北航課程設(shè)計(jì)-氣氧酒精火箭發(fā)動機(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:12151075專 業(yè) 名 稱:飛行器動力工程(航天 指 導(dǎo) 教 師:張黎輝課程設(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)并繪制推力室部件總圖。4 零件設(shè)計(jì):5 撰寫設(shè)計(jì)說明書。四、課

2、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:121516教研室主任: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) . 3 4.1 燃料噴嘴設(shè)計(jì) . 34.2 氧化劑噴嘴: . 36. 推力室強(qiáng)度校核 . 10 6.1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) . 12 9.2噴注器 . 13 9.3點(diǎn)火器 . 13 9.4推力室 . 13 9.6密封結(jié)

3、構(gòu) . 13 10. 感悟 . 14參考文獻(xiàn) . 151. 設(shè)計(jì)參數(shù)推力:Ftc=500N推進(jìn)劑:氣氧 +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 Istct =2317.87m/s,特征速度 c =1649.35m/s,擴(kuò)張比 e=3.635。 3. 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=FtcIstct cn=0.234kg/s從而得出:推力室氧化劑質(zhì)量流量:qmoc=qmc×rm

4、crmc+1=0.127kg/s推力室燃料質(zhì)量流量:qmfc=qmc qmoc=0.107kg/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=c Dt=64mm設(shè)計(jì)推力室噴管雙圓弧收斂段型面選擇 R1=1.5Rt=

5、11.76mm,圓整取 R1=12mm選擇 R 2,取 =2.5,則 R2=Rc=cRt=80mm則收斂段長度為:Lc2=Rt k+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 =c2=8.09mmH=Lc2 =53.91mmy=kRt+Rt k2Rt2 2=11.14mm收斂段容積為:Vc2=1.17982385×10 4m3燃燒室圓柱段的長度為:Lc1=VcVc2Ac=113.33mm,圓整取 114mm 噴管擴(kuò)張段直徑 De=e Dt=30.505

6、mm,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,求大圓弧相對半徑R0=Ln2+1.5 De2Dt2 121 Lnsine 1.5 e2Dtcose=4.56則:R0=R0Dt=72.97mm,圓整取 73mm Ln=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

7、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%酒精密度:f=877.3kg m3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=5.049×10 6m2df=nfnf=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qmo =qmocnf= 0.127kg/s=0.042kg/s選取

8、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=1.43kg m3。 由 狀 態(tài) 方 程p pst =stk得o=pinst1kst=12.17kg m3氣氧的噴出速度為wo=2kRTin1pcink 1=2×1.4×259.8×273.15×121.4 1=52.94m/s由氣體直流噴嘴的質(zhì)量流量方程得Ano=qmoooo=0.032×106mm2=81.49mm2噴孔直徑 do=4Anon0=5.88mm,圓整取 do=6mm,

9、 lo=18mm由幾何關(guān)系可知壁厚 b=2lf+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)算圓筒段燃?xì)鉁囟?T st =3006K燃?xì)舛嘧冎笖?shù) k=1.15燃?xì)舛▔罕葻崛?cp=2.296kJkg K燃?xì)庹扯?=1.0×10 4Pa s燃?xì)馄绽侍財(cái)?shù) Pr=0.5881A= 1Dc2=3.217×10 3m2噴管喉部過渡平均半徑R =0.5R 1+R 3=14mm假設(shè)內(nèi)壁溫度:T wg =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) T wgT st=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

10、氣與內(nèi)壁面的對流換熱系數(shù)g= 0.026Dt0.2cpns=1067W/(m2 K根據(jù) L c1Dc=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 pH 2O =pc nHOn=1.12MPa二氧化碳分壓 pCO 2 =pc nCOn=0.34MPa計(jì)算得到 pH 2O l=0.061MPa mpCO2l=0.018MPa m查圖得水蒸氣發(fā)射率 0H 2O =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H 2O =1 1 0H2O查圖得二氧化碳發(fā)射率 C O2=0,則總的發(fā)射率為g=H 2O +CO2 H2OCO2=0.

