[發(fā)明專利]一種新型航天動(dòng)力用微孔板主被動(dòng)復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)及冷卻方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010059720.0
• 申請(qǐng)日: 2020-01-19
• 公開（公告）號(hào): CN111237087A
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魏祥庚;李玲玉;朱韶華;秦飛;趙志新;陳博;周之瑤;崔巍;景婷婷
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): F02K9/64
• 分類號(hào): F02K9/64;F02K9/40
• 代理公司: 西安維賽恩專利代理事務(wù)所(普通合伙) 61257
• 代理人: 劉艷霞

本發(fā)明公開了一種新型航天動(dòng)力用微孔板主被動(dòng)復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，包括由微孔板圍成的筒狀殼體，筒狀殼體的形狀與發(fā)動(dòng)機(jī)金屬外殼的形狀相一致，用于套設(shè)在金屬外殼內(nèi)，與發(fā)動(dòng)機(jī)金屬外殼間形成冷卻劑空腔，且冷卻劑空腔的下端為冷卻劑入口，上端為冷卻劑出口；在筒狀殼體內(nèi)側(cè)為燃?xì)馇唬細(xì)馇坏纳隙伺c冷卻劑出口相連通，將冷卻劑由上端噴入燃?xì)馇粌?nèi)；在微孔板上開設(shè)有多個(gè)液膜噴射孔，用于連通冷卻劑空腔和燃?xì)馇唬瑢⒗鋮s劑徑向噴入燃?xì)馇粌?nèi)。采用該結(jié)構(gòu)和方法不需要額外引入冷卻劑；經(jīng)多次傳熱，將發(fā)動(dòng)機(jī)金屬外殼的溫度降至許用溫度，滿足長時(shí)間工作的要求。

【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明屬于航天發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種新型航天動(dòng)力用微孔板主被動(dòng)復(fù)合冷卻方法及結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】

航天發(fā)動(dòng)機(jī)在航天運(yùn)輸中起著重要的作用，主要作為動(dòng)力裝置為航天運(yùn)載器提供推力。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，受燃燒室內(nèi)的高溫以及噴管中的高速氣流的作用，推力室所處的熱環(huán)境十分嚴(yán)峻，在某些型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)中，推力室殼體所受熱流可高達(dá)10⁹J/s·m³之上。在這種情況下，如果沒有針對(duì)推力室殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷卻設(shè)計(jì)，推力室將面臨燒穿甚至炸裂的危險(xiǎn)。

目前，針對(duì)推力室的冷卻主要有以下幾種方式：再生冷卻、膜冷卻、發(fā)汗冷卻以及被動(dòng)冷卻等等。其中，再生冷卻是較為常用的一種，通過在推力室壁內(nèi)加工冷卻通道，讓冷卻劑先通過壁內(nèi)的冷卻通道再進(jìn)入到噴注器內(nèi)，通過形成冷卻劑與推力室間的對(duì)流換熱來達(dá)到冷卻推力室殼體溫度的作用；膜冷卻也是應(yīng)用較為廣泛的一種，通過在殼體內(nèi)表面鋪設(shè)一層液體或氣體，使得高溫燃?xì)馀c殼體隔離，從而起到保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的作用；發(fā)汗冷卻則是將發(fā)動(dòng)機(jī)殼體制成多孔材料，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，由于溫度梯度的作用，冷卻劑將通過壁內(nèi)的孔進(jìn)入到高溫側(cè)，并在殼體內(nèi)表面進(jìn)行傳熱與傳質(zhì)，以達(dá)到冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的作用。被動(dòng)冷卻則是通過在燃燒室殼體內(nèi)安置耐高溫的材料，使得發(fā)動(dòng)機(jī)殼體在短時(shí)間內(nèi)達(dá)不到較高的溫度。

以上的冷卻方式在以往的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，均達(dá)到了較好的效果。但是，隨著航天動(dòng)力的發(fā)展，航天發(fā)動(dòng)機(jī)需在高熱載、低流量、長時(shí)間的工況下工作，使得以上冷卻方式均無法滿足冷卻要求。若采用再生冷卻，則需要不斷地提高入口壓力以提高冷卻效率，但是會(huì)導(dǎo)致供應(yīng)系統(tǒng)的輸出壓力過高而無法實(shí)現(xiàn)；若采用膜冷卻，則需額外引入較多的冷卻液而造成較大的資源浪費(fèi)；發(fā)汗冷卻又無法滿足按需分配冷卻流量的作用；被動(dòng)冷卻更是無法滿足長時(shí)間工作的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明的目的是提供一種新型航天動(dòng)力用微孔板主被動(dòng)復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)及冷卻方法，不需要額外引入冷卻劑；經(jīng)多次傳熱，將發(fā)動(dòng)機(jī)金屬外殼的溫度降至許用溫度，滿足長時(shí)間工作的要求。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種新型航天動(dòng)力用微孔板主被動(dòng)復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，包括由微孔板圍成的筒狀殼體，筒狀殼體的形狀與發(fā)動(dòng)機(jī)金屬外殼的形狀相一致，用于套設(shè)在金屬外殼內(nèi)，與發(fā)動(dòng)機(jī)金屬外殼間形成冷卻劑空腔，且冷卻劑空腔的下端為冷卻劑入口，上端為冷卻劑出口；在筒狀殼體內(nèi)側(cè)為燃?xì)馇唬細(xì)馇坏纳隙伺c冷卻劑出口相連通，將冷卻劑由上端噴入燃?xì)馇粌?nèi)；在微孔板上開設(shè)有多個(gè)液膜噴射孔，用于連通冷卻劑空腔和燃?xì)馇唬瑢⒗鋮s劑徑向噴入燃?xì)馇粌?nèi)。

進(jìn)一步地，該各微孔的孔徑為0.05mm-0.5mm。

進(jìn)一步地，該冷卻劑空腔的厚度為1-3mm。

進(jìn)一步地，該筒狀殼體的厚度為3mm-5mm。

進(jìn)一步地，該微孔板選用C/SiC復(fù)合材料。

本發(fā)明還公開了一種航天發(fā)動(dòng)機(jī)，包括上述的一種新型航天動(dòng)力用微孔板主被動(dòng)復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，還包括發(fā)動(dòng)機(jī)金屬外殼，筒狀殼體套設(shè)在金屬外殼內(nèi)，與發(fā)動(dòng)機(jī)金屬外殼間形成冷卻劑空腔；在冷卻劑空腔的下端、且位于金屬外殼上，開設(shè)有與冷卻劑空腔相連通的冷卻劑入口，在下端、且位于發(fā)金屬外殼上開設(shè)有冷卻劑出口；筒狀殼體內(nèi)側(cè)形成燃?xì)馇唬細(xì)馇坏纳隙伺c冷卻劑的出口相連通，將冷卻劑由上端噴入燃?xì)馇粌?nèi)；在微孔板上開設(shè)有多個(gè)液膜噴射孔，用于連通冷卻劑空腔和燃?xì)馇唬瑢⒗鋮s劑徑向噴入燃?xì)馇粌?nèi)。