一种基于薄膜汽化冷却原理的燃气导流板及其使用方法转让专利
申请号 : CN202110814443.4
文献号 : CN113482800B
文献日 : 2022-03-11
发明人 : 刘洋 , 沈继彬 , 高强 , 曹庆红 , 赵宏轩 , 舒晓波 , 杨东 , 罗帅帅
申请人 : 西安航天动力试验技术研究所
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于薄膜汽化冷却原理的燃气导流板,其特征在于:包括面板(1)、底板(2)和四个侧板围成的箱体,设置于箱体内的M个横隔板(3)和N个纵隔板(4),设置于底板(2)底部的安装座(5),以及搭接钢板(13);其中,所述M≥1,所述N≥1;
四个所述侧板包括依次连接的第一横侧板(6)、第一纵侧板(7)、第二横侧板(8)和第二纵侧板(9);
M个所述横隔板(3)均平行于第一横侧板(6)和第二横侧板(8),将箱体内区域分割为M+
1个单独的通道,且每个横隔板(3)上均设有第一通水孔;
N个所述纵隔板(4)均平行于第一纵侧板(7)和第二纵侧板(9),用于支撑,每个纵隔板(4)位于M+1个所述通道内的隔板上均设有第二通水孔(10);
所述面板(1)的中间区域作为核心区域a,其上均匀设有多个斜向的用于受火焰冲击时冷却面板(1)的第一喷水孔(11),核心区域a的两侧区域作为非核心区域b,其上均匀设有多个直向的用于降低燃气(20)辐射热的第二喷水孔(12);相邻第一喷水孔(11)的孔间距小于相邻第二喷水孔(12)的孔间距;第一喷水孔(11)的出口倾向第一横侧板(6),其轴线与面板(1)间的夹角为15°~40°;
所述底板(2)上设有至少一个冷却水入口;
所述安装座(5)固连于底板(2)下表面上,用于连接水泥基础;
所述面板(1)的位于第一横侧板(6)和第二横侧板(8)处的两端位置上,分别设有深度相同的第一凹槽(14)和第二凹槽(15),用于放置搭接钢板(13);搭接钢板(13)的长度比第一凹槽(14)和第二凹槽(15)的总长小,宽度等于第一凹槽(14)和第二凹槽(15)的宽度;
所述搭接钢板(13)的一端与上游面板(1)的第一凹槽(14)或第二凹槽(15)固连。
2.根据权利要求1所述的基于薄膜汽化冷却原理的燃气导流板,其特征在于:还包括供水组件,所述供水组件包括供水管、供水管法兰(16)和补强板(17);
所述供水管通过供水管法兰(16)安装于所述冷却水入口处;
所述补强板(17)固连于冷却水入口处,且与供水管法兰(16)外围固连。
3.根据权利要求2所述的基于薄膜汽化冷却原理的燃气导流板,其特征在于:所述冷却水入口有M+1个,M+1个冷却水入口分别对应于M+1个所述通道。
4.根据权利要求3所述的基于薄膜汽化冷却原理的燃气导流板,其特征在于:所述面板(1)与底板(2)之间的距离为300mm;
所述第一喷水孔(11)的孔径为3.5mm,其轴线与面板(1)间的夹角为30°;
所述第二喷水孔(12)的孔径为2.5mm。
5.根据权利要求4所述的基于薄膜汽化冷却原理的燃气导流板,其特征在于:所述安装座(5)有两个,分别靠近第一纵侧板(7)和第二纵侧板(9)设置;
所述M=2,冷却水入口有3个,其中两个靠近第一纵侧板(7),另外一个靠近第二纵侧板(9)设置,或者其中两个靠近第二纵侧板(9),另外一个靠近第一纵侧板(7)设置;
所述第一纵侧板(7)和第二纵侧板(9)的长度均为0.5‑1.5m,对应于所述箱体的宽度B。
6.根据权利要求5所述的基于薄膜汽化冷却原理的燃气导流板,其特征在于:所述核心区域a和非核心区域b,在单位面积内喷出冷却水的质量流量由以下公式确定:
Qmqsηz=CrqrΔt
式中:
Qm为冷却水的汽化潜热,单位为J/kg;
2
qs为单位面积内冷却水喷出的质量流量,单位为kg/(s·m);
ηz为汽化系数,核心区域a经验值取0.2,非核心区域b经验值取0.3;
Cr为燃气比热容,单位为J/(kg·℃);
2
qr为单位面积内燃气的质量流量,单位为kg/(s·m);
△t为燃气经过面板后的温度变化值,单位为℃,核心区域a取400℃,非核心区域b取
200℃。
7.根据权利要求6所述的基于薄膜汽化冷却原理的燃气导流板,其特征在于:所述面板(1)上位于第一凹槽(14)下方位置处,设有搭接用侧凸倒角结构(19)或侧凹倒角结构;
