一种分级预冷却单壁喷管延伸段

技术领域

本发明涉及一种分级预冷却单壁喷管延伸段，属于液体火箭发动机技术领域。

背景技术

燃气发生器循环液体火箭发动机常将涡轮废气以超声速气膜的形式引入喷管延伸段，结合辐射冷却对喷管下段进行冷却，构成单壁喷管延伸段。但对于喷管出口面积比更大的上面级发动机，由于喷管延伸段轴向长度更长，受限于材料的许用温度，单级超声速冷却气膜不能完成足够长度的喷管延伸段单壁段的冷却。

考虑到单级超声速冷却气膜在气膜入口一定区域能会将单壁段壁面温度冷却至接近气膜入口总温的温度，该段温度远低于材料的许用温度，但之后单壁段壁面温度开始快速上升，即靠近超声速气膜入口段的位置由于冷却流量大、冷却效果过于充分，造成了冷却能力的浪费，可通过一定的冷却流量分配，充分利用材料耐热性能和涡轮废气(冷却剂)的冷却能力。

液体火箭发动机喉部下游壁面热流密度逐渐减小，热防护需求相应减弱，为减轻结构重量，大面积比上面级发动机喷管常采用分段结构，喷管延伸段多采用辐射和超声速气膜组合冷却的单层薄壁结构，常用的材料有能耐1000℃左右高温的镍基合金、耐1500℃左右高温的铌钨合金以及耐1800℃以上高温的复合材料，铌钨合金、复合材料成本较高且国内1.5m以上直径复合材料成型工艺不成熟，因此国内单壁喷管常采用镍基合金如GH3230等。对于燃气发生器循环液体火箭发动机超声速气膜通常来自于涡轮废气，国内外现有的结构形式是通过单个大集合器将约500℃的涡轮排气引入单壁喷管，涡轮废气通过环缝式或离散孔式收缩-扩张型喷射结构形成超声速贴壁流，对下游的单壁喷管壁面进行热防护。但是，单级气膜随着气膜与主流的掺混，气膜冷却能力迅速衰减，冷却效果相应变差。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种分级预冷却单壁喷管延伸段，在具体的流量分配下显著降低结构壁面最高温度。

本发明解决技术的方案是：

一种分级预冷却单壁喷管延伸段，包括单壁喷管延伸段上段和单壁喷管延伸段下段，

单壁喷管外壁末端设置单壁喷管延伸段上段，单壁喷管延伸段上段包括一级气膜入口、一级气膜集合器、一级气膜均流板、一级气膜收缩-扩张环缝和单壁上段基体，

单壁上段基体呈间隙连接在单壁喷管外壁上，在间隙处依次设置有一级气膜入口、一级气膜集合器、一级气膜均流板和一级气膜收缩-扩张环缝，

单壁喷管延伸段上段外壁末端设置单壁喷管延伸段下段，单壁喷管延伸段下段包括二级气膜入口、二级气膜集合器、二级气膜均流板、二级气膜收缩-扩张环缝和单壁下段基体，

单壁下段基体呈间隙连接在单壁喷管延伸段上段外壁上，在间隙处依次设置有二级气膜入口、二级气膜集合器、二级气膜均流板和二级气膜收缩-扩张环缝，

涡轮废气按照比例分成两股，不超过30％的涡轮废气形成一级超声速气膜，在靠近单壁上段基体内壁面的区域形成较低温度的保护层，以隔开较高温度的主流燃气与单壁上段基体，在一级气膜冷却效率降低至80％或者单壁喷管延伸段上段最高壁面温度接近材料许用温度的位置处设置二级超声速气膜，对单壁段剩余基体内壁进行热防护。

进一步的，一级气膜收缩-扩张环缝小于二级气膜收缩-扩张环缝。

进一步的，一级气膜收缩-扩张环缝处、二级气膜收缩-扩张环缝处均为锥形喉道，基于冷却流量确定环缝的大小。

进一步的，一级气膜均流板上均匀分布有若干孔，基于局部流速设计孔的数量和大小。

进一步的，一级气膜集合器呈半圆形扣在单壁喷管外壁上，在一级气膜入口处形成均流腔体。

进一步的，一级气膜均流板上均匀分布有若干孔，以使通过一级气膜入口进入一级气膜集合器中的涡轮废气沿周向均匀进入一级气膜收缩-扩张环缝。

进一步的，收缩-扩张环缝使涡轮废气膨胀加速，形成一级超声速气膜，较低温度的超声速气膜紧贴单壁上段基体内壁流动，将单壁上段基体与较高温度的主流燃气隔开，实现冷却。

进一步的，二级气膜集合器呈半圆形扣在单壁喷管延伸段上段外壁上，在二级气膜入口处形成均流腔体。

进一步的，二级气膜均流板上均匀分布有若干孔，以使通过二级气膜入口进入二级气膜集合器中的涡轮废气沿周向均匀进入二级气膜收缩-扩张环缝。

进一步的，二级气膜收缩-扩张环缝使涡轮废气膨胀加速，形成二级超声速气膜，较低温度的二级超声速气膜紧贴单壁下段基体内壁流动，将单壁下段基体与较高温度的主流燃气隔开，实现冷却。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明相比单级超声速气膜冷却方案可有效延长总有效气膜长度，可应用于更大面积比上面级发动机喷管延伸段，在保持涡轮废气总流量、入口参数以及单壁段喷管长度、单壁段材料辐射发射率不变的情况下，可将单壁段最高壁面温度降低140K以上，降幅达10％；

