加热器设计

杨寒 刘奎芹 李茂

摘  要：依据喷管试验技术要求，对加热器进行了设计。加热器采用氢气、氧气和空气作为推进剂，采用成熟的气氢气氧电火花点火器点火。加热器头部采用四同轴喷嘴和喷注孔结合方案，兼顾燃烧稳定性和加热器热防护。加热器设计工况两种，分别为总温2470K、总流量1.81kg/s、燃烧室压力0.587MPa，总温2635K、总流量1.326kg/s、燃烧室压力0.409MPa，设计结果满足要求。

关键词：加热器;喷注器;设计

中图分类号：V431          文献标志码：A         文章编号：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

本设计依据《喷管热流试验任务要求》，提出了为喷管提供入口参数的加热器技术方案。

开展两种不同工况下的喷管热流试验，工况参数见表1。

2 加热器方案设计

2.1 技术原理

加热器设计包括加热器头部和身部，使用氢气和氧气作为燃料和氧化剂，氢气和氧气在加热器内燃烧产生高温燃气，并且与空气补燃掺混，使空气达到额定总温、总压，然后通过喷管加速到所需马赫数。

2.2 加热器参数设计

根据所需燃气总压、总温和马赫数对加热器参数进行设计计算，具体如下。

加热器喷管内的流动近似为一维等熵流，根据气体动力学相关理论，得到如下参数：

（1）喷管喉部面积

式中：A-喷管出口面积，m2;Acr-喷管喉部面积，m2;Ma-马赫數;k-比热比。

由上式可得，工况一喷管喉部面积为0.003872m2，工况二喷管喉部面积为0.00421m2。

（2）加热器总压

式中：P-喷管出口静压，MPa;P*-喷管出口总压，MPa。

由上式计算得到，工况一加热器总压0.5856MPa，工况二加热器总压0.409MPa。

（3）质量流量

式中：-质量流量，kg/s;K-流体系数，            ; R-气体常数;Acr-喷管喉部面积，m2;

根据上述公式，得到工况一的质量流量为1.81kg/s，工况二的质量流量为1.326kg/s。

考虑加热器本身的热损失，确定加热器总温分别为：工况一2470K，工况二2635K。根据总温、总压及其它初始参数通过热力计算得到氢气、氧气和空气的流量分配，示于表2。

2.3 加热器结构型式设计

依据接口技术要求，喷管入口段内部接口尺寸为96mm×96mm。在该边界条件下，开展加热器结构型式设计：

（1）根据尾喷管热流试验喷管型面需求，加热器身部采用方形结构。

（2）为稳定可靠的组织燃烧，降低加热器头部设计、加工难度和成本，加热器头部采用圆柱型结构，并通过喷注器设计实现头部到身部圆转方过渡。

（3）所有推进剂均通过头部喷注器进入加热器燃烧。

（4）加热器身部采用高温抗氧化合金与空气气膜冷却方式，不采用外冷却。

根据上述设计思想，加热器基本结构方案是头部为圆柱形结构，设置四同轴圆柱形单喷嘴一个，为主要燃烧组织区，同轴喷嘴外围在喷入空气补燃掺混，同时兼顾喷注面板、加热器身部热防护。

2.4 喷注器设计

喷注器采用四同轴剪切喷嘴和喷注孔组合方案，所有推进剂全部从加热器头部进入，采用三腔四底式结构，四同轴喷嘴数量1个，喷注孔数量100个，流量分配率为0.5。

基本方案如图1所示：

（1）中心通道为电火花点火器火炬通道。

（2）中心火炬通道外侧为氧气通道，在点火阶段，氧气与中心点火氢气补燃燃烧，点火结束后，中心通道通入氮气保护。

（3）氧气通道外侧为氢气通道;氢气通道外侧为空气通道;氢气内侧与氧气剪切掺混燃烧，外侧与空气剪切掺混燃烧，通过双燃烧面使氢气快速完成燃烧，达到较好的燃气均匀性。

（4）根据气气喷嘴燃烧特性，氧喷嘴压降取5%，氢喷嘴压降取15%，空气喷嘴压降取10%，喷嘴端面壁厚取1.5mm，所有喷嘴无缩进。

喷嘴设计：

对于工况一，燃烧室压力约为0.6MPa，按照气气喷注器相关数据，取氧压降为5%，所以喷前压力：0.6×（1+0.05）=0.63MPa，比热比1.4，静压比总压：0.6÷0.63≈0.95238，气体常数：R=8314÷32≈259.8

所以

其中氧喷注器流量系数0.8，入口总温280K，所以喷注面积：

因喷嘴只有1个，所以单个面积313.3mm2，所以直径：

速度：

因氧环缝内径10mm，所以氧环缝外径：

外径取整22mm。

同理可得其它喷嘴外径，如表3所示。

四同轴剪切喷嘴外侧喷注面板布置空气喷注孔，最外围一侧喷注孔用于燃烧室壁面冷却40个，内侧分布60个，喷注孔分布原则优先考虑加热器身部和喷注面板热防护，其次是燃气均匀性。

2.5 身部设计

身部采用高温镍基合金GH99平板焊接，加热器身部内部尺寸96mm×96mm，长度300mm。身部冷却由头部喷注器边缘的空气喷注实现对高温燃气的隔离以及冷却。

3 结论

依据喷管试验技术要求，对加热器进行了设计。

（1）加热器采用氢气、氧气和空气作为推进剂，采用成熟的气氢气氧电火花点火器点火。

（2）加热器头部采用四同轴喷嘴和喷注孔结合方案，兼顾燃烧稳定性和加热器热防护。

（3）加热器设计工况两种，分別为总温2470K、总流量1.81kg/s、燃烧室压力0.587MPa，总温2635K、总流量1.326kg/s、燃烧室压力0.409MPa，设计结果满足要求。

参考文献：

[1]王新月.气体动力学基础[M].西北工大出版社，2006.

[2]李茂，高玉闪，金平，等.富氢/富氧燃气气-气喷嘴热试[J].推进技术，2010，31（6）：696-700.

[3]高玉闪，杜国刚，李茂，等.气氢/气氧喷注器流量特性实验[J].航空动力学报，2010，25（4）：841-846.