所述面板(1)上位于第二凹槽(15)下方位置处,设有搭接用侧凹倒角结构(18)或侧凸倒角结构。
8.根据权利要求2所述的基于薄膜汽化冷却原理的燃气导流板,其特征在于:所述补强板(17)的厚度与底板(2)的厚度相同。
9.权利要求1至8任一项所述基于薄膜汽化冷却原理的燃气导流板的使用方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)根据实验需要,确定所需燃气导流板的数量,将所有燃气导流板通过安装座(5)安装于水泥基础上,利用搭接钢板(13)将相邻燃气导流板搭接,形成与水泥基础型面一致的发动机燃气导流型面;
2)调整燃气喷出源,使燃气冲击点处的燃气(20)冲击方向与面板(1)之间的夹角小于
37°;
3)向燃气导流板内持续充水,并开始进行航天发动机地面试验,对试验中喷出的燃气(20)进行导流,导流过程中,使面板(1)上各喷水孔处冷却水的喷前压力大于喷水孔出口处燃气(20)的总压力;
通过第一喷水孔(11)射出的冷却水,受到燃气(20)的加热快速汽化,将发动机的燃气(20)温度降低,所产生的水蒸气在面板(1)与高温高速燃气(20)之间形成汽化膜d,将燃气(20)向面板(1)的传热隔离,通过第二喷水孔(12)射出的冷却水,雾化后将燃气(20)的辐射热降低;
4)持续充水和导流,直至试验结束。
10.根据权利要求9所述的基于薄膜汽化冷却原理的燃气导流板的使用方法,其特征在于:
步骤3)中,所述第一喷水孔(11)的喷前压力选取0.8MPa~1.0MPa。
说明书 :
一种基于薄膜汽化冷却原理的燃气导流板及其使用方法
技术领域
背景技术
位或火箭发射台的方向,以保护工位、台体设备及测控设备的安全。《科学新闻》第528卷第
10期第43页的文章“高温特种水泥打造火箭导流槽”中,介绍了一种火箭发射台所用的燃气
导流装置(又称导流槽),由低烧蚀率耐火混凝土浇筑而成。因火箭发射过程火焰冲击于燃
气导流装置的时间较短(<10s),采用低烧蚀率耐火混凝土浇筑的燃气导流装置,能够满足
燃气导流要求,所以目前火箭发射台所使用的燃气导流装置多由低烧蚀率耐火混凝土浇筑
而成,烧蚀率为0.06~0.09mm/s,为了防止高速燃气对混凝土进行直接冲击,燃气导流装置
的部分位置还需加装防护钢板,并对表面进行喷水冷却。但火箭发动机地面试验时间最长
可达600s,如采用该结构无法满足导流槽的耐烧蚀要求。
流体和支架组成,支架由处于导流体外侧的钢板组焊而成,支架内部焊接钢丝加强网,导流
体由耐高温水泥浇筑在支架内部形成,其未采用喷水冷却方式,结构简单,适用于小型固体
火箭发动机的燃气导流任务。由于耐高温水泥直接受到火焰冲击,故其燃气冲击位置的设
置距离发动机喷管较远,导致其无法使用于燃气冲击动压较高的大推力液体火箭发动机试
验。
的导流。由于燃气导流后,需要进行导流板的快速冷却,因此基于沸腾相变吸热原理设计了
该装置。该装置通过雾化相变提高了导流板的换热能力,可以快速降低导流板温度,满足航
空母舰上飞机起飞时间较短、且需要多次起飞的要求。而火箭发动机地面试验时间最长可
达600s,如采用该结构则无法满足导流槽在受发动机燃气直接冲击条件下的快速冷却要
求。
发明内容
技术问题,提供一种基于薄膜汽化冷却原理的燃气导流板及其使用方法。
向的用于降低燃气辐射热的第二喷水孔;相邻第一喷水孔的孔间距小于相邻第二喷水孔的
孔间距;第一喷水孔的出口倾向第一横侧板,其轴线与面板间的夹角为15°~40°;
小,宽度等于第一凹槽和第二凹槽的宽度;
机燃气导流型面;
气的总压力;
离,通过第二喷水孔射出的冷却水,雾化后将燃气的辐射热降低;
高温燃气的有效导向,避免了高速(约4.5马赫)高温(约3000K)燃气对燃气导流板自身的烧
蚀,具备耐高温高速燃气冲击、强效换热、高可靠性特性。
车台或靶场建筑基础特性进行铺设,从而对航天发动机高温燃气起到定向导向的作用。
面板的厚度,在一定程度上阻挡了燃气对导流板的直接冲击。
热,起到降低发动机燃气温度的作用,有效减少发动机燃气对外界自然环境的影响和破坏。
附图说明
板、14‑第一凹槽、15‑第二凹槽、16‑供水管法兰、17‑补强板、18‑侧凹倒角结构、19‑侧凸倒
