word課程設(shè)計說明書院〔系〕名稱： 宇航學(xué)院學(xué)生姓名：李東來學(xué) 號：121510751/24word專業(yè)名稱：飛行器動力工程〔航天〕指導(dǎo)教師：X黎輝課程設(shè)計任務(wù)書一、課程設(shè)計題目：設(shè)計實驗用液體火箭發(fā)動機推力室二、課程設(shè)計題目的原始數(shù)據(jù)與設(shè)計技術(shù)要求推力：500N燃料：氣氧+75%酒精余氧系數(shù)：a燃燒室壓力：2MPa出口壓力：0.1MPa三、課程設(shè)計任務(wù)：1進展熱力計算、推力室結(jié)構(gòu)參數(shù)計算:確定圓柱形燃燒室直徑、長度，喉部直徑，噴管收斂段、擴X段長度，噴管出口直徑。2進展噴嘴設(shè)計、推力室水冷卻計算。2/24word3詳細設(shè)計并繪制推力室部件總圖。4零件設(shè)計：5撰寫設(shè)計說明書。四、課程設(shè)計日期：自2015年12月14日至2016年1月22日學(xué)生： 李東來 指導(dǎo)教師：X黎輝班級：121516 教研室主任：目錄TOC\o"1-5"\h\z.設(shè)計參數(shù) 1.推力室參數(shù)計算結(jié)果 1.推力室結(jié)構(gòu)參數(shù)計算 2.推力室頭部設(shè)計 .4燃料噴嘴設(shè)計 .4\o"CurrentDocument"氧化劑噴嘴： .4.推力室身部設(shè)計 .6推力室圓筒段冷卻計算 6燃氣的氣動參數(shù) 6計算燃氣與內(nèi)壁面的對流換熱密度 6計算燃氣與內(nèi)壁面的輻射熱流密度 7\o"CurrentDocument"計算總熱流密度、總熱流量與冷卻劑流量 8確定冷卻通道參數(shù) 83/24wordTOC\o"1-5"\h\z計算內(nèi)壁面和外壁面溫度 8推力室喉部冷卻計算 9燃氣的氣動參數(shù) 9計算燃氣與內(nèi)壁面的對流換熱密度 9計算燃氣與內(nèi)壁面的輻射熱流密度 10\o"CurrentDocument"計算總熱流密度、總熱流量與冷卻劑流量 11確定冷卻通道參數(shù) 12計算內(nèi)壁面和外壁面溫度 12.推力室強度校核 13\o"CurrentDocument"推力室圓筒段強度校核 13\o"CurrentDocument"噴管強度校核 14.點火器設(shè)計 15.螺栓強度校核 15.整體結(jié)構(gòu)分析 16頭部結(jié)構(gòu) 16噴注器 16\o"CurrentDocument"點火器 17推力室 17密封結(jié)構(gòu) 17.感悟 17IV/24參考文獻word15V/24word推力：,二推進劑：氣氧+75%酒精余氧系數(shù)：：'燃燒室壓力：「?口出口壓力：P1川川化學(xué)當(dāng)量混合比=L；；",實際混合比："一=11："地面理論比沖；：:?：;.一:\】7：二叫二，特征速度: s，擴x比： ,「燃燒室圓筒段噴管入口截面噴管喉部截面噴管出口截面壓強［MPa)22燃氣溫度了白［K)219%(kJ/(kg.K))2.29681Pr0.58810.58810.5967266燃氣粘度(kg/(m-s))00007絕熱比熱比k8二氧化碳摩爾分數(shù)0.17044160.17044160.17956220.1856942水蒸氣摩爾分數(shù)0.56308100.56308100.57565930.58348411/24

