【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及火箭發動機高空模擬試驗，具體涉及一種擴壓器熱防護設計方法。
技術介紹
1、被動引射技術是火箭發動機在高空飛行模擬試驗中的常用技術。在被動引射技術中，一般會在火箭發動機的出口設置擴壓器。因為火箭發動機的出口噴出的高溫燃氣的溫度高達3000k以上，所以一般通過水冷的方式，對擴壓器的壁面進行冷卻。具體是在擴壓器的外壁面套設固定厚度的冷卻水夾套。擴壓器一般由前后連接的直筒段和擴張段組成。位于擴壓器中的高溫燃氣在激波后，由超聲速轉換為亞聲速，高溫燃氣的靜溫和密度均上升，引起高溫燃氣的熱流大幅提升，導致擴壓器在高溫燃氣激波后的壁面防護不足。
技術實現思路
1、有鑒于此，本專利技術提供了一種擴壓器熱防護設計方法，以解決位于擴壓器中的高溫燃氣在激波后，由超聲速轉換為亞聲速，高溫燃氣的靜溫和密度均上升，引起高溫燃氣的熱流大幅提升，導致擴壓器在高溫燃氣激波后的壁面防護不足的問題。
2、本專利技術提供了一種擴壓器熱防護設計方法，包括：
3、確定擴壓器內燃氣超聲速流和燃氣亞聲速流切換的位置；
4、當燃氣超聲速流和燃氣亞聲速流切換的位置位于擴壓器的直筒段時，以切換的位置為參考，沿燃氣流動的上游偏移第一設定距離的位置，作為燃氣超聲速區和燃氣亞聲速區的分界線；
5、根據所述分界線以及擴壓器的擴張段的位置，將所述擴壓器內的燃氣通道由燃氣流動的上游至下游依次分為：燃氣超聲速段、燃氣亞聲速直筒段和燃氣亞聲速擴張段；所述燃氣超聲速段的內部通道的直徑為d；p>
6、環繞所述擴壓器的外壁貼合設置冷卻液夾套；所述冷卻液夾套設有冷卻液入口和冷卻液出口；在所述冷卻液夾套的冷卻液通道內流動有冷卻液；
7、所述冷卻液入口靠近所述燃氣超聲速段的前端設置；所述冷卻液出口靠近所述燃氣亞聲速擴張段的后端設置；對應所述燃氣超聲速段、燃氣亞聲速直筒段和燃氣亞聲速擴張段的外部位置處的冷卻液夾套分別為：a段冷卻液夾套、b段冷卻液夾套和c段冷卻液夾套；
8、所述a段冷卻液夾套和b段冷卻液夾套設有固定直徑的環形通道；所述c段冷卻液夾套設有變直徑的環形通道；且所述a段冷卻液夾套的外壁的直徑為第一直徑，所述b段冷卻液夾套的外壁的直徑為第二直徑，所述第二直徑小于第一直徑；所述a段冷卻液夾套的內壁的直徑為第三直徑，所述b段冷卻液夾套的內壁的直徑為第四直徑；所述第三直徑與第四直徑相等；
9、所述c段冷卻液夾套的內壁和所述c段冷卻液夾套的外壁均為圓錐形；所述c段冷卻液夾套的內壁形成的錐角為第一錐角，所述c段冷卻液夾套的外壁形成的錐角為第二錐角，所述第二錐角的角度小于第一錐角的角度。有益效果：本申請采用上述技術方案，通過在燃氣超聲速段和燃氣亞聲速直筒段分別環繞不同厚度的冷卻液夾套，在溫度更高的燃氣亞聲速直筒段外部的冷卻液夾套內部的冷卻液流通面積更小，從而增加冷卻液流動的速度，增大換熱系數，以更快地將燃氣亞聲速直筒段內燃氣產生的熱量傳輸出去，避免燃氣亞聲速直筒段的溫度快速上升，進而使得擴壓器得到更可靠的熱防護。另外，在燃氣亞聲速擴張段，通過設置第二錐角的角度小于第一錐角的角度，冷卻液的流速更快，使得燃氣在由上游流通至下游時，換熱也更快，從而對擴壓器起到更好的熱防護作用。
10、可選地，采用計算流體動力學的方法確定擴壓器的燃氣通道內的馬赫數分布，進而確定擴壓器內燃氣超聲速流和燃氣亞聲速流切換的位置。有益效果：本申請采用上述技術方案，準確可靠地確定擴壓器內燃氣超聲速流和燃氣亞聲速流切換的位置。
11、可選地，當燃氣超聲速流和燃氣亞聲速流切換的位置位于擴壓器的擴張段時，增大擴壓器的直筒段的直徑，直至切換的位置前移至擴壓器的直筒段。有益效果：本申請采用上述技術方案，將切換的位置前移至擴壓器的直筒段，方便布置a段冷卻液夾套和b段冷卻液夾套。
12、可選地，所述第一設定距離為0.1d。
13、可選地，所述a段冷卻液夾套的環形通道的橫截面積為第一橫截面積，所述b段冷卻液夾套的環形通道的橫截面積為第二橫截面積；所述第二橫截面積為第一橫截面積的0.5倍～0.7倍。有益效果：本申請采用上述技術方案，保證燃氣超聲速段和燃氣亞聲速直筒段內的燃氣溫度基本一致，防止溫度過高，以對擴壓器進行有效的熱防護。
14、可選地，所述a段冷卻液夾套的外壁與所述b段冷卻液夾套的外壁采用錐形段過渡。
15、可選地，所述a段冷卻液夾套的外壁與所述a段冷卻液夾套的內壁之間通過多個沿周向間隔設置的第一加強筋連接。有益效果：本申請采用上述技術方案，提高a段冷卻液夾套的整體強度。