11、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=5.67 w g Tg4 gTwg4=5.67 w g Tg4=9.870×104W m2總熱流密度 q=qk+qr=2.774×106W m2取推力室圓筒段壁厚 =1mm,則外壁面溫度 TWf=TWg qw=492K總熱流量 =q 2Rclc=6.36×104W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q co =pco co=0.381kg/s冷卻水的溫度可以取為

12、 T co =20+602+273K =313K推力室內(nèi)壁面及肋條材料為 1Cr18Ni9Ti ,導(dǎo)熱系數(shù) W =23.26W m K , 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=2aa+b=2.4mm,冷卻通道數(shù) n=57。冷卻通道面積 A=na =3.42×10 4m2冷卻劑流速 Vt=qcoAco=1.114m/s冷卻劑雷諾數(shù) e=coVtdeco =1000×1.25×2.4×10 30.658×10=4063冷卻劑普朗特?cái)?shù) Pr=Cpcococo=4.31冷卻

13、劑努塞爾數(shù) Nu f =0.023R e 0.8Pr 0.4=31.8冷卻劑和外壁面的對流換熱系數(shù) f=Nufcode=8321W m2液體壁面溫度 TWf=qp f+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)算喉部燃?xì)鉁囟?T st =2845K 。燃?xì)舛嘧冎笖?shù) k=1.1478。燃?xì)舛▔罕葻崛?C p =2.28kJ kg K燃?xì)庹扯?=0.0001Pa s燃?xì)馄绽侍財(cái)?shù) Pr=0.5967喉部壓力 pt=1.1552MPa喉部橫

14、截面積 A=14Dt2=2.01×10 4m2噴管喉部過渡半徑 R =0.5R 1+R 3=14mm假設(shè)內(nèi)壁溫度:T wg =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) T wgT st=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)g= 0.026 t 0.2Cpns=11320W/(m2 K燃?xì)馀c內(nèi)壁面的對流換熱密度根據(jù) L c1Dc=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 pH 2O =pt nHOn=0.670MPa二氧化碳分壓 pCO 2 =pt nCOn=0.2

15、08MPa計(jì)算得到 pH 2O l=0.036MPa mpCO2l=0.011MPa m查圖得水蒸氣發(fā)射率 0H 2O =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H 2O =1 1 0H2On=0.014查圖得二氧化碳發(fā)射率 C O2=0,則總的發(fā)射率為g=H 2O +CO2 H2OCO2=0.014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=0.958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?為qr=5.67 w g Tg4 gTwg4=5.67 w gTg4=49820W m2總熱流

16、密度q=qk+qr=2.39×107W m2取推力室圓喉部壁厚 =1mm,則外壁面溫度TWf=TWg qw=7402.39×107×1×10 3K=672K取喉部截面長度 10mm總熱流量 =q S=1.15×104W冷卻水流量為 q co =0.421kg/s ,則喉部內(nèi)冷卻水溫升:T =co co=1.15×104=6.5K取定性溫度 313K推力室內(nèi)壁面及肋條材料為 1Cr18Ni9Ti ,導(dǎo)熱系數(shù) W =23.26W m K , 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

17、, 則當(dāng)量直徑 e=2aa+b=2.4mm,冷卻通道數(shù) n=14。冷卻通道面積 A=14a =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) Nu f =0.023R e 0.8Pr 0.4=106冷卻劑和外壁面的對流換熱系數(shù)f= Nufcoe=28223W m2液體壁面溫度 TWf=qp f+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%

18、, , 且當(dāng) Twg=727K時(shí) 1Cr18Ni9Ti 不會失效, 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= pcDc1=32MPa軸向應(yīng)力為2=x= F=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= s=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

19、= (1 22+(2 3 2+(3 1 2=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= ptDt1=4.58MPa噴管喉部軸向應(yīng)力為2=x= F=514=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= s=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

20、22+(2 3 2+(3 1 2=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?喉部,具體計(jì)算如下:At(點(diǎn)火 = C q點(diǎn)火點(diǎn)火=2.831×10 5m2dt(點(diǎn)火 =6mmnull北京航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì) 9.2 噴注器 本發(fā)動機(jī)是氣氧酒精雙組元發(fā)動機(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