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

1、word / 24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)：學(xué)151075專業(yè) 名稱：飛行器動(dòng)力工程航天指導(dǎo)教師： X 黎輝課程設(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)與設(shè)計(jì)技術(shù)要求推力：500N燃料：氣氧+75%酒精余氧系數(shù)：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)展熱力計(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(zhǎng)度，喉部直徑，噴管收斂段、擴(kuò) X段長(zhǎng)度，噴管出口直徑。2進(jìn)展噴嘴設(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

2、至2016年1月22日學(xué)生：李東來指導(dǎo)教師：X黎輝班級(jí)： 121516教研室主任：目錄 TOC o 1-5 h z .設(shè)計(jì)參數(shù)1.推力室參數(shù)計(jì)算結(jié)果1.推力室結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算2.推力室頭部設(shè)計(jì)4.燃料噴嘴設(shè)計(jì)4. HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 氧化劑噴嘴：4.推力室身部設(shè)計(jì)6.推力室圓筒段冷卻計(jì)算6燃?xì)獾臍鈩?dòng)參數(shù).6.計(jì)算燃?xì)馀c內(nèi)壁面的對(duì)流換熱密度 6計(jì)算燃?xì)馀c內(nèi)壁面的輻射熱流密度 7 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 計(jì)算總熱流密度、總熱流量與冷卻劑流量 8確定冷卻通道參數(shù)8word V /

3、24計(jì)算內(nèi)壁面和外壁面溫度 8推力室喉部冷卻計(jì)算9.燃?xì)獾臍鈩?dòng)參數(shù)9.計(jì)算燃?xì)馀c內(nèi)壁面的對(duì)流換熱密度 9計(jì)算燃?xì)馀c內(nèi)壁面的輻射熱流密度 1 0 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 計(jì)算總熱流密度、總熱流量與冷卻劑流量 11確定冷卻通道參數(shù) 1.2計(jì)算內(nèi)壁面和外壁面溫度 12.推力室強(qiáng)度校核1.3 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 推力室圓筒段強(qiáng)度校核13 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 噴管強(qiáng)度校核1.4.點(diǎn)火器設(shè)計(jì) 1.5.螺栓強(qiáng)度校核1.5.

4、整體結(jié)構(gòu)分析1.6頭部結(jié)構(gòu)1.6噴注器16 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 點(diǎn)火器1.7推力室1.7密封結(jié)構(gòu)1.7.感悟.17參考文獻(xiàn)15word / 24推力：推進(jìn)劑：氣氧+75%酒精余氧系數(shù)：燃燒室壓力：氏二鶴出口壓力：化學(xué)當(dāng)量混合比加=1485,實(shí)際混合比=1/88 ,地面理論比沖MX注787w 特征速度/ = i649.35m/s,擴(kuò)x比=3. 6m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)MPa22燃?xì)鉁囟? K219kJ/(kg K)2.29681Pr0.58810.58810.5967266燃?xì)庹扯萲g/(m s)00

5、007絕熱比熱比k8二氧化碳摩爾分?jǐn)?shù)0.17044160.17044160.17956220.1856942水蒸氣摩爾分?jǐn)?shù)0.56308100.56308100.57565930.5834841取燃燒室效率庇=0叫噴管效率% = 046推力室總質(zhì)量流量為：%.=不再=0.234幻/S從而得出：推力室氧化劑質(zhì)量流量：qtO產(chǎn)x不+ 推力室燃料質(zhì)量流量：/嘰=%血-珞皿=0173,5噴管喉部面積：喉部直徑D= .&=1568mm，圓整取16111111 ,如此4=2,01 x 1尸標(biāo)取燃燒室的特征長(zhǎng)度燃燒室容積, ,：利用燃燒室收縮比求燃燒室直徑取燃燒室收縮比為此二竺如此燃燒室橫截面積為:Ac -

6、 cAt - 3.217X)7T燃燒室直徑為:設(shè)計(jì)推力室噴管雙圓弧收斂段型面選擇曰5%坐陋 圓整取二12mm選擇沁，取w5,如此Rp凡=N訊=8。頡如此收斂段長(zhǎng)度為：Lc2 = Rj(k + pj%)三(p1)幣 k +二產(chǎn)式中，北二45，二16,如此計(jì)算得&=61.96nun。圓整取 5 = 62 mm以小和叱所作圓弧切點(diǎn)的位置為h = F771” = 8.09mmH =- A = S3.91mmy =幽 + 4 0爐品二層=1 LI4mm收斂段容積為：-.I V -V.,燃燒室圓柱段的長(zhǎng)度為： % = 113.33mm,圓整取114mm噴管擴(kuò)X段直徑/= 30.505rmn,圓整取32mm