16、可選地，以所述燃氣超聲速流和燃氣亞聲速流切換的位置為中間點，以沿燃氣流動的上游偏移第二設定距離的位置為起點，以沿燃氣流動的下游偏移第三設定距離的位置為終點之間的區域為激波區；在所述激波區對應的冷卻液夾套的外壁與冷卻液夾套的內壁之間通過多個沿周向間隔設置的第二加強筋連接；在所述激波區對應的冷卻液夾套的外壁沿周向間隔設置多個占位筋，在所述占位筋與冷卻液夾套的內壁之間設有間隙。有益效果：本申請采用上述技術方案，由于在燃氣超聲速流和燃氣亞聲速流切換的位置，激波打在擴壓器的內壁面上，引起局部最高溫，通過設置占位筋，進一步減小冷卻液通道的截面積，從而進一步提高冷卻液的流速，提高換熱系數，降低擴壓器內壁面的溫度，對擴壓器進行更有效的熱防護。
17、可選地，所述第二設定距離和第三設定距離均為0.1d；所述間隙大于2毫米。有益效果：本申請采用上述技術方案，通過具體限定間隙的數值，避免影響冷卻液對激波區的換熱效果。
18、可選地，所述冷卻液為冷卻水。有益效果：本申請采用上述技術方案，熱防護成本更低。
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1.一種擴壓器熱防護設計方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的擴壓器熱防護設計方法，其特征在于，采用計算流體動力學的方法確定擴壓器的燃氣通道（3）內的馬赫數分布，進而確定擴壓器內燃氣超聲速流和燃氣亞聲速流切換的位置。
3.根據權利要求1所述的擴壓器熱防護設計方法，其特征在于，當燃氣超聲速流和燃氣亞聲速流切換的位置位于擴壓器的擴張段時，增大擴壓器的直筒段的直徑，直至切換的位置前移至擴壓器的直筒段。
4.根據權利要求1所述的擴壓器熱防護設計方法，其特征在于，所述第一設定距離為0.1D。
5.根據權利要求1所述的擴壓器熱防護設計方法，其特征在于，所述A段冷卻液夾套的環形通道的橫截面積為第一橫截面積，所述B段冷卻液夾套的環形通道的橫截面積為第二橫截面積；所述第二橫截面積為第一橫截面積的0.5倍～0.7倍。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的擴壓器熱防護設計方法，其特征在于，所述A段冷卻液夾套的外壁（4）與所述B段冷卻液夾套的外壁（8）采用錐形段（7）過渡。
7.根據權利要求1-5中任一項所述的擴壓器熱防
8.根據權利要求7所述的擴壓器熱防護設計方法，其特征在于，以所述燃氣超聲速流和燃氣亞聲速流切換的位置為中間點，以沿燃氣流動的上游偏移第二設定距離的位置為起點，以沿燃氣流動的下游偏移第三設定距離的位置為終點之間的區域為激波區；在所述激波區對應的冷卻液夾套的外壁與冷卻液夾套的內壁之間通過多個沿周向間隔設置的第二加強筋（14）連接；在所述激波區對應的冷卻液夾套的外壁沿周向間隔設置多個占位筋（15），在所述占位筋（15）與冷卻液夾套的內壁之間設有間隙。
9.根據權利要求8所述的擴壓器熱防護設計方法，其特征在于，所述第二設定距離和第三設定距離均為0.1D；所述間隙大于2毫米。
10.根據權利要求1-5中任一所述的擴壓器熱防護設計方法，其特征在于，所述冷卻液為冷卻水。
...【技術特征摘要】
1.一種擴壓器熱防護設計方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的擴壓器熱防護設計方法，其特征在于，采用計算流體動力學的方法確定擴壓器的燃氣通道（3）內的馬赫數分布，進而確定擴壓器內燃氣超聲速流和燃氣亞聲速流切換的位置。
3.根據權利要求1所述的擴壓器熱防護設計方法，其特征在于，當燃氣超聲速流和燃氣亞聲速流切換的位置位于擴壓器的擴張段時，增大擴壓器的直筒段的直徑，直至切換的位置前移至擴壓器的直筒段。
4.根據權利要求1所述的擴壓器熱防護設計方法，其特征在于，所述第一設定距離為0.1d。
5.根據權利要求1所述的擴壓器熱防護設計方法，其特征在于，所述a段冷卻液夾套的環形通道的橫截面積為第一橫截面積，所述b段冷卻液夾套的環形通道的橫截面積為第二橫截面積；所述第二橫截面積為第一橫截面積的0.5倍～0.7倍。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的擴壓器熱防護設計方法，其特征在于，所述a段冷卻液夾套的外壁（4）與所述b段冷卻液夾套的外壁（8）...
【專利技術屬性】
技術研發人員：孔凡超，張家仙，江雅娟，范聰聰，朱子勇，夏偉，孫浩越，
申請(專利權)人：北京航天試驗技術研究所，
類型：發明
國別省市：
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