[发明专利]液氧煤油发动机试验用燃气扩压器设计方法

说明书

本发明专利属于航空、航天技术领域，具体涉及液氧煤油发动机试验使用的燃气扩压器设计方法。该燃气扩压器设计方法包括：1)制定扩压器设计要求；2)扩压器结构参数和性能参数计算；3)扩压器的性能分析与验证；4)扩压器的加工与装配；本发明专利可以保证液氧煤油发动机试验要求同时，优化扩压器设计参数，提升扩压器性能，提高产品使用性能与可靠性。

技术领域

本发明专利属于航空、航天技术领域，涉及一种燃气扩压器设计方法，具体涉及液氧煤油发动机试验用燃气扩压器设计方法。

背景技术

在研制新型上面级火箭发动机时，确定火箭发动机的高空特性是发动机地面试车时的重要任务之一。火箭发动机的推力随着高度的升高不断增大，直到在真空环境中达到最大推力，上面级火箭发动机工作时的环境压强非常低，在地面试车时必须建立相应高度下的低压真空环境才能真实模拟火箭发动机的高空特性。当模拟高度不太大时，普遍采用燃气扩压器来建立试验所需的低压环境。

在高空模拟试验中，燃气扩压器是应用最简单的抽气方式，其典型结构是在发动机喷管上套接一个超音速扩压器。扩压器的一端与试验的真空舱相接，另一端与大气相通，喷管的燃气喷向扩压器的入口。高速流动的燃气对周围的气体有引射作用，使试验真空舱发动机处产生并维持低于大气压力的低压环境。

由于燃气扩压器具有其独特的设计特点，是一种集气动、传热、结构、强度、材料等多学科于一体，其在有限设计空间内承受高温、高速燃气以及外面振动苛刻工作载荷条件的复杂装置，对结构重量、材料、强度、气动性能、可靠性和寿命等均具有极高的要求。燃气扩压器承受来自发动机高温燃气引起的内部温度梯度影响，导致结构中产生热应力，同时受外部冷却水引起的水压力，从而在热应力与水压力共同作用下产生了复杂应力环境以及复杂应变变形，属于热力耦合问题。对于热力耦合环境下的超音速扩压器，设计过程比较复杂、影响因素多、涉及面广、难度大。

目前液氧煤油发动机试验用燃气扩压器设计方法主要利用经验方法，进行简单气动计算与结构集成设计，获取扩压器几何形状尺寸与冷却形式，确定扩压器内型面的几何参数，包括扩压器等直段内径，扩压器长度，长径比，面积比，引射间距，冷却水流量、冷却水流通面积，其计算过程如图1所示。

目前液氧煤油发动机试验用燃气扩压器设计方法比较缺少系统理论计算与性能分析，不能进行相关参数优化设计，缺少工艺改进设计方法，缺少综合评估联接强度与内外壁刚度能力，评价扩压器可靠性能力差，从而不能优化扩压器设计参数，进而不能优化扩压器性能。

发明内容

为了解决背景技术中燃气扩压器的设计问题，从而优化扩压器设计参数，提升扩压器性能，本发明专利提供了一种液氧煤油发动机试验用燃气扩压器设计方法。

本发明解决问题的具体技术方案是：

本发明提出了一种液氧煤油发动机试验使用的燃气扩压器设计方法，包括以下步骤：

1)制定扩压器设计要求；所述扩压器设计要求包括发动机喷管燃气出口温度、燃气出口压力、燃气流量、发动机喷管结构尺寸、环境温度、环境压力、模拟高度、模拟真空压力、冷却形式、冷却水流量；

2)扩压器结构参数和性能参数计算；

3)扩压器的性能分析；

3.1)确定进行扩压器性能分析的对象；所述扩压器性能分析的对象包括扩压器内部流场、扩压器外层槽板与筋板以及扩压器内部冷却水通道；

3.2)扩压器内部流场的分析；

3.2.1)创建扩压器内部流场模型；

3.2.2)设置不同引射间距、不同长径比、不同的启动压力对扩压器内部流场模型中的温度场、压力场、速度场进行分析，获取扩压器内部流场模型的满流状态和激波状态；确定适合的引射间距、长径比以及启动压力；