一种低流阻增强换热推力室身部的制作方法

本发明属于液体火箭发动机，尤其涉及一种低流阻增强换热推力室身部。

背景技术：

1、膨胀循环发动机的推进剂流经推力室身部冷却通道进行加温，之后驱动涡轮做工。对于膨胀循环发动机来说，冷却通道的作用除了保证身部内壁面温度不超过材料的许用温度外，还为涡轮做工提供着必要的工质。因此，为最大限度地挖掘膨胀循环发动机的潜力，需尽可能增大推力室的换热能力。同时，从发动机系统的整体要求出发，冷却通道的流阻需尽可能低。高换热能力、低流阻是未来膨胀循环发动机推力室的发展方向。

2、传统液体火箭发动机推力室身部燃气侧内型面是光滑的，换热面积即为内型面的表面积。冷却通道多由矩形槽构成，通道截面存在突扩、突缩的部位，通道的结构尺寸(槽宽、槽深、槽底的壁厚等)受限于传统铣槽加工工艺，这些特点限制了换热能力的进一步提高，而且增加了流阻损失。通常情况可以采用增长推力室长度的方式来提高换热能力，但是这会进一步增加通道流阻损失，增大推力室的结构尺寸和重量，从而影响发动机的整体性能。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种低流阻增强换热推力室身部，通过改进优化冷却通道结构，减小了流阻损失，在不增加推力室身部重量的情况下增大换热面积，提高了换热能力。

2、为了解决上述技术问题，本发明公开了一种低流阻增强换热推力室身部，包括：冷却夹套和高温合金外套；

3、高温合金外套安装在冷却夹套外侧；冷却夹套内侧为燃气域，用于为高温燃气流动提供必要空间；

4、冷却夹套由若干条冷却通道构成；其中，各冷却通道的截面均为连续变化的圆形或近圆形截面，且截面形状与截面积均沿轴向连续变化，减少了通道突扩、突缩，减小了局部流阻损失。

5、在上述低流阻增强换热推力室身部中，冷却剂流经冷却通道，带走冷却通道内壁面中的热量，保护冷却通道内壁面温度不超过材料安全使用所允许的温度。

6、在上述低流阻增强换热推力室身部中，各冷却通道的两端分别直接延伸到冷却夹套外壁，形成进口孔和出口孔。

7、在上述低流阻增强换热推力室身部中，该低流阻增强换热推力室身部按型面变化分为：圆柱段、收敛段和扩张段；其中，圆柱段、收敛段和扩张段光滑过渡一体成型。

8、在上述低流阻增强换热推力室身部中，

9、在圆柱段，冷却通道的截面形状为圆形，且截面积始终保持不变；

10、在收敛段，冷却通道的截面形状由圆形逐渐变为圆角矩形，且截面积逐渐减小；

11、在扩张段，冷却通道的截面形状由圆角矩形逐渐变为圆形，且截面积逐渐增大。

12、在上述低流阻增强换热推力室身部中，冷却夹套的内型面为：由若干个凸起和若干个圆弧形成的“波浪状”型面；其中，一个冷却通道对应一个凸起，相邻两个凸起之间通过一个圆弧光滑过渡连接。

13、在上述低流阻增强换热推力室身部中，凸起为圆弧状凸起，随对应的冷却通道的截面形状和截面积的变化而变化，以保证冷却通道底部的内壁面厚度均匀。

14、在上述低流阻增强换热推力室身部中，在低流阻增强换热推力室身部的出口附近，“波浪状”型面与传统的无凸起型面光滑过渡相接，避免内型面出现台阶而导致燃气在台阶附近滞止。

15、在上述低流阻增强换热推力室身部中，冷却通道顶部的外壁面为圆柱形壁面。

16、在上述低流阻增强换热推力室身部中，冷却夹套采用铜合金材料制备得到，在冷却夹套外增加高温合金外套来增加机械强度。

17、本发明具有以下优点：

18、(1)本发明公开了一种低流阻增强换热推力室身部，采用具有圆弧凸起的内壁面以增大换热面积、提高换热能力，冷却通道截面为连续变化的圆形或近圆形，满足冷却需求的同时减小通道流阻损失，具有高换热能力、低流阻等优点。