角结构、20‑燃气。
具体实施方式
13和设置于箱体(底板)底部的安装座5;其中,所述N≥1,该燃气导流板是一种夹套式结构。
体的长度L及厚度H均可根据火箭发动机(航天发动机)试验台的实际情况进行调整。所述面
板1与底板2之间的距离为300mm。2个所述横隔板3均平行于第一横侧板6和第二横侧板8,将
箱体内区域分割为3个单独的通道,且每个横隔板3上均设有第一通水孔;N个所述纵隔板4
均平行于第一纵侧板7和第二纵侧板9,起支撑作用,以提高燃气导流板在受内压条件下的
承压能力,每个纵隔板4位于3个所述通道内的隔板上均设有DN200(即孔径200mm)的圆孔状
第二通水孔10。
他结构反射后间接冲刷的区域,其上均匀设有多个直向的用于降低燃气辐射热的第二喷水
孔12;相邻第一喷水孔11的孔间距小于相邻第二喷水孔12的孔间距,单位面积上的开孔密
度可根据发动机燃气的冲击特性进行适当调整;第一喷水孔11的出口倾向第一横侧板6,其
轴线与面板1间的夹角为30°(也可根据具体需要在15°~40°范围内选取);所述第一喷水孔
11的孔径为3.5mm,所述第二喷水孔12的孔径为2.5mm。所述核心区域a和非核心区域b,在单
位面积内喷出冷却水的质量流量由以下公式确定:
2
板1上。燃气导流板上喷水孔的数量可以按照(个/m)来布置。在进行布孔设计时,尽可能在
一定的规则区域均匀分布。
管、供水管法兰16和补强板17;所述供水管通过供水管法兰16安装于所述冷却水入口处;所
述补强板17为一方形板,固连于冷却水入口处,且与供水管法兰16外围固连,补强板17厚度
与燃气导流板的底板2相同,主要对导流板的冷却水入口的开孔处进行补强。
二纵侧板9设置,或者其中靠近第一横侧板6和第二横侧板8的两个冷却水入口靠近第二纵
侧板9设置,另外一个位于中间的冷却水入口靠近第一纵侧板7设置。所述安装座5有两个,
均通过角焊缝焊接于底板2下表面上,两个安装座5分别靠近第一纵侧板7和第二纵侧板9设
置,用于与水泥基础(承力基础)的固定;
的两端位置上,分别设有深度相同的第一凹槽14和第二凹槽15,所述放置搭接钢板13,搭接
钢板13的长度比第一凹槽14和第二凹槽15的总长小,比如小2mm,既便于实现两个面板1的
过渡,又适应了搭接钢板13的热胀冷缩要求,宽度等于第一凹槽14和第二凹槽15的宽度;所
述搭接钢板13的一端与上游面板1(即靠近燃气20来向的面板1)的第一凹槽14或第二凹槽
15固连。进一步地,还可以在所述面板1上位于第一凹槽14下方位置处,设置搭接用侧凸倒
角结构19,在所述面板1上位于第二凹槽15下方位置处,设有搭接用侧凹倒角结构18,搭接
时,可将一个燃气导流板的侧凹倒角结构18搭在另一个燃气导流板的侧凸倒角结构19处,
当然也可以不设侧凹倒角结构18和侧凸倒角结构19,仅利用搭接钢板13搭在一个燃气导流
板的第二凹槽15和另一个燃气导流板的第一凹槽14内,实现两个燃气导流板面板1的过渡
即可。所有角焊缝焊在焊接时,须保证全部焊透。
动机燃气导流型面,前后两导流板之间的安装夹角应大于173.5°,该角度与水泥基础的导
流型面一致;
燃气20的总压力;
下,不同孔的喷水流量是不同。
1的传热隔离,通过第二喷水孔12射出的冷却水,雾化后将燃气20的辐射热降低;
极限使用温度,其结构强度满足试验要求。
低发动机燃气20的温度,所产生的水蒸气会在导流板面板1与高温高速燃气20之间形成汽
化膜d,由于汽化膜的热导率及对流传热系数较低,该汽化膜在很大程度上降低了发动机燃
气20与导流板面板1间的对流换热系数,起到了隔热的作用。
流动特性有关。由于发动机燃气20多为超音速燃气,其冲击于斜面(面板1)时会产生激波,
激波后静压会明显增大,燃气20冲击于斜面上时,冲击角度越大,激波后静压的增量会越
高,为了保证冷却水的顺利喷出,即冷却水喷前压力大于燃气冲击点处总压力,需对燃气冲
击的角度进行限制,这里取小于37°。
出时,形成雾化效果,达到降低燃气辐射热的目的,有效减少发动机燃气20的辐射热对导流
板四周混凝土结构(即水泥基础)的破坏。
者对其中部分技术特征进行等同替换,而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质
脱离本发明所保护技术方案的范围。