7、噴管擴(kuò)X段與喉部截面之間用半徑3=二16川斯的圓弧過渡噴管出口角取現(xiàn)二查得噴管相對(duì)長(zhǎng)度% = L?93 ,求大圓弧相對(duì)半徑如此：比一晉一絲吧,圓整取73mm%叼QISS哂,圓整取國(guó)生/吐3n瓦=3區(qū)528網(wǎng)圓整取39MI-0-% = R呼%-工=56.375mm,圓整取57mm% = sin1 丁 = 22, 46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)量為叼=間=4。:75%酒精細(xì)度： TOC o 1-5 h z 酒精噴嘴壓降.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定流量系數(shù)。取4=3,得到從=S8如此有,/二等=

8、L035mm與=3df = 3.3mm必= 45該噴嘴為自擊式，故,始終為0,取噴嘴偏轉(zhuǎn)角度,4.2氧化劑噴嘴:氧化劑噴嘴質(zhì)量流量0,127= 9 = ao42k 切5選取噴嘴壓降上0.4Mp巴取流量系數(shù)4 = 0月氣氧壓力Pin = pf+3p= 2AMPa標(biāo)準(zhǔn)狀況下，氧氣多變指數(shù)k=1.4, P5 = 143工9 /。由狀態(tài)方程，=償)得氣氧的噴出速度為由氣體直流噴嘴的質(zhì)量流量方程得Imoh。.。32兀 O B x 55-3q X 12.17X 10%1病=81,4 777777J噴孔直徑心= = 5,88叫圓整取% = 6mHi,白=1畫由幾何關(guān)系可知壁厚6 = *a + d) = 3.

9、1mjn,圓整取匕=4mm圓筒段燃?xì)鉁囟热細(xì)舛▔罕葻崛?燃?xì)庹扯龋喝細(xì)馄绽侍財(cái)?shù)P二 S5881圓筒段橫截面積A = -tiD1 = 3.217 X W-3m噴管喉部過渡平均半徑R = 0.5(Ri + R3)- 14伽假設(shè)內(nèi)壁溫度：性廣。號(hào)=1,52利用巴茲法計(jì)算燃?xì)馀c內(nèi)壁面的對(duì)流換熱系數(shù)：根據(jù)請(qǐng)=0166,查表得到考慮附面層內(nèi)燃?xì)庑阅茏兓男拚禂?shù)燃?xì)馀c內(nèi)壁面的對(duì)流換熱系數(shù)0.026（心j仇I/閨叫陽“3 、與=下再1前力 V/目JW仃- 16%/州.*）HS燃?xì)馀c內(nèi)壁面的對(duì)流換熱密度I根據(jù)=178,查得氣體對(duì)整個(gè)壁面輻射的平均射線長(zhǎng)I = 0,85“ _ 54,4mm打也口水蒸氣分壓Ph

10、20 = Pcr= 1. 12MPa氧化碳分壓 Pg = pr - = Q, 31 MPa計(jì)算得到Ph2o 0 061 MPq -小隊(duì)0 I = 0.0 iyMPa m查圖得水蒸氣發(fā)射率叫。=,指數(shù)關(guān)系n=1 + 5而內(nèi)。=L 6 ,如此水蒸氣的實(shí)際發(fā)射率為9m = 1-(1-坳乩0y= 1-(1-0.014)16 = 0. 0223查圖得二氧化碳發(fā)射率（，,如此總的發(fā)射率為g - H20 + 包% 小”口二 口 022 m壁面發(fā)射率一般取為Ew -。,8,如此實(shí)際有效壁面發(fā)射率為w =即wll +11 一 口川（1 一%）1 = 0. 956由于壁面溫度較低，故壁面對(duì)燃?xì)獾妮椛淇梢院雎?，因?/p>

