北航課程設(shè)計(jì)-氣氧酒精火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

1、課程設(shè)計(jì)說明書院（系）名 稱： 宇 航 學(xué) 院 學(xué) 生 姓 名： 李 東 來 學(xué) 號(hào)： 12151075 專 業(yè) 名 稱： 飛行器動(dòng)力工程（航天） 指 導(dǎo) 教 師： 張 黎 輝 2016.1.22課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書一、課程設(shè)計(jì)題目：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)用液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室二、課程設(shè)計(jì)題目的原始數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)技術(shù)要求推力：500N燃料：氣氧+75%酒精余氧系數(shù)：=0.8燃燒室壓力：2MPa出口壓力：0.1MPa三、課程設(shè)計(jì)任務(wù)：1進(jìn)行熱力計(jì)算、推力室結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算：確定圓柱形燃燒室直徑、 長度，喉部直徑，噴管收斂段、擴(kuò)張段長度，噴管出口直徑。2進(jìn)行噴嘴設(shè)計(jì)、推力室水冷卻計(jì)算。3 詳細(xì)設(shè)計(jì)并繪制推力室部件

2、總圖。 4 零件設(shè)計(jì)： 5 撰寫設(shè)計(jì)說明書。四、課程設(shè)計(jì)日期：自2015年12月14日至2016年1月22日學(xué) 生： 李 東 來 指導(dǎo)教師： 張 黎 輝班 級(jí)： 121516 教研室主任：北京航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)目錄1.設(shè)計(jì)參數(shù)12.推力室參數(shù)計(jì)算結(jié)果13.推力室結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算14.推力室頭部設(shè)計(jì)34.1 燃料噴嘴設(shè)計(jì)34.2 氧化劑噴嘴：35.推力室身部設(shè)計(jì)45.1 推力室圓筒段冷卻計(jì)算45.1.1 燃?xì)獾臍鈩?dòng)參數(shù)45.1.2 計(jì)算燃?xì)馀c內(nèi)壁面的對流換熱密度45.1.3 計(jì)算燃?xì)馀c內(nèi)壁面的輻射熱流密度55.1.4 計(jì)算總熱流密度、總熱流量及冷卻劑流量65.1.5 確定冷卻通道參數(shù)65.1.6

3、計(jì)算內(nèi)壁面和外壁面溫度65.2 推力室喉部冷卻計(jì)算75.2.1 燃?xì)獾臍鈩?dòng)參數(shù)75.2.2 計(jì)算燃?xì)馀c內(nèi)壁面的對流換熱密度75.2.3 計(jì)算燃?xì)馀c內(nèi)壁面的輻射熱流密度85.2.4 計(jì)算總熱流密度、總熱流量及冷卻劑流量85.2.5 確定冷卻通道參數(shù)95.2.6 計(jì)算內(nèi)壁面和外壁面溫度96.推力室強(qiáng)度校核106.1推力室圓筒段強(qiáng)度校核106.2噴管強(qiáng)度校核107.點(diǎn)火器設(shè)計(jì)118.螺栓強(qiáng)度校核129.整體結(jié)構(gòu)分析129.1頭部結(jié)構(gòu)129.2噴注器139.3點(diǎn)火器139.4推力室139.6密封結(jié)構(gòu)1310.感悟14參考文獻(xiàn)1515北京航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)1.設(shè)計(jì)參數(shù)推力：Ftc=500N推進(jìn)劑：氣氧

4、+75%酒精余氧系數(shù)：=0.8燃燒室壓力：pc=2MPa出口壓力：pe=1atm2.推力室參數(shù)計(jì)算結(jié)果化學(xué)當(dāng)量混合比rm0=1.485，實(shí)際混合比rmc=1.188，地面理論比沖Istcth=2317.87m/s，特征速度c*=1649.35m/s，擴(kuò)張比e=3.635。燃燒室圓筒段噴管入口截面噴管喉部截面噴管出口截面壓強(qiáng)（MPa）221.15520.1013燃?xì)鉁囟萒g（K）3006.16283006.16282845.88601958.8180Cp（kJ/(kg·K)）2.2962.2962.282.131Pr0.58810.58810.59670.7266燃?xì)庹扯龋╧g/(m&

5、#183;s)）0.000100.000100.000100.00007絕熱比熱比k1.14791.14791.14781.2028二氧化碳摩爾分?jǐn)?shù)0.17044160.17044160.17956220.1856942水蒸氣摩爾分?jǐn)?shù)0.56308100.56308100.57565930.58348413.推力室結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算取燃燒室效率C=0.96；噴管效率n=0.96。推力室總質(zhì)量流量為：qmc=FtcIstcthcn=0.234kg/s從而得出：推力室氧化劑質(zhì)量流量：qmoc=qmc×rmcrmc+1=0.127kg/s推力室燃料質(zhì)量流量：qmfc=qmc-qmoc=0.107

