北航课程设计-气氧酒精火箭发动机

word课程设计说明书院〔系〕名称： 宇航学院学生姓名：李东来学 号：121510751/24word专业名称：飞行器动力工程〔航天〕指导教师：X黎辉课程设计任务书一、课程设计题目：设计实验用液体火箭发动机推力室二、课程设计题目的原始数据与设计技术要求推力：500N燃料：气氧+75%酒精余氧系数：a燃烧室压力：2MPa出口压力：0.1MPa三、课程设计任务：1进展热力计算、推力室结构参数计算:确定圆柱形燃烧室直径、长度，喉部直径，喷管收敛段、扩X段长度，喷管出口直径。2进展喷嘴设计、推力室水冷却计算。2/24word3详细设计并绘制推力室部件总图。4零件设计：5撰写设计说明书。四、课程设计日期：自2015年12月14日至2016年1月22日学生： 李东来 指导教师：X黎辉班级：121516 教研室主任：目录TOC\o"1-5"\h\z.设计参数 1.推力室参数计算结果 1.推力室结构参数计算 2.推力室头部设计 .4燃料喷嘴设计 .4\o"CurrentDocument"氧化剂喷嘴： .4.推力室身部设计 .6推力室圆筒段冷却计算 6燃气的气动参数 6计算燃气与内壁面的对流换热密度 6计算燃气与内壁面的辐射热流密度 7\o"CurrentDocument"计算总热流密度、总热流量与冷却剂流量 8确定冷却通道参数 83/24wordTOC\o"1-5"\h\z计算内壁面和外壁面温度 8推力室喉部冷却计算 9燃气的气动参数 9计算燃气与内壁面的对流换热密度 9计算燃气与内壁面的辐射热流密度 10\o"CurrentDocument"计算总热流密度、总热流量与冷却剂流量 11确定冷却通道参数 12计算内壁面和外壁面温度 12.推力室强度校核 13\o"CurrentDocument"推力室圆筒段强度校核 13\o"CurrentDocument"喷管强度校核 14.点火器设计 15.螺栓强度校核 15.整体结构分析 16头部结构 16喷注器 16\o"CurrentDocument"点火器 17推力室 17密封结构 17.感悟 17IV/24参考文献word15V/24word推力：,二推进剂：气氧+75%酒精余氧系数：：'燃烧室压力：「•口出口压力：P1川川化学当量混合比=L；；",实际混合比："一=11："地面理论比冲；：:•：;.一:\】7：二叫二，特征速度: s，扩x比： ,「燃烧室圆筒段喷管入口截面喷管喉部截面喷管出口截面压强［MPa)22燃气温度了白［K)219%(kJ/(kg.K))2.29681Pr0.58810.58810.5967266燃气粘度(kg/(m-s))00007绝热比热比k8二氧化碳摩尔分数0.17044160.17044160.17956220.1856942水蒸气摩尔分数0.56308100.56308100.57565930.58348411/24

word取燃烧室效率‘〃 ""「；喷管效率"推力室总质量流量为：：/: 二.：痴."-从而得出：推力室氧化剂质量流量：吊…:। ：11小小推力室燃料质量流量：“ : 1喷管喉部面积：!. ..i・.；；/i；3喉部直径『: ' 厂.「3，千，，圆整取AJ'n】ir.，如此4=2.01X10-4而取燃烧室的特征长度・：。"小燃烧室容积七=LxAf=4£255x104m3燃烧室容积利用燃烧室收缩比求燃烧室直径取燃烧室收缩比为仁 内如此燃烧室横截面积为：」「•■:’1:、d''燃烧室直径为：口「W’r"设计推力室喷管双圆弧收敛段型面选择R]选择R]=L5Rt=IL76mtM选择R：，取「二二如此"。’"