加熱器設計

楊寒 劉奎芹 李茂

摘? 要：依據噴管試驗技術要求，對加熱器進行了設計。加熱器采用氫氣、氧氣和空氣作為推進劑，采用成熟的氣氫氣氧電火花點火器點火。加熱器頭部采用四同軸噴嘴和噴注孔結合方案，兼顧燃燒穩定性和加熱器熱防護。加熱器設計工況兩種，分別為總溫2470K、總流量1.81kg/s、燃燒室壓力0.587MPa，總溫2635K、總流量1.326kg/s、燃燒室壓力0.409MPa，設計結果滿足要求。

關鍵詞：加熱器;噴注器;設計

中圖分類號：V431? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）15-0094-02

Abstract： According to the technical requirements of nozzle test， the heater is designed. The heater uses hydrogen， oxygen and air as propellant and uses mature gas hydrogen oxygen electric spark igniter to ignite. The heater head adopts the combination scheme of four coaxial nozzles and injection holes， taking into account the combustion stability and the thermal protection of the heater. The heater has two design conditions： total temperature 2470K， total flow 1.81kg/s， combustion chamber pressure 0.587MPa， total temperature 2635K， total flow 1.326kg/s， combustion chamber pressure 0.409MPa. The design results meet the requirements.

Keywords： heater; injector; design

1 概述

本設計依據《噴管熱流試驗任務要求》，提出了為噴管提供入口參數的加熱器技術方案。

開展兩種不同工況下的噴管熱流試驗，工況參數見表1。

2 加熱器方案設計

2.1 技術原理

加熱器設計包括加熱器頭部和身部，使用氫氣和氧氣作為燃料和氧化劑，氫氣和氧氣在加熱器內燃燒產生高溫燃氣，并且與空氣補燃摻混，使空氣達到額定總溫、總壓，然后通過噴管加速到所需馬赫數。

2.2 加熱器參數設計

根據所需燃氣總壓、總溫和馬赫數對加熱器參數進行設計計算，具體如下。

加熱器噴管內的流動近似為一維等熵流，根據氣體動力學相關理論，得到如下參數：

（1）噴管喉部面積

式中：A-噴管出口面積，m2;Acr-噴管喉部面積，m2;Ma-馬赫數;k-比熱比。

由上式可得，工況一噴管喉部面積為0.003872m2，工況二噴管喉部面積為0.00421m2。

（2）加熱器總壓

式中：P-噴管出口靜壓，MPa;P*-噴管出口總壓，MPa。

由上式計算得到，工況一加熱器總壓0.5856MPa，工況二加熱器總壓0.409MPa。

（3）質量流量

式中：-質量流量，kg/s;K-流體系數，? ? ? ? ? ? ; R-氣體常數;Acr-噴管喉部面積，m2;

根據上述公式，得到工況一的質量流量為1.81kg/s，工況二的質量流量為1.326kg/s。

考慮加熱器本身的熱損失，確定加熱器總溫分別為：工況一2470K，工況二2635K。根據總溫、總壓及其它初始參數通過熱力計算得到氫氣、氧氣和空氣的流量分配，示于表2。

2.3 加熱器結構型式設計

依據接口技術要求，噴管入口段內部接口尺寸為96mm×96mm。在該邊界條件下，開展加熱器結構型式設計：

（1）根據尾噴管熱流試驗噴管型面需求，加熱器身部采用方形結構。

（2）為穩定可靠的組織燃燒，降低加熱器頭部設計、加工難度和成本，加熱器頭部采用圓柱型結構，并通過噴注器設計實現頭部到身部圓轉方過渡。

（3）所有推進劑均通過頭部噴注器進入加熱器燃燒。

（4）加熱器身部采用高溫抗氧化合金與空氣氣膜冷卻方式，不采用外冷卻。

根據上述設計思想，加熱器基本結構方案是頭部為圓柱形結構，設置四同軸圓柱形單噴嘴一個，為主要燃燒組織區，同軸噴嘴外圍在噴入空氣補燃摻混，同時兼顧噴注面板、加熱器身部熱防護。

2.4 噴注器設計

噴注器采用四同軸剪切噴嘴和噴注孔組合方案，所有推進劑全部從加熱器頭部進入，采用三腔四底式結構，四同軸噴嘴數量1個，噴注孔數量100個，流量分配率為0.5。

基本方案如圖1所示：

（1）中心通道為電火花點火器火炬通道。

（2）中心火炬通道外側為氧氣通道，在點火階段，氧氣與中心點火氫氣補燃燃燒，點火結束后，中心通道通入氮氣保護。

（3）氧氣通道外側為氫氣通道;氫氣通道外側為空氣通道;氫氣內側與氧氣剪切摻混燃燒，外側與空氣剪切摻混燃燒，通過雙燃燒面使氫氣快速完成燃燒，達到較好的燃氣均勻性。

（4）根據氣氣噴嘴燃燒特性，氧噴嘴壓降取5%，氫噴嘴壓降取15%，空氣噴嘴壓降取10%，噴嘴端面壁厚取1.5mm，所有噴嘴無縮進。

噴嘴設計：

對于工況一，燃燒室壓力約為0.6MPa，按照氣氣噴注器相關數據，取氧壓降為5%，所以噴前壓力：0.6×（1+0.05）=0.63MPa，比熱比1.4，靜壓比總壓：0.6÷0.63≈0.95238，氣體常數：R=8314÷32≈259.8

所以

其中氧噴注器流量系數0.8，入口總溫280K，所以噴注面積：

因噴嘴只有1個，所以單個面積313.3mm2，所以直徑：

速度：

因氧環縫內徑10mm，所以氧環縫外徑：

外徑取整22mm。

同理可得其它噴嘴外徑，如表3所示。

四同軸剪切噴嘴外側噴注面板布置空氣噴注孔，最外圍一側噴注孔用于燃燒室壁面冷卻40個，內側分布60個，噴注孔分布原則優先考慮加熱器身部和噴注面板熱防護，其次是燃氣均勻性。

2.5 身部設計

身部采用高溫鎳基合金GH99平板焊接，加熱器身部內部尺寸96mm×96mm，長度300mm。身部冷卻由頭部噴注器邊緣的空氣噴注實現對高溫燃氣的隔離以及冷卻。

3 結論

依據噴管試驗技術要求，對加熱器進行了設計。

（1）加熱器采用氫氣、氧氣和空氣作為推進劑，采用成熟的氣氫氣氧電火花點火器點火。

（2）加熱器頭部采用四同軸噴嘴和噴注孔結合方案，兼顧燃燒穩定性和加熱器熱防護。

（3）加熱器設計工況兩種，分別為總溫2470K、總流量1.81kg/s、燃燒室壓力0.587MPa，總溫2635K、總流量1.326kg/s、燃燒室壓力0.409MPa，設計結果滿足要求。

參考文獻：

[1]王新月.氣體動力學基礎[M].西北工大出版社，2006.

[2]李茂，高玉閃，金平，等.富氫/富氧燃氣氣-氣噴嘴熱試[J].推進技術，2010，31（6）：696-700.

[3]高玉閃，杜國剛，李茂，等.氣氫/氣氧噴注器流量特性實驗[J].航空動力學報，2010，25（4）：841-846.