6、kg/s噴管喉部面積：At=c*qmcpc=1.930×10-4m2喉部直徑Dt=4At=15.68mm，圓整取Dt=16mm，則At=2.01×10-4m2取燃燒室的特征長度L=2.4m燃燒室容積Vc=L×At=4.8255×10-4m3利用燃燒室收縮比求燃燒室直徑取燃燒室收縮比為c=16則燃燒室橫截面積為：Ac=cAt=3.217×10-3m2燃燒室直徑為：Dc=cDt=64mm設(shè)計(jì)推力室噴管雙圓弧收斂段型面選擇R1=1.5Rt=11.76mm，圓整取R1=12mm選擇R2，取=2.5，則R2=Rc=cRt=80mm則收斂段長度為：Lc2=

7、Rtk+c2-1c+k+12式中，k=1.5，=2.5，c=16，則計(jì)算得Lc2=61.96mm。圓整取Lc2=62mm以R1和R2所作圓弧切點(diǎn)的位置為h=kk+cLc2=8.09mmH=Lc2-h=53.91mmy=kRt+Rt-k2Rt2-h2=11.14mm收斂段容積為：Vc2=1.17982385×10-4m3燃燒室圓柱段的長度為：Lc1=Vc-Vc2Ac=113.33mm，圓整取114mm噴管擴(kuò)張段直徑De=eDt=30.505mm，圓整取32mm噴管擴(kuò)張段與喉部截面之間用半徑R3=Dt=16mm的圓弧過渡噴管出口角取2e=150查得噴管相對長度Ln=1.7930，求大圓弧

8、相對半徑R0=Ln2+1.5-De2Dt2-121-Lnsine-1.5-De2Dtcose=4.56則：R0=R0Dt=72.97mm，圓整取73mmLn=LnDt=28.688mm，圓整取29mmX0=Ln+R0sine=38.528mm，圓整取39mmY0=R0cose-De2=56.375mm，圓整取57mmm=sin-1Ln+R0sineR0+Dt=22.46°。4.推力室頭部設(shè)計(jì)采用帶切向孔的直流-離心式噴嘴，燃料采用切向式離心噴嘴，氧化劑采用直流式噴嘴；排布方式：中間1個(gè)噴嘴，外圈均布3個(gè)噴嘴，燃料和氧化劑噴嘴數(shù)量為nf=n0=4。4.1 燃料噴嘴設(shè)計(jì)已知：75%酒精密

9、度：f=877.3kgm3酒精噴嘴壓降p0=0.2pc=0.4MPa根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定流量系數(shù)。取ld=3，得到=0.8則有 Anf=qmfcf2fpf=5.049×10-6m2df=4Anfnf=1.035mm，圓整取1.1mmlf=3df=3.3mm該噴嘴為自擊式，故s始終為0，取噴嘴偏轉(zhuǎn)角度f=45°。4.2 氧化劑噴嘴：氧化劑噴嘴質(zhì)量流量qmoh=qmocnf=0.1273kg/s=0.042kg/s選取噴嘴壓降po=0.4MPa，取流量系數(shù)o=0.8。氣氧壓力pin=pc+p=2.4MPa標(biāo)準(zhǔn)狀況下，氧氣多變指數(shù)k=1.4，st=1.43kgm3。由狀態(tài)方程ppst

10、=stk得o=pinpst1kst=12.17kgm3氣氧的噴出速度為wo=2kk-1RTin1-pcpink-1k=2×1.41.4-1×259.8×273.15×1-22.041.4-11.4=52.94m/s由氣體直流噴嘴的質(zhì)量流量方程得Ano=qmohowoo=0.0320.8×55.30×12.17×106mm2=81.49mm2噴孔直徑do=4Anon0=5.88mm，圓整取do=6mm，lo=18mm由幾何關(guān)系可知壁厚b=22lf+d=3.1mm，圓整取b=4mm5.推力室身部設(shè)計(jì)5.1 推力室圓筒段冷卻計(jì)算5