①2/24word如此收敛段长度为：匕也=4胆+瓦而广丁心-1)4与+上+1丁式中，।L2二‘‘: ",如此计算得i；J：：L。圆整取Lc2—62m?n以总和川所作圆弧切点的位置为二= 『"二"'丁H=Le2-h=53.91.mmy-kRt\Rt-雇群=7?=11:14mm收敛段容积为：'• 二‘・；」1:」,:，燃烧室圆柱段的长度为：；：： ，；•・；•；"“，圆整取114mm喷管扩X段直径D 3"二"「‘’"七圆整取32mm喷管扩X段与喉部截面之间用半径贲：一〃’一角的圆弧过渡喷管出口角取’"： K查得喷管相对长度‘二‘"，求大圆弧相对半径%="1 7 T=屯5621-凡一11.5-^-^-jcos£J如此：昭吊口二”.，圆整取不一匚，，,'Jf，圆整取‘飞' 「…; ；’口：'父，圆整取;％)De r-■■.■1■:：y： J-；・一"、圆整取,,'•••3/24wordo_J“+”同前及3c■F二丁J采用带切向孔的直流-离心式喷嘴，燃料采用切向式离心喷嘴，氧化剂采用直流式喷嘴；排布方式：中间1个喷嘴，外圈均布3个喷嘴，燃料和氧化剂喷嘴数量为”。：75%酒精细度：尸卜:■―酒精喷嘴压降》根据经验数据确定流量系数。取：:，得到‘='；；：如此有工「力一得-L°35mMIf=3df=3.3mm该喷嘴为自击式，故”始终为0，取喷嘴偏转角度心4.2氧化剂喷嘴:氧化剂喷嘴质量流量0.127^mofi=口m哂=—2—此=。,。4jRg/s4/24

word选取喷嘴压降中 "」」""，取流量系数昆;"。气氧压力Pm—Pc+jP—2.4MPa标准状况下，氧气多变指数k=1.4,由状态方程：得pstpst=12.17kg/7n3气氧的喷出速度为由气体直流喷嘴的质量流量方程得Qmoh“力由气体直流喷嘴的质量流量方程得Qmoh“力4—0.0XSn.3：）X12.17106mm之—8J.49/71771^喷孔直径』，日二喷孔直径』，日二"川n，圆整取心=6皿，；’峰一由几何关系可知壁厚门1入•■”）：："■」、圆整取Q.；」"；'5/24word圆筒段燃气温度「燃气定压比热容：「画”一卜：燃气粘度I-…燃气普朗特数F—"7圆筒段横截面积A= =3.217X10-3?nz喷管喉部过渡平均半径R—。,5(R[+R1-14|加假设内壁温度：；.・'="、：二利用巴兹法计算燃气与内壁面的对流换热系数：根据」.。」3「，查表得到考虑附面层内燃气性能变化的修正系数「 L。。燃气与内壁面的对流换热系数6/24word0.026仍&Dti20.026仍&Dti2\Pt().6］\匚ns0.9<j-］。67叼(m*-K)燃气与内壁面的对流换热密度母="（丁 ••」・•・・・m/‘‘Lcl根据-.L,飞，查得气体对整个壁面辐射的平均射线长I—0版4_54,47n?n水蒸气分压、.；：=：- 「=I二氧化碳分压」—.—・；•...，「！■•]■「计算得到-0.061MPa7npecJ=°用］8加网■m计算得到查图得水蒸气发射率乙：十一一，指数关系：".'’一•’•一，如此水蒸气的实际发射率为山普一1一（1一以达。产一1—（1—0,014）第=0.0型工查图得二氧化碳发射率;‘匚 ，如此总的发射率为生一£用。+Q%一强。£皿一。.0222壁面发射率一般取为[一 「，如此实际有效壁面发射率为M=£口困口+11-E口浦（1一=0.956由于壁面温度较低，故壁面对燃气的辐射可以忽略，因此燃气辐射热流密度为7/24word5.1.4计算总热流密度、总热流量与冷却剂流量总热流密度,-1取推力室圆筒段壁厚一।”