11、燃?xì)廨椛錈崃髅芏?.1.4計(jì)算總熱流密度、總熱流量與冷卻劑流量總熱流密度閆=以+% = 2, 774 X 1。6皿/加工取推力室圓筒段壁厚臺(tái)=1叫 如此外壁面溫度丁必二丁出廠兀二492K總熱流量中=q，領(lǐng)隊(duì)6.36 x 10%1假如要求冷卻水通過冷卻通道時(shí)的溫升為 40K,如此冷卻水流量為中q = r. AT S 381kg/9Jpro 口1 co冷卻水的溫度可以取為%= (j+ 273)K = 313K推力室內(nèi)壁面與肋條材料為1Cr18Ni9Ti,導(dǎo)熱系數(shù)加=23.26W / (m - K),內(nèi)壁厚 冷卻通道高度h=3mm,肋條厚b=1.5mm,冷卻通道寬a=2mm,工曲如此當(dāng)量直徑% =二

12、Q - 2 Jnn ,冷卻通道數(shù)n=57。冷卻通道面積吧上3 42父1-4五冷卻劑流速 3 忐;=1.114mA冷卻劑雷諾數(shù)100。* 1至箕 2,4 X n k - 65a 某 1U r4063word / 24word喉部橫截面積卜二、必=2 01 * 1五 / 24冷卻劑普朗特?cái)?shù)Pt =看二131冷卻劑努塞爾數(shù)Nu=0023吧3L8冷卻劑和外壁面的對(duì)流換熱系數(shù) % =將二液體壁面溫度氣體壁面溫度：,由計(jì)算結(jié)果可知，推力室圓筒段氣體壁面丁收：484*小于假定的溫度500K, 相差2.4%小于5%,符合冷卻要求。喉部燃?xì)鉁囟?匚8”小。燃?xì)舛嘧冎笖?shù)k=1.1478。燃?xì)舛▔罕葻崛軨p = 2

13、.2BkJ / kg K燃?xì)庹扯热細(xì)馄绽侍財(cái)?shù)Pr=0.5967孫.日上Pt = L1552MPa 喉部壓力噴管喉部過渡半徑 1假設(shè)內(nèi)壁溫度：N：740K。利用巴茲法計(jì)算燃?xì)馀c內(nèi)壁面的對(duì)流換熱系數(shù)根據(jù)第=。？6,查表得到考慮附面層內(nèi)燃?xì)庑阅茏兓男拚禂?shù) 口 = 1理。燃?xì)馀c內(nèi)壁面的對(duì)流換熱系數(shù)26便. 依歸瓦產(chǎn)修”? J圖U * 11320w/（m K）RS燃?xì)馀c內(nèi)壁面的對(duì)流換熱密度心=%（乙-丁咒g） = 2 ：花 X 107卬/ m2根據(jù)意=178 ,查得氣體對(duì)整個(gè)壁面輻射的平均射線長(zhǎng)1 = 0.85% = 5 4.4曬水蒸氣分壓.二氧化碳分壓,、叫” = S036MP岫=60叫網(wǎng)- m計(jì)

14、算得到1查圖得水蒸氣發(fā)射率型二0已指數(shù)關(guān)系二三叵。也小1,如此 水蒸氣的實(shí)際發(fā)射率為h2o = 1 （1 ./打油二 0.。14查圖得二氧化碳發(fā)射率= 0,如此總的發(fā)射率為% =- hoco = 0.014壁面發(fā)射率一般取為即w - S8,如此實(shí)際有效壁面發(fā)射率為印=即附11 + 11 - 口”）。一 %力二 0. 958由于壁面溫度較低，故壁面對(duì)燃?xì)獾妮椛淇梢院雎裕虼巳細(xì)廨椛錈崃髅芏萳 = 5,67 % . %（而蘇-%（訴）5*7 * 3 /tqJ 二 4兜2。“，$5.2.4計(jì)算總熱流密度、總熱流量與冷卻劑流量總熱流密度q = q今二之 39 X 107lV/m2取推力室圓喉部壁厚如此

15、外壁面溫度q6 2 39 x 10? x x 10i丁叼=想一兀二卜4。一 = S72K取喉部截面長(zhǎng)度10mm總熱流量,-冷卻水流量為Qm=0M21kJs ,如此喉部?jī)?nèi)冷卻水溫升:中 1.15乂104“T = 0.421 X41；4 =匕 M取定性溫度313K推力室內(nèi)壁面與肋條材料為1Cr18Ni9Ti,導(dǎo)熱系數(shù)m=26 / (mK,內(nèi)壁厚6 = 1 mm,冷卻通道高度h=3mm,肋條厚b=1.5mm,冷卻通道寬a=2mm, , 2ah如此當(dāng)量直徑 4 = =2.4m,冷卻通道數(shù)n=14。冷卻通道面積冷卻劑流速nMt卅/R冷卻劑雷諾數(shù)R=18357冷卻劑普朗特?cái)?shù)Pr 二 片 二九3冷卻劑努塞爾

