北航课程设计-气氧酒精火箭发动机

课程设计说明书

院（系）名称：宇航学院

学生姓名：东来

学号：12151075

专业名称：飞行器动力工程（航天）指导教师：黎辉

2016.1.22

课程设计任务书

一、课程设计题目：

设计实验用液体火箭发动机推力室

二、课程设计题目的原始数据及设计技术要求

推力：500N

燃料：气氧+75%酒精

余氧系数：α=0.8

燃烧室压力：2MPa

出口压力：0.1MPa

三、课程设计任务：

1进行热力计算、推力室结构参数计算：确定圆柱形燃烧室直径、长度，喉部直径，喷管收敛段、扩段长度，喷管出口直径。

2进行喷嘴设计、推力室水冷却计算。

3 详细设计并绘制推力室部件总图。

4 零件设计：

5 撰写设计说明书。

四、课程设计日期：自2015年12月14日至2016年1月22日

学生：东来指导教师：黎辉

班级：121516教研室主任：

目录

1.设计参数 (1)

2.推力室参数计算结果 (1)

3.推力室结构参数计算 (1)

4.推力室头部设计 (3)

4.1 燃料喷嘴设计 (3)

4.2 氧化剂喷嘴： (3)

5.推力室身部设计 (4)

5.1 推力室圆筒段冷却计算 (4)

5.1.1 燃气的气动参数 (4)

5.1.2 计算燃气与壁面的对流换热密度 (4)

5.1.3 计算燃气与壁面的辐射热流密度 (5)

5.1.4 计算总热流密度、总热流量及冷却剂流量 (6)

5.1.5 确定冷却通道参数 (6)

5.1.6 计算壁面和外壁面温度 (6)

5.2 推力室喉部冷却计算 (7)

5.2.1 燃气的气动参数 (7)

5.2.2 计算燃气与壁面的对流换热密度 (7)

5.2.3 计算燃气与壁面的辐射热流密度 (8)

5.2.4 计算总热流密度、总热流量及冷却剂流量 (8)

5.2.5 确定冷却通道参数 (9)

5.2.6 计算壁面和外壁面温度 (9)

6.推力室强度校核 (10)

6.1推力室圆筒段强度校核 (10)

6.2喷管强度校核 (10)

7.点火器设计 (11)

8.螺栓强度校核 (12)

9.整体结构分析 (12)

9.1头部结构 (12)

9.2喷注器 (13)

9.3点火器 (13)

9.4推力室 (13)

9.6密封结构 (13)

10.感悟 (14)

参考文献 (15)

1.设计参数

推力：F tc=500N

推进剂：气氧+75%酒精

余氧系数：α=0.8

燃烧室压力：p c=2MPa

出口压力：p e=1atm

2.推力室参数计算结果

化学当量混合比r m0=1.485，实际混合比r mc=1.188，地面理论比冲I stctℎ= 2317.87m/s，特征速度c∗=1649.35m/s，扩比εe=3.635。

3.推力室结构参数计算

取燃烧室效率ηC=0.96；喷管效率ηn=0.96。

=0.234kg/s

推力室总质量流量为：q mc=F tc

I stctℎηcηn

从而得出：

=0.127kg/s

推力室氧化剂质量流量：q moc=q mc×r mc

r mc+1

推力室燃料质量流量：q mfc=q mc−q moc=0.107kg/s

=1.930×10−4m2

喷管喉部面积：A t=c∗⋅q mc

p c

喉部直径D t=√4A t

π

=15.68mm，圆整取D t=16mm，则A t=2.01×10−4m2取燃烧室的特征长度L=2.4m

燃烧室容积V c=L×A t=4.8255×10−4m3

利用燃烧室收缩比求燃烧室直径

取燃烧室收缩比为εc=16则燃烧室横截面积为：A c=εc A t=3.217

×10−3m2燃烧室直径为：D c=√εc⋅D t=64mm

设计推力室喷管双圆弧收敛段型面

选择R1=1.5R t=11.76mm，圆整取R1=12mm

选择R2，取ρ=2.5，则R2=ρR c=ρ√εc R t=80mm

则收敛段长度为：L c2=R t√(k+ρ√εc)2−[(ρ−1)√εc+k+1]2

式中，k=1.5，ρ=2.5，εc=16，则计算得L c2=61.96mm。圆整取L c2= 62mm

以R1和R2所作圆弧切点的位置为ℎ=

k+ρ√εc2

=8.09mm

H=L c2−ℎ=53.91mm

y=kR t+R t−√k2R t2−ℎ2=11.14mm

收敛段容积为：V c2=1.17982385×10−4m3

燃烧室圆柱段的长度为：L c1=V c−V c2

A c

=113.33mm，圆整取114mm 喷管扩段直径D e=√εe⋅D t=30.505mm，圆整取32mm

喷管扩段与喉部截面之间用半径R3=D t=16mm的圆弧过渡

喷管出口角取2βe=150查得喷管相对长度L̅n=1.7930，求大圆弧相对半径

R̅0=

L̅n2+(1.5−D e

2D t

)

2

−1

2[1−L̅n sinβe−(1.5−D e

2D t

)cosβe]

=4.56

则：R0=R̅0D t=72.97mm，圆整取73mm

L n=L̅n D t=28.688mm，圆整取29mm

X0=L n+R0sinβe=38.528mm，圆整取39mm Y0=R0cosβe−D e

2

=56.375mm，圆整取57mm