，如此外壁面温度丁」.-一1总热流量:"假如要求冷却水通过冷却通道时的温升为40K，如此冷却水流量为中q .aT-0.381kds^pcoJIco冷却水的温度可以取为■■■-二二寸推力室内壁面与肋条材料为1Cr18Ni9Ti，导热系数匕,' 力内壁厚'：冷却通道高度h=3mm，肋条厚b=1.5mm，冷却通道宽a=2mm，如此当量直径£如此当量直径£一，.:、品“，冷却通道数n=57。冷却通道面积二="「小二匚父1[冷却剂流速,•【•=：. ♦I".；'、’P「广41000X1.不乂上4K10”冷却剂雷诺数 = =； =5 二4。’630.658x103 ,冷却剂雷诺数8/24word冷却剂普朗特数门』一7- -冷却剂努塞尔数?叫…1；!冷却剂和外壁面的对流换热系数二=.液体壁面温度,「■一二.一二气体壁面温度丁 -1由计算结果可知，推力室圆筒段气体壁面；=一二；]小于假定的温度500K,相差2.4%小于5%，符合冷却要求。喉部燃气温度2=、水。燃气多变指数k=1.1478。燃气定压比热容燃气粘度!।|、「"0…燃气普朗特数Pr=0.5967喉部压力一】••・•・]”:••喉部横截面积「！9/24

word喷管喉部过渡半径「:=」'"一」厂.一假设内壁温度：；,「74(二利用巴兹法计算燃气与内壁面的对流换热系数根据；i。」』查表得到考虑附面层内燃气性能变化的修正系数：=】,。燃气与内壁面的对流换热系数a=a=11320V/阿-K)燃气与内壁面的对流换热密度9卜=%-丁皿)=2-38x1。‘网/5根据匚=L；，查得气体对整个壁面辐射的平均射线长I=0.85Dc=54.4mm水蒸气分压一 , ；：.；「；・二氧化碳分压1一计算得到0036MPa7np-001IMPam计算得到查图得水蒸气发射率%工二二一"1，指数关系L"Km'=1'〔如此水蒸气的实际发射率为£h2o=【一一£。氏0)'=0.。1410/24word查图得二氧化碳发射率;‘匚 ，如此总的发射率为£g~£H20+£C02~£H3O£CO2~0-014壁面发射率一般取为・…一口二，如此实际有效壁面发射率为£|4r=£口处口+(1- -与力=0,958由于壁面温度较低，故壁面对燃气的辐射可以忽略，因此燃气辐射热流密度为心一的.〜一口点；)|二浦7之 =498201V/忖5.2.4计算总热流密度、总热流量与冷却剂流量总热流密度9=95 =2.39X1。7叩/)取推力室圆喉部壁厚;、♦'=〕"，如此外壁面温度qB( 39x10x]x10Twf= -j-=F40- - JK=672K取喉部截面长度10mm总热流量了 一一1冷却水流量为q、一「！d二，如此喉部内冷却水温升：小1二5x104qcoCc00.421X41-4门出取定性温度313K11/24word推力室内壁面与肋条材料为1Cr18Ni9Ti,导热系数"•"二一」「二.力内壁厚” ■,|,冷却通道高度h=3mm,肋条厚b=1.5mm,冷却通道宽a=2mm,如此当量直径葭=....■一！四，冷却通道数n=14。冷却通道面积/ . .'一二…’冷却剂流速，…冷却剂雷诺数灯=F二］：；二7冷却剂普朗特数p二=一•二 .冷却剂努塞尔数冷却剂和外壁面的对流换热系数力=警^=28223卬/爪2液体壁面温度,「■一二.一二；士”气体壁面温度丁一：—七工由计算结果可知，推力室喉部气体壁面；•../=7：二大于假定的温度740K,相差1.7%小于5%，，且当‘ 一；;'时1Cr18Ni9Ti不会失效，故符合冷却要求。