11、.1.1 燃?xì)獾臍鈩?dòng)參數(shù)圓筒段燃?xì)鉁囟萒st=3006K燃?xì)舛嘧冎笖?shù)k=1.15燃?xì)舛▔罕葻崛?cp=2.296kJkgK燃?xì)庹扯?=1.0×10-4Pas燃?xì)馄绽侍財(cái)?shù) Pr=0.58815.1.2 計(jì)算燃?xì)馀c內(nèi)壁面的對流換熱密度圓筒段橫截面積A=14Dc2=3.217×10-3m2噴管喉部過渡平均半徑R=0.5R1+R3=14mm假設(shè)內(nèi)壁溫度：Twg=500K。利用巴茲法計(jì)算燃?xì)馀c內(nèi)壁面的對流換熱系數(shù)：根據(jù)TwgTst=0.166，查表得到考慮附面層內(nèi)燃?xì)庑阅茏兓男拚禂?shù)=1.52。燃?xì)馀c內(nèi)壁面的對流換熱系數(shù)hg=0.026Dt0.20.2cpPr0.6nspcc*0.

12、8DtR0.1AtA0.9=1067W/(m2K)燃?xì)馀c內(nèi)壁面的對流換熱密度qk=hgTst-Twg=2.675×106Wm25.1.3 計(jì)算燃?xì)馀c內(nèi)壁面的輻射熱流密度根據(jù)Lc1Dc=1.78，查得氣體對整個(gè)壁面輻射的平均射線長l=0.85Dc=54.4mm水蒸氣分壓 pH2O=pcnH2On=1.12MPa二氧化碳分壓 pCO2=pcnCO2n=0.34MPa計(jì)算得到 pH2Ol=0.061MPam pCO2l=0.018MPam查圖得水蒸氣發(fā)射率0H2O=0.014，指數(shù)關(guān)系n=1+kH2OpH2O=1.6，則水蒸氣的實(shí)際發(fā)射率為H2O=1-1-0H2On=1-1-0.0141.

13、6=0.0223查圖得二氧化碳發(fā)射率CO2=0，則總的發(fā)射率為g=H2O+CO2-H2OCO2=0.0223壁面發(fā)射率一般取為0w=0.8，則實(shí)際有效壁面發(fā)射率為W=0W1+1-0W1-g=0.956由于壁面溫度較低，故壁面對燃?xì)獾妮椛淇梢院雎?，因此燃?xì)廨椛錈崃髅芏葹閝r=5.67wgTg1004-gTwg1004=5.67wgTg1004=9.870×104Wm25.1.4 計(jì)算總熱流密度、總熱流量及冷卻劑流量總熱流密度 q=qk+qr=2.774×106Wm2取推力室圓筒段壁厚=1mm，則外壁面溫度TWf=TWg-qw=492K總熱流量 =q2Rclc=6.36

14、5;104W若要求冷卻水通過冷卻通道時(shí)的溫升為40K，則冷卻水流量為qco=CpcoTco=0.381kg/s冷卻水的溫度可以取為Tco=20+602+273K=313K5.1.5 確定冷卻通道參數(shù)推力室內(nèi)壁面及肋條材料為1Cr18Ni9Ti，導(dǎo)熱系數(shù)W=23.26WmK，內(nèi)壁厚=1mm，冷卻通道高度h=3mm，肋條厚b=1.5mm，冷卻通道寬a=2mm，則當(dāng)量直徑e=2aha+b=2.4mm，冷卻通道數(shù)n=57。5.1.6 計(jì)算內(nèi)壁面和外壁面溫度冷卻通道面積A=nah=3.42×10-4m2冷卻劑流速Vt=qcoAco=1.114m/s冷卻劑雷諾數(shù) e=coVtdeco=1000&

15、#215;1.25×2.4×10-30.658×10-3=4063冷卻劑普朗特?cái)?shù)Pr=Cpcococo=4.31冷卻劑努塞爾數(shù)Nuf=0.023Re0.8Pr0.4=31.8冷卻劑和外壁面的對流換熱系數(shù)hf=Nufcode=8321Wm2液體壁面溫度TWf=qphf+Tf=480K氣體壁面溫度Twg=qw+Twf=488K由計(jì)算結(jié)果可知，推力室圓筒段氣體壁面Twg=484K小于假定的溫度500K,相差2.4%小于5%，符合冷卻要求。5.2 推力室喉部冷卻計(jì)算5.2.1 燃?xì)獾臍鈩?dòng)參數(shù)喉部燃?xì)鉁囟萒st=2845K。燃?xì)舛嘧冎笖?shù)k=1.1478。燃?xì)舛▔罕葻崛軨p=

