[发明专利]基于超声速引射器的大流量液氧过冷方法

权利要求书

1.一种基于超声速引射器的大流量液氧过冷方法，其特征在于：将采用常规饱和液氮过冷液氧所使用的换热器作为一级换热器，该一级换热器能将过冷流量大于4500L/min的液氧从92K过冷至80K；在一级换热器的下游设置二级换热器，该二级换热器能将过冷至80K且过冷流量大于4500L/min的液氧过冷至67K以下；

二级换热器内加注有处于饱和状态的液氮，二级换热器内液氮温度不超过64K，二级换热器的出气口与超声速引射器的被引射气流入口相连接；

超声速引射器的引射气流入口接燃气发生器的出气口；

超声速引射器沿气流方向依次包括同轴设置的混合段、超扩段和亚扩段；混合段为截面收缩的锥形等压混合室，混合段入口、出口和整个内壁面上静压相等。

2.根据权利要求1所述的基于超声速引射器的大流量液氧过冷方法，其特征在于：二级换热器中的液氮蒸气为被引射气流，根据被引射气流参数及液氮蒸发量，进行燃气发生器总流量和超声速引射器物理参数的设计。

3.根据权利要求2所述的基于超声速引射器的大流量液氧过冷方法，其特征在于：燃气发生器总流量和超声速引射器物理参数的设计方法，包括如下步骤：

步骤1，计算超声速引射器的压缩比CR：

式中，p₄为亚扩段出口纵截面的混合气体的静压；p₀₂为二级换热器中液氮保持在时的气枕压力或称饱和蒸汽压力；其中，

步骤2，引射系数n与超声速引射器压缩比CR关系的查找，具体包括如下步骤：

步骤21，混合段比热比γ₃与引射系数n之间关系查找：

式中，γ₂为被引射气流的比热比，γ₁为引射气流的比热比，μ₁为引射气流的分子量，μ₂为被引射气流的分子量；

步骤22，混合段出口速度系数λ₃采用如下公式计算：

其中，

式中，R₁为引射气体常数，R₂为被引射气体常数，R₃为混合段出口的气体常数；T₀₁为引射气体总温，T₀₂为被引射气体总温；λ₁为引射气体速度系数，λ₂为被引射气体速度系数；

将步骤21计算的γ₃及c代入上式，可得出λ₃与n之间的关系式；

步骤23，混合气流减速过程中总压恢复系数σ_T的计算：

σ_T＝σ_shockσ_sub

其中，

式中，σ_shock为超扩段的总压恢复系数，σ_sub为亚扩段的总压恢复系数，取值1.0；Ma₃为超扩段入口马赫数；将步骤21和22计算的γ₃及λ₃代入上式，可得出σ_T与n之间的关系式；

步骤24，超声速引射器亚扩段排出速度系数λ₄计算：

其中，

式中，Ψ为亚扩段的面积扩张比，取值2.0；将步骤2中计算的γ₃、λ₃和步骤23计算的σ_T代入上式，能得出λ₄与n之间的关系；

步骤25，混合段总压p₀₃与被引射气流总压p₀₂比值计算：

其中，

步骤26，超声速引射器压缩比CR计算公式：

其中，

将步骤21至25中计算的γ₃、σ_T、λ₄和均代入步骤26中，即可得到超声速引射器压缩比CR与引射系数n之间的关系；

步骤3，引射系数n值确定：将步骤1中计算得到的CR值代入步骤2寻找的CR与n的关系式中，即可确定引射系数n值；

步骤4，燃气发生器总流量m₁计算，包括如下步骤：

步骤41，按如下公式计算液氮蒸发量

式中，表示二级换热器内液氧放热速率；H为二级换热器中液氮保持在时的气化潜热；

步骤42，燃气发生器总流量m₁计算：

将步骤3确定的引射系数n值代入上式，即可得到燃气发生器总流量m₁值；

步骤5，超声速引射器物理参数的计算：超声速引射器物理参数包括混合段收缩比Φ，混合段收缩比Φ采用如下公式计算：

其中，

将步骤3确定的引射系数n值，以及按步骤2公式计算的γ₃和λ₃代入上式，即可求得混合段收缩比Φ。