19、(2)本发明公开了一种低流阻增强换热推力室身部，采用截面形状与截面积连续变化的冷却通道，避免了通道截面的突扩与突缩，有效减小了局部流阻损失。

20、(3)本发明公开了一种低流阻增强换热推力室身部，根据圆形或近圆形截面的冷却通道结构，形成内壁圆弧状凸起，构成“波浪形”燃气侧型面，增大换热面积，提高身部换热能力，而不增加推力室重量。

21、(4)本发明公开了一种低流阻增强换热推力室身部，采用圆形或近圆形截面的冷却通道，承压能力更强，内壁厚度设计得更薄；同时，这种通道避免了矩形截面通道在截面直角区域出现低速涡的现象，一定程度上提高通道内的二次流流速，增强了换热能力。

22、(5)本发明公开了一种低流阻增强换热推力室身部，铜合金全封闭冷却通道内壁与高温合金(或不锈钢)外套相结合，保证换热能力的同时增强机械强度。

技术特征：

1.一种低流阻增强换热推力室身部，其特征在于，包括：冷却夹套(1)和高温合金外套(2)；

2.根据权利要求1所述的低流阻增强换热推力室身部，其特征在于，冷却剂流经冷却通道(4)，带走冷却通道内壁面(5)中的热量，保护冷却通道内壁面(5)温度不超过材料安全使用所允许的温度。

3.根据权利要求1所述的低流阻增强换热推力室身部，其特征在于，各冷却通道(4)的两端分别直接延伸到冷却夹套(1)外壁，形成进口孔(6)和出口孔(7)。

4.根据权利要求1所述的低流阻增强换热推力室身部，其特征在于，该低流阻增强换热推力室身部按型面变化分为：圆柱段、收敛段和扩张段；其中，圆柱段、收敛段和扩张段光滑过渡一体成型。

5.根据权利要求4所述的低流阻增强换热推力室身部，其特征在于，

6.根据权利要求5所述的低流阻增强换热推力室身部，其特征在于，冷却夹套(1)的内型面(8)为：由若干个凸起(9)和若干个圆弧(10)形成的“波浪状”型面；其中，一个冷却通道(4)对应一个凸起(9)，相邻两个凸起(9)之间通过一个圆弧(10)光滑过渡连接。

7.根据权利要求6所述的低流阻增强换热推力室身部，其特征在于，凸起(9)为圆弧状凸起，随对应的冷却通道(4)的截面形状和截面积的变化而变化，以保证冷却通道底部的内壁面厚度均匀。

8.根据权利要求6所述的低流阻增强换热推力室身部，其特征在于，在低流阻增强换热推力室身部的出口附近，“波浪状”型面与传统的无凸起型面(11)光滑过渡相接，避免内型面出现台阶而导致燃气在台阶附近滞止。

9.根据权利要求1所述的低流阻增强换热推力室身部，其特征在于，冷却通道(4)顶部的外壁面为圆柱形壁面。

10.根据权利要求1所述的低流阻增强换热推力室身部，其特征在于，冷却夹套(1)采用铜合金材料制备得到，在冷却夹套(1)外增加高温合金外套(2)来增加机械强度。

技术总结
本发明公开了一种低流阻增强换热推力室身部，包括：冷却夹套和高温合金外套；高温合金外套安装在冷却夹套外侧；冷却夹套内侧为燃气域，用于为高温燃气流动提供必要空间；冷却夹套由若干条冷却通道构成；其中，各冷却通道的截面均为连续变化的圆形或近圆形截面，且截面形状与截面积均沿轴向连续变化，减少了通道突扩、突缩，减小了局部流阻损失。本发明所述的低流阻增强换热推力室身部，通过改进优化冷却通道结构，减小了流阻损失，在不增加推力室身部重量的情况下增大换热面积，提高了换热能力。

技术研发人员：丁煜朔,谢恒,王娟,王天泰,聂嵩,吴有亮,刘潇,李泳江,赵世红,牛旭东,颜勇,陈旭扬,褚宝鑫
受保护的技术使用者：北京航天动力研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12