16、2.28kJkgK燃?xì)庹扯?0.0001Pas燃?xì)馄绽侍財(cái)?shù)Pr=0.5967喉部壓力pt=1.1552MPa5.2.2 計(jì)算燃?xì)馀c內(nèi)壁面的對流換熱密度喉部橫截面積A=14Dt2=2.01×10-4m2噴管喉部過渡半徑R=0.5R1+R3=14mm假設(shè)內(nèi)壁溫度：Twg=740K。利用巴茲法計(jì)算燃?xì)馀c內(nèi)壁面的對流換熱系數(shù)根據(jù)TwgTst=0.26，查表得到考慮附面層內(nèi)燃?xì)庑阅茏兓男拚禂?shù)=1.35。燃?xì)馀c內(nèi)壁面的對流換熱系數(shù)hg=0.026Dt0.20.2CpPr0.6nspcc*0.8DtR0.1AtA0.9=11320W/(m2K)燃?xì)馀c內(nèi)壁面的對流換熱密度qk=hgTst-Twg

17、=2.38×107Wm25.2.3 計(jì)算燃?xì)馀c內(nèi)壁面的輻射熱流密度根據(jù)Lc1Dc=1.78，查得氣體對整個(gè)壁面輻射的平均射線長l=0.85Dc=54.4mm水蒸氣分壓pH2O=ptnH2On=0.670MPa二氧化碳分壓pCO2=ptnCO2n=0.208MPa計(jì)算得到pH2Ol=0.036MPampCO2l=0.011MPam查圖得水蒸氣發(fā)射率0H2O=0.01，指數(shù)關(guān)系n=1+kH2OpH2O=1.4，則水蒸氣的實(shí)際發(fā)射率為H2O=1-1-0H2On=0.014查圖得二氧化碳發(fā)射率CO2=0，則總的發(fā)射率為g=H2O+CO2-H2OCO2=0.014壁面發(fā)射率一般取為0w=0.8

18、，則實(shí)際有效壁面發(fā)射率為W=0W1+1-0W1-g=0.958由于壁面溫度較低，故壁面對燃?xì)獾妮椛淇梢院雎裕虼巳細(xì)廨椛錈崃髅芏葹閝r=5.67wgTg1004-gTwg1004=5.67wgTg1004=49820Wm25.2.4 計(jì)算總熱流密度、總熱流量及冷卻劑流量總熱流密度q=qk+qr=2.39×107Wm2取推力室圓喉部壁厚=1mm，則外壁面溫度TWf=TWg-qw=740-2.39×107×1×10-3352K=672K取喉部截面長度10mm總熱流量=qS=1.15×104W冷卻水流量為qco=0.421kg/s ，則喉部內(nèi)冷卻水溫

19、升：T=qcocco=1.15×1040.421×4174=6.5K取定性溫度313K5.2.5 確定冷卻通道參數(shù)推力室內(nèi)壁面及肋條材料為1Cr18Ni9Ti，導(dǎo)熱系數(shù)W=23.26WmK，內(nèi)壁厚=1mm，冷卻通道高度h=3mm，肋條厚b=1.5mm，冷卻通道寬a=2mm，則當(dāng)量直徑e=2aha+b=2.4mm，冷卻通道數(shù)n=14。5.2.6 計(jì)算內(nèi)壁面和外壁面溫度冷卻通道面積A=14ah=8.4×10-5m2 冷卻劑流速Vt=qcoAco=5.01m/s 冷卻劑雷諾數(shù)Re=coVtdeco=18357冷卻劑普朗特?cái)?shù)Pr=Cpcococo=4.31 冷卻劑努塞爾數(shù)

20、Nuf=0.023Re0.8Pr0.4=106冷卻劑和外壁面的對流換熱系數(shù)hf=Nufcode=28223Wm2 液體壁面溫度TWf=qphf+Tf=683K氣體壁面溫度Twg=qw+Twf=727K由計(jì)算結(jié)果可知，推力室喉部氣體壁面Twg=727K大于假定的溫度740K,相差1.7%小于5%，且當(dāng)Twg=727K時(shí)1Cr18Ni9Ti不會(huì)失效，故符合冷卻要求。6.推力室強(qiáng)度校核6.1推力室圓筒段強(qiáng)度校核圓筒段所選材料為1Cr18Ni9Ti，查機(jī)械手冊得：抗拉強(qiáng)度為b=550MPa，屈服極限為s=200MPa將推力室圓筒段視為承壓薄壁圓筒，其周向應(yīng)力為1=t=pcDc21=32MPa軸向應(yīng)力為

