[发明专利]一种复合冷却的长寿命推力室

说明书

一种复合冷却的长寿命推力室，属于液体火箭发动机热防护领域。头部组件和身部组件通过对接焊缝和连接环进行连接。身部组件主要采用再生冷却方式进行热防护。头部组件包括顶盖、中底、一底、氧化剂主喷嘴、燃料主喷嘴、氧化剂边区喷嘴和燃料边区喷嘴。顶盖和中底之间为氧化剂腔，中底和一底之间为燃料腔。大部分冷却剂进入燃料腔中，另有1%~3%的冷却剂经过头部组件与身部组件对接处的气膜冷却结构对推力室内壁进行膜冷却。本发明以再生冷却为主，边区冷却和气膜冷却等多种冷却方式为辅，同时设置厚度变化的镀镍层，形成复合冷却结构，可在内壁表面建立贴壁流动的低温隔热气膜，并在近壁的边缘区域形成低混合比近壁层，提高推力室寿命和重复使用能力。

技术领域

本发明涉及一种复合冷却的长寿命推力室，属于液体火箭发动机热防护领域。

背景技术

大推力液体火箭发动机推力室工作过程中承受着巨大的对流和辐射热流，同时经受着高速流动燃气的冲刷作用。推力室内壁在如此恶劣的工作条件下，可造成局部壁温过高和疲劳失效，经过有限次热试车考核后容易出现热裂纹。一旦出现裂纹将导致冷却剂从内壁裂纹泄漏至燃烧室中，使得冷却通道压降及喷注器混合比发生变化，改变发动机工况，降低发动机性能，严重影响发动机工作可靠性。

推力室作为液体火箭发动机的关键组件，其传热可靠性与使用寿命严重影响发动机的可重复使用性。现有液体火箭发动机推力室通常采用再生冷却方案，由流经冷却通道的冷却剂将燃气传给室壁的热量带走，以达到冷却的目的。随着燃气侧热流的增大以及冷却通道结构的限制，仅通过再生冷却无法满足长寿命和重复使用推力室的要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种复合冷却的长寿命推力室，采用以再生冷却为主、多种冷却方式为辅的复合冷却结构，以降低推力室燃气壁面温度及改善壁面热流分布，提高推力室寿命和重复使用能力。

本发明的技术解决方案是：

一种复合冷却的长寿命推力室，包括头部组件、身部组件以及连接环；

身部组件包括内壁、外壁、身部进口法兰、身部进口集合器；内壁为铜合金材料，其燃气侧表面设置有变厚度的内壁镀镍层；内壁与外壁之间为供冷却剂流动的冷却通道；身部进口法兰入口与冷却剂连通，身部进口法兰出口与身部进口集合器入口连通，身部进口集合器出口通过集合器均流孔与冷却通道连通；

头部组件包括顶盖、中底、一底、氧化剂主喷嘴、燃料主喷嘴、氧化剂边区喷嘴和燃料边区喷嘴；顶盖和中底焊接后形成氧化剂腔，中底和一底焊接后形成燃料腔，中底和外壁焊接连接，连接环一端与中底焊接，另一端与外壁焊接；

中底上加工多圈氧化剂喷嘴安装孔，多圈氧化剂喷嘴安装孔以同心圆形式均布，同心圆圆心为中底中心；最外圈的氧化剂喷嘴安装孔上安装氧化剂边区喷嘴，其余氧化剂喷嘴安装孔上安装氧化剂主喷嘴；一底上加工多圈燃料喷嘴安装孔，多圈燃料喷嘴安装孔以同心圆形式均布，同心圆圆心为一底中心；最外圈的燃料喷嘴安装孔上安装燃料边区喷嘴，其余燃料喷嘴安装孔上安装燃料主喷嘴；

中底和身部组件之间设置有气膜冷却结构，部分冷却剂经过气膜冷却结构后紧贴内壁燃气侧表面喷出，对内壁燃气侧表面进行膜冷却。

优选的，内壁燃气侧表面收敛圆弧段以及上下游圆弧段镀镍层厚度为80~100μm，其余部分镀镍层厚度为20~50μm，变厚度处光滑过渡。

优选的，单个氧化剂边区喷嘴的节流孔面积按照如下方法设计：

步骤1：根据边区混合比进行热力计算和传热计算，确定氧化剂和燃料的边区混合比M，其中M=0.3~0.5Mr，其中Mr为不设氧化剂边区喷嘴和燃料边区喷嘴时氧化剂和燃料的均一混合比；

步骤2：在单个燃料边区喷嘴流量与单个燃料主喷嘴流量一致的前提下，计算达到步骤1所述边区混合比时单个氧化剂边区喷嘴流量，计算公式如下：