0 引言
文中开展高低燃温组合推进剂下的喷管热结构和试验研究,使用流场计算的壁面温度场为初始条件,计算在不同低燃温推进剂质量含量下,喷管外壁面温度的瞬态变化。同时开展组合推进剂下试验研究,通过测量喷管喉衬外壁面的温度及喉衬烧蚀率,分析低燃温推进剂对喷管热结构及烧蚀的影响。为组合推进剂发动机设计提供参考。
1 组合装药下发动机喷管热结构仿真分析
1.1 热结构计算模型及网格划分
1.2 热结构结果分析
为了观测外壳体上的温度变化,取外壳体上的一点,距离喉部前端的轴向距离为5 mm,记为点A,如图3所示。将内流场计算的壁面温度作为喷管热结构的初始值,采用瞬态计算,时间一共20 s。分别计算了3种工况,低燃温推进剂含量分别为0%,2%,6.8%,低燃温推进剂燃烧温度为1 300 K,高燃温推进剂燃烧温度3 450 K,总质量流量为32.5 kg/s。在所有算例中,A点的初始温度均设置为22 ℃。外壁面与空气对流换热系数取5 W/(m2·K)。下面对计算结果进行分析。图4给出不同低燃温推进剂含量下A点随时间的温度变化曲线,随着计算时间的增加,热流逐渐传递到外表面,A点的温度升高越来越快。当计算时间为20 s时,不含低燃温推进剂时A点的温度已经升高到65.2 ℃。
2 组合推进剂下复合喷管试验分析
2.1 组合推进剂下喷管外壁面测试
图11将使用含低燃温推进剂的计算结果与试验值进行比较,从图中看出,两者数据变化趋势一致,但之间存在一定的偏差,这是仿真计算设置的参数与实际存在差异,如燃气比热容、导热系数、密度质量流量、温度均是不断变化的,综合导致了仿真计算温度和试验发动机测试温度存在差异。
2.2 组合推进剂下喷管喉衬烧蚀
试验后对喉径进行4个象限的测量。表3给出了喉衬烧蚀率的对比结果,可以看出, 1#喉衬的烧蚀率要明显低于2#喉衬, 2台试验发动机喷管喉衬的平均烧蚀率分别为0.112 mm/s、0.133 mm/s,与纯高燃温的2#试验发动机烧蚀率相比,1#试验发动机喉衬烧蚀率降低了15.8%。
表3 试验喉衬烧蚀率 |
| 喉衬 编号 | 试验前 喉径/mm | 试验后 喉径/mm | 工作 时间/s | 平均烧 蚀率/(mm/s) |
|---|---|---|---|---|
| 1# | 17.97 | 21.92 | 35.3 | 0.112 |
| 2# | 17.96 | 22.89 | 37.1 | 0.133 |
图12给出了试验发动机烧蚀后的喉衬实物图,从图中可以看出,使用低燃温推进剂的1#发动机喉衬表面较光滑,而2#试验发动机喉衬则比较粗糙,存在烧蚀后的凹坑,说明使用低燃温推进剂能有效保护喉衬,降低高燃温燃气对喉衬的冲刷。
3 结论
1) 使用低燃温推进剂能有效降低喷管背壁温度,使用低燃温推进剂越多,喷管背壁温度越低。
2) 从试验结果看,A点试验结果与计算值变化趋势一致,部分点值有较大差别,这主要是由测试方法及仿真计算参数输入差异造成的。
3) 使用低燃温推进剂能有效降低喉衬烧蚀,当低燃温推进剂含量为6.8%时,烧蚀率下降15.8%。