word取燃燒室效率‘〃 ""「；噴管效率"推力室總質(zhì)量流量為：：/: 二.：癡."-從而得出：推力室氧化劑質(zhì)量流量：吊…:? ：11小小推力室燃料質(zhì)量流量：“ : 1噴管喉部面積：!. ..i?.；；/i；3喉部直徑『: ' 廠.「3，千，，圓整取AJ'n】ir.，如此4=2.01X10-4而取燃燒室的特征長度?：。"小燃燒室容積七=LxAf=4￡255x104m3燃燒室容積利用燃燒室收縮比求燃燒室直徑取燃燒室收縮比為仁 內(nèi)如此燃燒室橫截面積為：」「?■:’1:、d''燃燒室直徑為：口「W’r"設(shè)計推力室噴管雙圓弧收斂段型面選擇R]選擇R]=L5Rt=IL76mtM選擇R：，取「二二如此"?！?①2/24word如此收斂段長度為：匕也=4膽+瓦而廣丁心-1)4與+上+1丁式中，?L2二‘‘: ",如此計算得i；J：：L。圓整取Lc2—62m?n以總和川所作圓弧切點的位置為二= 『"二"'丁H=Le2-h=53.91.mmy-kRt\Rt-雇群=7?=11:14mm收斂段容積為：'? 二‘?；」1:」,:，燃燒室圓柱段的長度為：；：： ，；??；?；"“，圓整取114mm噴管擴X段直徑D 3"二"「‘’"七圓整取32mm噴管擴X段與喉部截面之間用半徑賁：一〃’一角的圓弧過渡噴管出口角取’"： K查得噴管相對長度‘二‘"，求大圓弧相對半徑%="1 7 T=屯5621-凡一11.5-^-^-jcos￡J如此：昭吊口二”.，圓整取不一匚，，,'Jf，圓整取‘飛' 「…; ；’口：'父，圓整取;％)De r-■■.■1■:：y： J-；?一"、圓整取,,'???3/24wordo_J“+”同前及3c■F二丁J采用帶切向孔的直流-離心式噴嘴，燃料采用切向式離心噴嘴，氧化劑采用直流式噴嘴；排布方式：中間1個噴嘴，外圈均布3個噴嘴，燃料和氧化劑噴嘴數(shù)量為”。：75%酒精細度：尸卜:■―酒精噴嘴壓降》根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定流量系數(shù)。?。?，得到‘='；；：如此有工「力一得-L°35mMIf=3df=3.3mm該噴嘴為自擊式，故”始終為0，取噴嘴偏轉(zhuǎn)角度心4.2氧化劑噴嘴:氧化劑噴嘴質(zhì)量流量0.127^mofi=口m哂=—2—此=。,。4jRg/s4/24

word選取噴嘴壓降中 "」」""，取流量系數(shù)昆;"。氣氧壓力Pm—Pc+jP—2.4MPa標準狀況下，氧氣多變指數(shù)k=1.4,由狀態(tài)方程：得pstpst=12.17kg/7n3氣氧的噴出速度為由氣體直流噴嘴的質(zhì)量流量方程得Qmoh“力由氣體直流噴嘴的質(zhì)量流量方程得Qmoh“力4—0.0XSn.3：）X12.17106mm之—8J.49/71771^噴孔直徑』，日二噴孔直徑』，日二"川n，圓整取心=6皿，；’峰一由幾何關(guān)系可知壁厚門1入?■”）：："■」、圓整取Q.；」"；'5/24word圓筒段燃氣溫度「燃氣定壓比熱容：「畫”一卜：燃氣粘度I-…燃氣普朗特數(shù)F—"7圓筒段橫截面積A= =3.217X10-3?nz噴管喉部過渡平均半徑R—。,5(R[+R1-14|加假設(shè)內(nèi)壁溫度：；.?'="、：二利用巴茲法計算燃氣與內(nèi)壁面的對流換熱系數(shù)：根據(jù)」.?！?「，查表得到考慮附面層內(nèi)燃氣性能變化的修正系數(shù)「 L。。燃氣與內(nèi)壁面的對流換熱系數(shù)6/24word0.026仍&Dti20.026仍&Dti2\Pt().6］\匚ns0.9<j-］。67叼(m*-K)燃氣與內(nèi)壁面的對流換熱密度母="（丁 ??」?????m/‘‘Lcl根據(jù)-.L,飛，查得氣體對整個壁面輻射的平均射線長I—0版4_54,47n?n水蒸氣分壓、.；：=：- 「=I二氧化碳分壓」—.—?；?...，「！■?]■「計算得到-0.061MPa7npecJ=°用］8加網(wǎng)■m計算得到查圖得水蒸氣發(fā)射率乙：十一一，指數(shù)關(guān)系：".'’一?’?一，如此水蒸氣的實際發(fā)射率為山普一1一（1一以達。產(chǎn)一1—（1—0,014）第=0.0型工查圖得二氧化碳發(fā)射率;‘匚 ，如此總的發(fā)射率為生一￡用。+Q%一強。￡皿一。.0222壁面發(fā)射率一般取為[一 「，如此實際有效壁面發(fā)射率為M=￡口困口+11-E口浦（1一=0.956由于壁面溫度較低，故壁面對燃氣的輻射可以忽略，因此燃氣輻射熱流密度為7/24word5.1.4計算總熱流密度、總熱流量與冷卻劑流量總熱流密度,-1取推力室圓筒段壁厚一?”