(2)本发明分级预冷却方案通过一定的冷却流量分配，将单壁段最高壁面温度显著降低，可避免高辐射发射率涂层、热障涂层等复杂工艺的使用。

附图说明

图1为分级预冷却单壁喷管延伸段示意图；

图2为单壁喷管延伸段结构形式图；

图3为单壁喷管延伸段上段结构形式图；

图4为单壁喷管延伸段下段结构形式图；

图5为现有单级和本发明分级超声速气膜冷却单壁段壁面温度对比图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

一种分级预冷却单壁喷管延伸段，如图1-4所示，包括单壁喷管延伸段上段2和单壁喷管延伸段下段4，

单壁喷管外壁末端设置单壁喷管延伸段上段2，单壁喷管延伸段上段2包括一级气膜入口21、一级气膜集合器22、一级气膜均流板23、一级气膜收缩-扩张环缝24和单壁上段基体25，

单壁上段基体25呈间隙连接在单壁喷管外壁上，在间隙处依次设置有一级气膜入口21、一级气膜集合器22、一级气膜均流板23和一级气膜收缩-扩张环缝24，

单壁喷管延伸段上段2外壁末端设置单壁喷管延伸段下段4，单壁喷管延伸段下段4包括二级气膜入口41、二级气膜集合器42、二级气膜均流板43、二级气膜收缩-扩张环缝44和单壁下段基体45，

单壁下段基体45呈间隙连接在单壁喷管延伸段上段2外壁上，在间隙处依次设置有二级气膜入口41、二级气膜集合器42、二级气膜均流板43和二级气膜收缩-扩张环缝44，

涡轮废气按照比例分成两股，不超过30％的涡轮废气形成一级超声速气膜3，在靠近单壁上段基体25内壁面的区域形成较低温度的保护层，以隔开较高温度的主流燃气与单壁上段基体25，在一级气膜冷却效率降低至80％或者单壁喷管延伸段上段2最高壁面温度接近材料许用温度的位置处设置二级超声速气膜5，对单壁段剩余基体内壁进行热防护。

一级气膜收缩-扩张环缝24处、二级气膜收缩-扩张环缝44处均为锥形喉道，基于冷却流量确定环缝的大小。一级气膜收缩-扩张环缝24小于二级气膜收缩-扩张环缝44。

一级气膜均流板23上均匀分布有若干孔，基于局部流速设计孔的数量和大小，一级气膜均流板23上均匀分布有若干孔，以使通过一级气膜入口21进入一级气膜集合器22中的涡轮废气沿周向均匀进入一级气膜收缩-扩张环缝24。

一级气膜集合器22呈半圆形扣在单壁喷管外壁上，在一级气膜入口21处形成均流腔体。二级气膜集合器42呈半圆形扣在单壁喷管延伸段上段2外壁上，在二级气膜入口41处形成均流腔体。

收缩-扩张环缝24使涡轮废气膨胀加速，形成一级超声速气膜3，较低温度的超声速气膜3紧贴单壁上段基体25内壁流动，将单壁上段基体25与较高

二级气膜均流板43上均匀分布有若干孔，以使通过二级气膜入口41进入二级气膜集合器42中的涡轮废气沿周向均匀进入二级气膜收缩-扩张环缝44。

二级气膜收缩-扩张环缝44使涡轮废气膨胀加速，形成二级超声速气膜5，较低温度的二级超声速气膜5紧贴单壁下段基体45内壁流动，将单壁下段基体45与较高温度的主流燃气0隔开，实现冷却。

现有单级超声速气膜冷却，将所有涡轮废气通过单个收缩-扩张环缝引入喷管延伸段，形成超声速贴壁流，沿喷管轴向随着超声速气膜与主流燃气的掺混，一定距离后超声速气膜冷却能力迅速减弱，单壁段壁面温度快速升高。单级超声速气膜，在临近气膜出口较长的一段区域内，单壁段壁面温度基本与气膜入口涡轮废气温度相当，远低于单壁喷管材料许用温度，而后壁面温度又会快速升高。

本专利的核心思想是通过分配冷却流量(涡轮废气)，将单壁喷管临近气膜出口段的壁面温度提高，使其最高温度略低于材料的许用温度即可，节省出更多部分冷却流量作为二级气膜，对单壁下段更长区域进行热防护。使得一、二级气膜下游的最高壁面温度基本相当，且均低于材料的许用温度，以达到充分利用材料耐热性能和涡轮废气冷却能力的目的。

本发明用少量(约30％)涡轮废气形成一级超声速气膜，在靠近单壁段基体内壁面的区域形成较低温度的保护层，以隔开较高温度的主流燃气与单壁段基体，在一级气膜冷却效率降低至约80％或者单壁段壁面温度接近材料许用温度的位置引入二级超声速气膜，对单壁段剩余基体内壁进行热防护。

本发明相比单级超声速气膜冷却方案可有效延长总有效气膜长度，可应用于更大面积比上面级发动机喷管延伸段，在保持涡轮废气总流量、入口参数以及单壁段喷管长度、单壁段材料辐射发射率不变的情况下，可将单壁段最高壁面温度降低140K以上，降幅达10％，如图5所示。

本发明分级预冷却方案通过一定的冷却流量分配，将单壁段最高壁面温度显著降低，可避免高辐射发射率涂层、热障涂层等复杂工艺的使用。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。