16、數(shù)NW= 0.023R照PrM = 106冷卻劑和外壁面的對(duì)流換熱系數(shù)hf = 28223卬 / m2液體壁面溫度:氣體壁面溫度兀田=焉+ %= 727Kt = -77*由計(jì)算結(jié)果可知，推力室喉部氣體壁面.白,大于假定的溫度740K,相差1.7%小于5%,且當(dāng)5二時(shí)1CU8Ni9Ti不會(huì)失效，故符合冷卻要求。推力室圓筒段強(qiáng)度校核圓筒段所選材料為1CU8Ni9Ti,查機(jī)械手冊(cè)得：抗拉強(qiáng)度為 屈服極限為.將推力室圓筒段視為承壓薄壁圓筒，具周向應(yīng)力為PcDc軸向應(yīng)力為F仃？ =。k f = 122MP&上 x A徑向應(yīng)力為= crr = pr = 2 MPa推力室圓筒段內(nèi)壁溫度約1。*,溫度較高，材

17、料的屈服極限有所下降，故采用較大的安全系數(shù)，取許用應(yīng)力為as%=80Mp0由第三強(qiáng)度理論有療啟=仃療M Pcl 仃/由第四強(qiáng)度理論有（）1-叼）2+ （外嗎） 2+ （內(nèi)一/）由此推力室圓柱段滿足強(qiáng)度條件噴管強(qiáng)度校核噴管所選材料為1CU8Ni9Ti,查機(jī)械手冊(cè)得：抗拉強(qiáng)度為 服極限為兄=200MPQ噴管喉部周向應(yīng)力Ptt g = 4.58MPa514噴管喉部軸向應(yīng)力為s- = 472 MPaff(0.010z-0.008 z)噴管喉部徑向應(yīng)力為3 = ar = Pl L207MPQ推力室圓筒段內(nèi)壁溫度約64消，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)，取許用應(yīng)力為由第三強(qiáng)度理論有

18、= %一內(nèi) =3.483MPq V 屹由第四強(qiáng)度理論有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?喉部，具體計(jì)算如下：l , q立火.,4（點(diǎn)火）- = 2.831 X 10-W 口點(diǎn)火4（點(diǎn)火）=6E燃燒室壓力為2MP。,酒精腔壓力為附PR氣氧腔壓力為附網(wǎng)噴管出口壓 強(qiáng)為1a如】。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)為受拉螺栓，螺栓材料 為鋼，其強(qiáng)度極限為% = 400MPQ如此其屈服極限為口甘= 0

19、.6 X 400 二 240MPQI OI取安全系數(shù)為1.5,如此許用屈服極限為240寸=160Mp 口綜合螺栓受力，得到與下底和法蘭連接的螺栓所受的力為pS”=1025MPa n * s上底與中底采用螺釘連接，校核如下a =- 14,8/VfPti 0 經(jīng)過校核，所有螺栓和螺釘強(qiáng)度都符合要求。為便于設(shè)計(jì)加工，結(jié)構(gòu)上多采用焊接進(jìn)展連接。該發(fā)動(dòng)機(jī)是單件生產(chǎn)，因此 大局部零件均采用機(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(duì)材料耐高溫性能均有很高的要求。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(jiǎn)單且可重復(fù)使用的電點(diǎn)火方式。氣氧和酒精分

20、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。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(jiǎn)單原如此放律，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。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(jiǎn)單，可靠性高，可重復(fù) 使用，點(diǎn)火組元仍然采用氣氧和酒精，使其燃燒產(chǎn)物同推力室一致，預(yù)燃室通過 螺紋與上底連接。點(diǎn)火器的燃?xì)馔ㄟ^其喉部進(jìn)入燃燒室點(diǎn)燃主推進(jìn)劑。燃燒室為圓筒形，圓筒段采用的材料為 1CU8Ni9TB圓筒段采用的冷卻方式為外