12/24word推力室圆筒段强度校核圆筒段所选材料为1Cr18Ni9Ti，查机械手册得：抗拉强度为〜"!，：1^V，，屈服极限为将推力室圆筒段视为承压薄壁圆筒，其周向应力为c--32MPU轴向应力为径向应力为推力室圆筒段内壁温度约：3温度较高，材料的屈服极限有所下降，故采用较大的安全系数，取许用应力为「17kJ---80^Pa由第三强度理论有疗w=/一内=30MPq<[<ys\由第四强度理论有13/24word|（5一叼）（丁一%）*卜[丁一％）上"山口 I仃凶= ; =30,3MPa<[%）q由此推力室圆柱段满足强度条件喷管强度校核喷管所选材料为1Cr18Ni9Ti,查机械手册得：抗拉强度为:=”uMP。，屈服极限为二喷管喉部周向应力血。「仃t一亏m—4,58MPq喷管喉部轴向应力为F514（72一灯上一w- ~14,72MPq工月jt（0.0102-0.0082）喷管喉部径向应力为仃三一仃『-；pt—1.207MPa推力室圆筒段内壁温度约।区，温度更高，材料的屈服极限下降更多，故采用更大的安全系数，取:i'许用应力为「1久ijJ 40Mp口71由第三强度理论有%呜=备一内=3AS3MPa<匕』14/24

word由第四强度理论有］（5一/））/（V一口3）241%一即）、 〃I仃W二 二3AlMPa<1（tJq由此推力室喷管段满足强度条件综上，推力室各段在保证发动机性能和冷却要求的前提下均满足强度条件。设计点火器采用棒料加工而成，在棒料的一侧边钻孔，用来安装酒精管嘴和电点火塞，气氧管嘴安装在上部平面。为保证点火腔有一定的压力，应设计燃气通道喉部，具体计算如下：4（点火）=”…=2.831X1。一”而P点火4（点火）—6mm燃烧室压力为2MP汽酒精腔压力为MP。，气氧腔压力为MP。，喷管出口压强为1「u。本地面试验用气氧酒精发动机采用强度等级为受拉螺栓，螺栓材料为钢，其强度极限为与-400MPa如此其屈服极限为"-"MU-U：［；P，/取安全系数为1.5取安全系数为1.5,如此许用屈服极限为240[o[==160Mpet

±.J15/24word综合螺栓受力，得到与下底和法兰连接的螺栓所受的力为pS口= = I'a]上底与中底采用螺钉连接，校核如下】•<："・•・I|经过校核，所有螺栓和螺钉强度都符合要求。为便于设计加工，结构上多采用焊接进展连接。该发动机是单件生产，因此大局部零件均采用机械加工，零件尽量采用标准件。发动机燃烧室燃气温度较高，对材料耐高温性能均有很高的要求。该发动机采用三底两腔的经典结构。上底和中底通过螺钉连接。该发动机仅用于地面，故可以采用简单且可重复使用的电点火方式。气氧和酒精分别通过不同的管路进入两个腔体，并从三个直流撞击式喷嘴喷入燃烧室燃烧。本发动机是气氧酒精双组元发动机，采用直流撞击式双组元喷注器。作为燃料的酒精通过自击式喷嘴喷注进入燃烧室，这样液滴细度高好而且混合距离短。作为氧化剂的气氧，从结构简单原如此敖律，让其通过中间的直流喷嘴喷出，与酒精混合即可。喷注盘面较小，故喷嘴数量不宜过多，可选择三个喷注器并均匀分布在点火器出口的圆周上。16/24word点火器该发动机用于地面试验，故可以使用电点火，结构简单，可靠性高，可重复使用，点火组元仍然采用气氧和酒精，使其燃烧产物同推力室一致，预燃室通过螺纹与上底连接。点火器的燃气通过其喉部进入燃烧室点燃主推进剂。燃烧室为圆筒形，圆筒段采用的材料为1Cr18Ni9Ti。圆筒段