[发明专利]一种分级预冷却单壁喷管延伸段

说明书

本发明涉及一种分级预冷却单壁喷管延伸段，包括单壁喷管延伸段上段和单壁喷管延伸段下段，涡轮废气按照比例分成两股，不超过30％的涡轮废气形成一级超声速气膜，在靠近单壁上段基体内壁面的区域形成较低温度的保护层，以隔开较高温度的主流燃气与单壁上段基体，在一级气膜冷却效率降低至80％或者单壁喷管延伸段上段最高壁面温度接近材料许用温度的位置处设置二级超声速气膜，对单壁段剩余基体内壁进行热防护。本发明在具体的流量分配下显著降低结构壁面最高温度。

技术领域

本发明涉及一种分级预冷却单壁喷管延伸段，属于液体火箭发动机技术领域。

背景技术

燃气发生器循环液体火箭发动机常将涡轮废气以超声速气膜的形式引入喷管延伸段，结合辐射冷却对喷管下段进行冷却，构成单壁喷管延伸段。但对于喷管出口面积比更大的上面级发动机，由于喷管延伸段轴向长度更长，受限于材料的许用温度，单级超声速冷却气膜不能完成足够长度的喷管延伸段单壁段的冷却。

考虑到单级超声速冷却气膜在气膜入口一定区域能会将单壁段壁面温度冷却至接近气膜入口总温的温度，该段温度远低于材料的许用温度，但之后单壁段壁面温度开始快速上升，即靠近超声速气膜入口段的位置由于冷却流量大、冷却效果过于充分，造成了冷却能力的浪费，可通过一定的冷却流量分配，充分利用材料耐热性能和涡轮废气(冷却剂)的冷却能力。

液体火箭发动机喉部下游壁面热流密度逐渐减小，热防护需求相应减弱，为减轻结构重量，大面积比上面级发动机喷管常采用分段结构，喷管延伸段多采用辐射和超声速气膜组合冷却的单层薄壁结构，常用的材料有能耐1000℃左右高温的镍基合金、耐1500℃左右高温的铌钨合金以及耐1800℃以上高温的复合材料，铌钨合金、复合材料成本较高且国内1.5m以上直径复合材料成型工艺不成熟，因此国内单壁喷管常采用镍基合金如GH3230等。对于燃气发生器循环液体火箭发动机超声速气膜通常来自于涡轮废气，国内外现有的结构形式是通过单个大集合器将约500℃的涡轮排气引入单壁喷管，涡轮废气通过环缝式或离散孔式收缩-扩张型喷射结构形成超声速贴壁流，对下游的单壁喷管壁面进行热防护。但是，单级气膜随着气膜与主流的掺混，气膜冷却能力迅速衰减，冷却效果相应变差。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种分级预冷却单壁喷管延伸段，在具体的流量分配下显著降低结构壁面最高温度。

本发明解决技术的方案是：

一种分级预冷却单壁喷管延伸段，包括单壁喷管延伸段上段和单壁喷管延伸段下段，

单壁喷管外壁末端设置单壁喷管延伸段上段，单壁喷管延伸段上段包括一级气膜入口、一级气膜集合器、一级气膜均流板、一级气膜收缩-扩张环缝和单壁上段基体，

单壁上段基体呈间隙连接在单壁喷管外壁上，在间隙处依次设置有一级气膜入口、一级气膜集合器、一级气膜均流板和一级气膜收缩-扩张环缝，

单壁喷管延伸段上段外壁末端设置单壁喷管延伸段下段，单壁喷管延伸段下段包括二级气膜入口、二级气膜集合器、二级气膜均流板、二级气膜收缩-扩张环缝和单壁下段基体，

单壁下段基体呈间隙连接在单壁喷管延伸段上段外壁上，在间隙处依次设置有二级气膜入口、二级气膜集合器、二级气膜均流板和二级气膜收缩-扩张环缝，

涡轮废气按照比例分成两股，不超过30％的涡轮废气形成一级超声速气膜，在靠近单壁上段基体内壁面的区域形成较低温度的保护层，以隔开较高温度的主流燃气与单壁上段基体，在一级气膜冷却效率降低至80％或者单壁喷管延伸段上段最高壁面温度接近材料许用温度的位置处设置二级超声速气膜，对单壁段剩余基体内壁进行热防护。

进一步的，一级气膜收缩-扩张环缝小于二级气膜收缩-扩张环缝。

进一步的，一级气膜收缩-扩张环缝处、二级气膜收缩-扩张环缝处均为锥形喉道，基于冷却流量确定环缝的大小。