，如此外壁面溫度丁」.-一1總熱流量:"假如要求冷卻水通過冷卻通道時的溫升為40K，如此冷卻水流量為中q .aT-0.381kds^pcoJIco冷卻水的溫度可以取為■■■-二二寸推力室內(nèi)壁面與肋條材料為1Cr18Ni9Ti，導(dǎo)熱系數(shù)匕,' 力內(nèi)壁厚'：冷卻通道高度h=3mm，肋條厚b=1.5mm，冷卻通道寬a=2mm，如此當(dāng)量直徑￡如此當(dāng)量直徑￡一，.:、品“，冷卻通道數(shù)n=57。冷卻通道面積二="「小二匚父1[冷卻劑流速,?【?=：. ?I".；'、’P「廣41000X1.不乂上4K10”冷卻劑雷諾數(shù) = =； =5 二4。’630.658x103 ,冷卻劑雷諾數(shù)8/24word冷卻劑普朗特數(shù)門』一7- -冷卻劑努塞爾數(shù)?叫…1；!冷卻劑和外壁面的對流換熱系數(shù)二=.液體壁面溫度,「■一二.一二氣體壁面溫度丁 -1由計算結(jié)果可知，推力室圓筒段氣體壁面；=一二；]小于假定的溫度500K,相差2.4%小于5%，符合冷卻要求。喉部燃氣溫度2=、水。燃氣多變指數(shù)k=1.1478。燃氣定壓比熱容燃氣粘度!?|、「"0…燃氣普朗特數(shù)Pr=0.5967喉部壓力一】?????]”:??喉部橫截面積「！9/24

word噴管喉部過渡半徑「:=」'"一」廠.一假設(shè)內(nèi)壁溫度：；,「74(二利用巴茲法計算燃氣與內(nèi)壁面的對流換熱系數(shù)根據(jù)；i。」』查表得到考慮附面層內(nèi)燃氣性能變化的修正系數(shù)：=】,。燃氣與內(nèi)壁面的對流換熱系數(shù)a=a=11320V/阿-K)燃氣與內(nèi)壁面的對流換熱密度9卜=%-丁皿)=2-38x1?！W(wǎng)/5根據(jù)匚=L；，查得氣體對整個壁面輻射的平均射線長I=0.85Dc=54.4mm水蒸氣分壓一 , ；：.；「；?二氧化碳分壓1一計算得到0036MPa7np-001IMPam計算得到查圖得水蒸氣發(fā)射率%工二二一"1，指數(shù)關(guān)系L"Km'=1'〔如此水蒸氣的實際發(fā)射率為￡h2o=【一一￡。氏0)'=0.。1410/24word查圖得二氧化碳發(fā)射率;‘匚 ，如此總的發(fā)射率為￡g~￡H20+￡C02~￡H3O￡CO2~0-014壁面發(fā)射率一般取為?…一口二，如此實際有效壁面發(fā)射率為￡|4r=￡口處口+(1- -與力=0,958由于壁面溫度較低，故壁面對燃氣的輻射可以忽略，因此燃氣輻射熱流密度為心一的.?一口點；)|二浦7之 =498201V/忖5.2.4計算總熱流密度、總熱流量與冷卻劑流量總熱流密度9=95 =2.39X1。7叩/)取推力室圓喉部壁厚;、?'=〕"，如此外壁面溫度qB( 39x10x]x10Twf= -j-=F40- - JK=672K取喉部截面長度10mm總熱流量了 一一1冷卻水流量為q、一「！d二，如此喉部內(nèi)冷卻水溫升：小1二5x104qcoCc00.421X41-4門出取定性溫度313K11/24word推力室內(nèi)壁面與肋條材料為1Cr18Ni9Ti,導(dǎo)熱系數(shù)"?"二一」「二.力內(nèi)壁厚” ■,|,冷卻通道高度h=3mm,肋條厚b=1.5mm,冷卻通道寬a=2mm,如此當(dāng)量直徑葭=....■一！四，冷卻通道數(shù)n=14。冷卻通道面積/ . .'一二…’冷卻劑流速，…冷卻劑雷諾數(shù)燈=F二］：；二7冷卻劑普朗特數(shù)p二=一?二 .冷卻劑努塞爾數(shù)冷卻劑和外壁面的對流換熱系數(shù)力=警^=28223卬/爪2液體壁面溫度,「■一二.一二；士”氣體壁面溫度丁一：—七工由計算結(jié)果可知，推力室喉部氣體壁面；?../=7：二大于假定的溫度740K,相差1.7%小于5%，，且當(dāng)‘ 一；;'時1Cr18Ni9Ti不會失效，故符合冷卻要求。