21、2=x=FA=1.22MPa徑向應(yīng)力為3=r=pc=2 MPa推力室圓筒段內(nèi)壁溫度約400K，溫度較高，材料的屈服極限有所下降，故采用較大的安全系數(shù)，取n=2.5許用應(yīng)力為s=sn=80MPa由第三強(qiáng)度理論有r3=1-3=30MPa<s由第四強(qiáng)度理論有r4=（1-2）2+（2-3）2+（3-1）22=30.3MPa<s由此推力室圓柱段滿足強(qiáng)度條件6.2噴管強(qiáng)度校核噴管所選材料為1Cr18Ni9Ti，查機(jī)械手冊得：抗拉強(qiáng)度為b=550MPa，屈服極限為s=200MPa噴管喉部周向應(yīng)力1=t=ptDt21=4.58MPa噴管喉部軸向應(yīng)力為2=x=FA=514(0.0102-0.0082

22、)=4.72MPa噴管喉部徑向應(yīng)力為3=r=pt=1.207MPa推力室圓筒段內(nèi)壁溫度約640K，溫度更高，材料的屈服極限下降更多，故采用更大的安全系數(shù)，取n=5許用應(yīng)力為s=sn=40MPa由第三強(qiáng)度理論有r3=1-3=3.483MPa<s由第四強(qiáng)度理論有r4=（1-2）2+（2-3）2+（3-1）22=3.41MPa<s由此推力室噴管段滿足強(qiáng)度條件綜上，推力室各段在保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能和冷卻要求的前提下均滿足強(qiáng)度條件。7.點(diǎn)火器設(shè)計(jì)點(diǎn)火器采用棒料加工而成，在棒料的一側(cè)邊鉆孔，用來安裝酒精管嘴和電點(diǎn)火塞，氣氧管嘴安裝在上部平面。為保證點(diǎn)火腔有一定的壓力，應(yīng)設(shè)計(jì)燃?xì)馔ǖ篮聿?，具體計(jì)算如下

23、：At(點(diǎn)火）=C*q點(diǎn)火p點(diǎn)火=2.831×10-5m2dt(點(diǎn)火）=6mm8.螺栓強(qiáng)度校核燃燒室壓力為2MPa，酒精腔壓力為2.4MPa，氣氧腔壓力為2.5MPa，噴管出口壓強(qiáng)為1 atm。本地面試驗(yàn)用氣氧酒精發(fā)動(dòng)機(jī)采用強(qiáng)度等級(jí)為4.6級(jí)受拉螺栓，螺栓材料為鋼，其強(qiáng)度極限為b=400MPa則其屈服極限為s=0.6×400=240MPa取安全系數(shù)為1.5，則許用屈服極限為=2401.5=160MPa綜合螺栓受力，得到與下底和法蘭連接的螺栓所受的力為=pSns=102.9MPa<上底與中底采用螺釘連接，校核如下 =pSns=14.8MPa<經(jīng)過校核，所有螺栓和螺

24、釘強(qiáng)度都符合要求。9.整體結(jié)構(gòu)分析為便于設(shè)計(jì)加工，結(jié)構(gòu)上多采用焊接進(jìn)行連接。該發(fā)動(dòng)機(jī)是單件生產(chǎn)，因此大部分零件均采用機(jī)械加工，零件盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燃?xì)鉁囟容^高，對材料耐高溫性能均有很高的要求。9.1頭部結(jié)構(gòu)該發(fā)動(dòng)機(jī)采用三底兩腔的經(jīng)典結(jié)構(gòu)。上底和中底通過螺釘連接。該發(fā)動(dòng)機(jī)僅用于地面，故可以采用簡單且可重復(fù)使用的電點(diǎn)火方式。氣氧和酒精分別通過不同的管路進(jìn)入兩個(gè)腔體，并從三個(gè)直流撞擊式噴嘴噴入燃燒室燃燒。9.2噴注器 本發(fā)動(dòng)機(jī)是氣氧酒精雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)，采用直流撞擊式雙組元噴注器。作為燃料的酒精通過自擊式噴嘴噴注進(jìn)入燃燒室，這樣液滴細(xì)度高好而且混合距離短。作為氧化劑的氣氧，從結(jié)構(gòu)簡單原則敖律，讓其通過中間的直流噴嘴噴出，與酒精混合即可。噴注盤面較小，故噴嘴數(shù)量不宜過多，可選擇三個(gè)噴注器并均勻分布在點(diǎn)火器出口的圓周上。9.3點(diǎn)火器該發(fā)動(dòng)機(jī)用于地面試驗(yàn)，故可以使用電點(diǎn)火，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，可重復(fù)使用，點(diǎn)火組元仍然采