专利名称：低成本可变内径燃烧室及其设计和试验方法
低成本可变内径燃烧室及其设计和试验方法
技术领域：
本发明涉及一种用于获得低成本的可变内径燃烧室及其设计和试验方法。本发明
特别涉及应用于液体火箭发动机可变内径的燃烧室及其设计和试验方法。背景技术：
在火箭发动机推力室的研制过程中，特别是作为推力室主要组件的喷注器的研制 过程中，在大量的初始研究阶段，为了能够充分地开展试验研究，往往需要对燃烧室内径进 行变化以获得不同工况下的数据。 在地面进行燃烧试验研究中，一般采用两种燃烧室结构形式，即容热式和水冷却 式。而容热式结构较再生冷却方式具有结构简单、成本低、便于维护等优势，虽然其具有单 次试验持续时间短的缺点，但在推力室的初始试验阶段，一般都不需要较长的试验时间，因 此容热式结构在推力室燃烧试验初始阶段研究中被广泛采用。而为了节约成本和便于测量 需要，容热式燃烧室一般都整体采用高导热率材料(如纯铜)。 —般在不同燃烧室内径下进行的试验研究，都采用以下两种方法l、 Calhoon， D. ， Ito， J. and Kors， D. ，"Investigation of Gaseous Propellant Combustion and Associatedlnjector-Chamber design Guide-lines， ，， [R] Aerojet Liquid Rocket Company, NASACR-121234, Contract NAS3-13379, July 1973.采用不同内径的整体燃烧室 结构，即需要改变内径试验时，则将燃烧室进行整体更换，这种方式简单易行，但由于是整 体的更换，当需要试验的不同内径工况较多时，必须设计出相同个数整体燃烧室。为了能 够在火箭发动机高温高压环境下有良好的热防护，零件都设计成体积大、重量大，但采用数 量较多时，成本随之线性上升，且重量大不易置换。2、只采用一个容热式燃烧室，根据试验 需要将试验进度安排为先进行小尺寸内径的试验，再扩大内径以开展大尺寸内径的试验 研究，这种方法由于仅采用了一个燃烧室，成本最低；但是不能灵活地开展不同内径之间的 交换试验，像在开展试验研究中，往往需要在进行了大尺寸内径的试验后，还需要进行小尺 寸的试验，该方法就不能适用，其严格限制了使用的流程；且该方法需要不断地进行修改内 径，势必增加时间成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种成本低、能够方便更换燃烧室内径试验研究的容热式燃 烧室及其设计和试验方法，特别是在需要内径尺寸个数较多的情况下最为适用。
—种低成本可变内径燃烧室及其设计和试验方法，属于发动机燃烧室试验领域。 燃烧室包括头部、身部和喷管部分。燃烧室采用容热式结构，材料采用高导热率的纯铜材 料，且身部分成内外两个零件，即内衬套和外套筒。分别对燃烧室头部、喷管和身部结构进 行设计，设计身部时，首先采用热分析计算，根据内径变化的需要，获得外套筒的尺寸和个 数。试验时，一个外套筒与多个内衬套配合以达到变内径试验的方法，内衬套个数等于所需 的内径尺寸个数。内衬套与外套筒加工方面进行配做完成，并通过公差保证间隙。燃烧室
3身部密封位置在于内衬套的两端。 本发明的可变内径燃烧室及其设计和试验方法具有的优点和积极效果在于(1) 由于只采用了比所需内径尺寸数少得多的外套筒，且外筒套在整体燃烧室结构中所占体积 大、成本比例高，因此所设计的结构成本低，特别是在较大尺寸的燃烧室设计中，能够大量 节约成本；(2)由于采用了可易于拆换的内衬套结构，因此可以随意地、灵活地更换燃烧室 内径进行试验研究，应用方便，能够灵活地适应于试验进度。该方法适用范围广，可以推广 到喷管等部分的应用。
图1是可变内径燃烧室装配示意图具体实施方式
下面结合附图用实施例来进一步说明本发明，实施例采用推力室研制初期广泛采 用的单喷嘴燃烧室进行说明，方法同样适合于多喷嘴燃烧室工况。 实施此测量方法所用装置主要包括头部1、身部外套筒2、身部内衬套3、尾部喷 管部分4。 整个设计过程安排如下 1、根据所需变化的内径范围和个数确定外套筒2的个数。 一方面，必须保证外套
筒2所占整体燃烧室身部材料质量达到一定的量，否则成本节约不明显；另一方面，必须保
证内衬3厚度不能太薄，否则内衬3刚度太低，且燃烧室密封难以保证。 2、采用热分析计算，对每一个种厚度的内衬3两头密封部位进行校核检查，计算
中，假设内外套形成一体，进行非稳态计算所需试验时间。如果发现密封区域温度超过密封
材料允许温度，则必须增加内衬厚度以达到热防护的可靠性。 3、确定好外套筒内径尺寸，首先设计加工外套筒，与其配合装配的内衬外径必须 与其配做，间隙距离在0. 02-0. 08mm之间即能满足试验需要。而由于外套筒与内衬套之间 间隙很小，在试验过程中内衬受热与外套筒贴合，热量导入外套筒中，能够保证热防护的可 靠性。 燃烧室安装过程为首先将外套筒与内衬套进行配合安装，再与头部和喷管进行 配合安装即可完成。
权利要求
一种低成本可变内径燃烧室，包括头部、身部和喷管部分，燃烧室采用容热式结构，材料采用高导热率的纯铜材料，其特征在于身部分成内外两个零件，即内衬套和外套筒。(附图标记)
2. 根据权利要求1所述的低成本可变内径燃烧室，其特征在于内衬套和外套筒分别在各自的靠近喷管端设有台肩，用于加强内衬套的轴向定位。
3. 根据权利要求1或2所述的低成本可变内径燃烧室，其特征在于所述的内衬套两端分别设有用于放置密封部件的台肩，以在燃烧室身部两端形成密封。
4. 根据权利要求3所述的低成本可变内径燃烧室，其特征在于一个外套筒与多个内衬套配合以达到变内径试验的目的。
5. 根据权利要求4所述的低成本可变内径燃烧室的设计方法，其特征在于所述的内衬套与外套筒加工方面进行配做完成，并通过公差保证间隙。
6. 权利要求l所述的低成本可变内径燃烧室的设计方法，设计步骤包括(a)设计头部喷嘴及喷注器结构；(b)设计喷管尺寸结构；(C)设计身部结构。其特征在于设计身部结构时，必须首先采用热分析计算，根据内径变化的需要，获得外套筒的尺寸和个数。
7. 利用权利要求1所述的低成本可变内径燃烧室进行试验的方法，其特征在于用同一个外套筒与不同内径的多个内衬套分别结合进行试验。
全文摘要
一种低成本可变内径燃烧室及其设计和试验方法，属于燃烧室结构设计方法领域。燃烧室包括头部、身部和喷管部分。燃烧室采用容热式结构，材料采用高导热率的纯铜材料，且身部分成内外两个零件，即内衬套和外套筒。首先采用热分析计算，根据内径变化的需要，获得外套筒的尺寸和个数。一个外套筒与多个内衬套配合以达到变内径试验的方法。内衬套与外套筒加工方面进行配做完成，并通过公差保证间隙。可以节约燃烧室材料、降低试验成本并缩短燃烧室试验周期。
文档编号F23R3/00GK101737805SQ20081022599
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月10日 优先权日2008年11月10日
发明者杜正刚, 汪小卫, 蔡国飙, 金平 申请人:北京航空航天大学