12/24word推力室圓筒段強度校核圓筒段所選材料為1Cr18Ni9Ti，查機械手冊得：抗拉強度為?"!，：1^V，，屈服極限為將推力室圓筒段視為承壓薄壁圓筒，其周向應(yīng)力為c--32MPU軸向應(yīng)力為徑向應(yīng)力為推力室圓筒段內(nèi)壁溫度約：3溫度較高，材料的屈服極限有所下降，故采用較大的安全系數(shù)，取許用應(yīng)力為「17kJ---80^Pa由第三強度理論有療w=/一內(nèi)=30MPq<[<ys\由第四強度理論有13/24word|（5一叼）（丁一%）*卜[丁一％）上"山口 I仃兇= ; =30,3MPa<[%）q由此推力室圓柱段滿足強度條件噴管強度校核噴管所選材料為1Cr18Ni9Ti,查機械手冊得：抗拉強度為:=”uMP。，屈服極限為二噴管喉部周向應(yīng)力血。「仃t一虧m—4,58MPq噴管喉部軸向應(yīng)力為F514（72一燈上一w- ~14,72MPq工月jt（0.0102-0.0082）噴管喉部徑向應(yīng)力為仃三一仃『-；pt—1.207MPa推力室圓筒段內(nèi)壁溫度約?區(qū)，溫度更高，材料的屈服極限下降更多，故采用更大的安全系數(shù)，取:i'許用應(yīng)力為「1久ijJ 40Mp口71由第三強度理論有%嗚=備一內(nèi)=3AS3MPa<匕』14/24

word由第四強度理論有］（5一/））/（V一口3）241%一即）、 〃I仃W二 二3AlMPa<1（tJq由此推力室噴管段滿足強度條件綜上，推力室各段在保證發(fā)動機性能和冷卻要求的前提下均滿足強度條件。設(shè)計點火器采用棒料加工而成，在棒料的一側(cè)邊鉆孔，用來安裝酒精管嘴和電點火塞，氣氧管嘴安裝在上部平面。為保證點火腔有一定的壓力，應(yīng)設(shè)計燃氣通道喉部，具體計算如下：4（點火）=”…=2.831X1。一”而P點火4（點火）—6mm燃燒室壓力為2MP汽酒精腔壓力為MP。，氣氧腔壓力為MP。，噴管出口壓強為1「u。本地面試驗用氣氧酒精發(fā)動機采用強度等級為受拉螺栓，螺栓材料為鋼，其強度極限為與-400MPa如此其屈服極限為"-"MU-U：［；P，/取安全系數(shù)為1.5取安全系數(shù)為1.5,如此許用屈服極限為240[o[==160Mpet

±.J15/24word綜合螺栓受力，得到與下底和法蘭連接的螺栓所受的力為pS口= = I'a]上底與中底采用螺釘連接，校核如下】?<："???I|經(jīng)過校核，所有螺栓和螺釘強度都符合要求。為便于設(shè)計加工，結(jié)構(gòu)上多采用焊接進展連接。該發(fā)動機是單件生產(chǎn)，因此大局部零件均采用機械加工，零件盡量采用標準件。發(fā)動機燃燒室燃氣溫度較高，對材料耐高溫性能均有很高的要求。該發(fā)動機采用三底兩腔的經(jīng)典結(jié)構(gòu)。上底和中底通過螺釘連接。該發(fā)動機僅用于地面，故可以采用簡單且可重復(fù)使用的電點火方式。氣氧和酒精分別通過不同的管路進入兩個腔體，并從三個直流撞擊式噴嘴噴入燃燒室燃燒。本發(fā)動機是氣氧酒精雙組元發(fā)動機，采用直流撞擊式雙組元噴注器。作為燃料的酒精通過自擊式噴嘴噴注進入燃燒室，這樣液滴細度高好而且混合距離短。作為氧化劑的氣氧，從結(jié)構(gòu)簡單原如此敖律，讓其通過中間的直流噴嘴噴出，與酒精混合即可。噴注盤面較小，故噴嘴數(shù)量不宜過多，可選擇三個噴注器并均勻分布在點火器出口的圓周上。16/24word點火器該發(fā)動機用于地面試驗，故可以使用電點火，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，可重復(fù)使用，點火組元仍然采用氣氧和酒精，使其燃燒產(chǎn)物同推力室一致，預(yù)燃室通過螺紋與上底連接。點火器的燃氣通過其喉部進入燃燒室點燃主推進劑。燃燒室為圓筒形，圓筒段采用的材料為1Cr18Ni9Ti。圓筒段