烧。
隔热冷却：选择与钛合金相容的表面热防护MCrAlY抗氧化物涂层和氧化物陶瓷涂层，涂层的最高使用温度大于1200℃，涂覆涂层后，高温燃气不与钛合金内壁3接触，首先与高温抗氧化热障涂层2接触，进行对流换热，高温抗氧化热障涂层2与内壁3进行热传导，传递的热量大部分被冷却通道41内的冷却剂带走，少部分热量由冷却夹套4传递至外壁5，再由外壁5传递至外界环境，有效地降低内壁3温度；涂层与内壁3间相容性较好，结合力较强，具备良好的抗冲刷能力，MCrAlY抗氧化物涂层和氧化物陶瓷涂层技术成熟，工艺方法简单，成本较低。
本实施例提供的轻质化复合冷却推力室身部装置已完成了推力室热试车，单次试车最长工作时间超过10s，推力室的燃烧性能非常高，身部所有结构良好，无烧蚀现象，高温抗氧化热障涂层2状态无明显变化；冷却剂温升不超过50℃，高温抗氧化热障涂层2温度不超过1200℃，内壁3温度不超过600℃。
Claims (10)
1.一种轻质化复合冷却推力室身部装置，其特征在于：包括由内至外依次设置的高温抗氧化热障涂层(2)、内壁(3)、冷却夹套(4)及外壁(5)；
沿燃气前进方向，所述推力室身部依次设置圆筒段、收敛段及扩张段；所述圆筒段前端用于与推力室头部连接，所述扩张段用于排出燃烧所产生的气体；
所述扩张段后端外侧面设置有冷却剂入口(1)和入口集液环(10)，所述入口集液环(10)内具有入口集液腔(9)，所述入口集液腔(9)与冷却剂入口(1)相通；
所述圆筒段前端外侧面设置有冷却剂出口(6)和出口集液环(8)，所述出口集液环(8)内具有出口集液腔(7)，所述出口集液腔(7)与冷却剂出口(6)相通；
所述冷却夹套(4)包括多个沿推力室身部延伸方向设置的冷却通道(41)和设置在相邻冷却通道之间的连接肋(42)，多个所述冷却通道(41)沿周向均匀分布；
所述冷却通道(41)连通入口集液腔(9)和出口集液腔(7)；
所述内壁(3)、冷却夹套(4)及外壁(5)均采用钛合金材料。
2.根据权利要求1所述的轻质化复合冷却推力室身部装置，其特征在于：
所述冷却剂入口(1)处通入的冷却剂为推力室内燃烧使用的氧化剂或燃料；
所述冷却剂出口(6)排出的氧化剂或燃料用于进入推力室头部，大部分的冷却剂直接沿中心喷注孔喷入推力室内进行掺混燃烧，另一部分冷却剂通过边缘喷注孔(11)喷入推力室身部圆柱段的内壁，在内壁上形成保护液膜。
3.根据权利要求2所述的轻质化复合冷却推力室身部装置，其特征在于：
所述高温抗氧化热障涂层(2)包括涂覆在内壁(3)上的MCrAlY抗氧化物涂层及涂覆在MCrAlY抗氧化物涂层上的氧化物陶瓷涂层。
4.根据权利要求3所述的轻质化复合冷却推力室身部装置，其特征在于：
所述内壁(3)、冷却夹套(4)及外壁(5)采用3D打印技术一体成型。
5.根据权利要求1-4任一所述的轻质化复合冷却推力室身部装置，其特征在于：
所述冷却剂入口(1)处的入口集液腔(9)沿径向的断面面积为S1；
沿中心轴线，与冷却剂入口(1)对称位置的入口集液腔(9)沿径向的断面面积为S2；
沿冷却剂在入口集液腔(9)内的流动方向，冷却剂入口(1)处的S1至冷却剂入口(1)对称位置的S2断面面积逐渐减小。
6.根据权利要求5所述的轻质化复合冷却推力室身部装置，其特征在于：
所述高温抗氧化热障涂层(2)的厚度为0.2mm～0.5mm。
7.根据权利要求6所述的轻质化复合冷却推力室身部装置，其特征在于：
所述冷却剂入口(1)和冷却剂出口(6)内径为6mm～20mm。
8.根据权利要求7所述的轻质化复合冷却推力室身部装置，其特征在于：
所述内壁(3)的厚度为0.8mm～1.5mm。
9.根据权利要求8所述的轻质化复合冷却推力室身部装置，其特征在于：
所述冷却通道(41)的厚度为1mm～2.5mm；
相邻所述冷却通道(41)之间的连接肋(42)的沿周向上的厚度为1.5mm～3mm。
10.根据权利要求9所述的轻质化复合冷却推力室身部装置，其特征在于：
所述钛合金材料为TC4钛合金。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |