多层复合冷却喷管结构与发动机的制作方法

1.本技术涉及航天推进技术领域，具体地，涉及多层复合冷却喷管结构与发动机，特别地，涉及一种液体火箭发动机多层复合冷却喷管结构与发动机。


背景技术：

2.喷管是火箭发动机的核心部件，它工作在高温高压的极端恶劣环境下，因此需要对喷管壁面进行强力且有效的冷却。
3.目前，再生冷却是大中型液体火箭发动机喷管冷却技术中最常用的方法之一。再生冷却技术利用推进剂作为冷却剂，冷却剂在喷管壁面内部的微小流道里流动，对喷管内壁进行冷却后再进入喷注器喷出燃烧。这种冷却方式的优点在于所有吸热最终都转化成推进剂温升，并随着燃烧释放出来，因此发动机没有推力损失，这对提升火箭发动机性能具有重要意义。但是，由于加工制造水平限制了喷管冷却结构，传统上仅有一种推进剂组元参与冷却，而另一种推进剂则不参与冷却，它的冷却能力被浪费。
4.专利文献cn109827191a公开了一种液体火箭发动机双冷却再生冷却身部结构，包括：燃料冷却段和氧化剂冷却段；燃料冷却段设置有燃料进口，燃料进口集液腔，冷却槽，连接槽，燃料出口集液腔和燃料出口；氧化剂冷却段设置有氧化剂进口，氧化剂进口集液腔，连接槽，冷却槽，氧化剂出口和密封槽。该方案为喷管结构的两冷却层为串联结构，内部流动的两推进剂组元均直接接触燃烧室壁。但该方案两推进剂之间无法平衡温度，当其中一种推进剂超温时，另一种推进剂由于与前一种推进剂接触面积很小，不能有效从前一种推进剂中吸热，防止相变。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多层复合冷却喷管结构与发动机。
6.根据本发明提供的一种多层复合冷却喷管结构，包括第一推进剂组元冷却层、第二推进剂组元冷却层、喷管主体、第一推进剂组元以及第二推进剂组元；
7.第一推进剂组元冷却层与第二推进剂组元冷却层均设置在喷管主体外壁上；
8.所述第一推进剂组元冷却层与第二推进剂组元冷却层并联布置；
9.第一推进剂组元在第一推进剂组元冷却层中流动，用于对热壁面进行冷却，所述热壁面为喷管主体与喷管主体的内部流体直接接触的壁面；
10.第二推进剂组元在第二推进剂组元冷却层中流动，用于对第一推进剂组元冷却层进行冷却。
11.优选的，所述第一推进剂组元冷却层包括依次连通的第一推进剂进口、第一进口环形集腔、第一冷却槽道、第一出口环形集腔以及第一出口；
12.所述第一推进剂组元经第一推进剂进口进入第一进口环形集腔，然后通过第一冷却槽道对热壁面进行冷却，随后进入第一出口环形集腔，并通过第一出口流出。
13.优选的，所述第二推进剂组元冷却层包括依次连通的第二推进剂进口、第二进口环形集腔、第二冷却槽道、第二出口；
14.所述第二推进剂组元经第二推进剂进口进入第二进口环形集腔，然后通过第二冷却槽道对第一推进剂组元冷却层冷却，随后从第二出口流出。
15.优选的，所述第一冷却槽道包括多条第一推进剂组元轴向槽道与多条第一推进剂组元周向槽道；
16.相邻所述第一推进剂组元轴向槽道之间，通过一条或多条第一推进剂组元周向槽道相连通。
17.优选的，所述第二冷却槽道包括多条第二推进剂组元轴向槽道与多条第二推进剂组元周向槽道；
18.相邻所述第二推进剂组元轴向槽道之间，通过一条或多条第二推进剂组元周向槽道相连通。
19.优选的，第一推进剂组元轴向槽道与两侧相邻第一推进剂组元轴向槽道之间的连通位置不同。
20.优选的，第二推进剂组元轴向槽道与两侧相邻第二推进剂组元轴向槽道之间的连通位置不同。
21.优选的，第一冷却槽道、第二冷却槽道沿所述喷管主体的周向方向依次由内向外布置；
22.第一推进剂组元轴向槽道、第二推进剂组元轴向槽道在横截面上的投影相互错开布置。
23.优选的，所述多层复合冷却喷管结构采用增材制造技术生产。
24.根据本发明提供的一种发动机，采用所述的多层复合冷却喷管结构。
25.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
26.1、本发明通过第一推进剂组元冷却层与第二推进剂组元冷却层能够实现同时采用两种推进剂组元参与冷却，同时利用了两种推进剂组元的冷却能力，有效提高喷管冷却能力。
27.2、本发明喷管结构为整体式结构，适合采用增材制造技术生产，避免复杂的机械加工和装配。
附图说明
28.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
29.图1是本发明的纵向剖面结构示意图，其中示出了第一推进剂组元轴向槽道的全貌；
30.图2是本发明的横向剖面结构示意图，其中示出了第二推进剂组元轴向槽道的全貌；
31.图3是本发明中喷管主体所具有的喉部横截面结构示意图；
32.图4是本发明中周向槽道的示意性局部放大透视图；
33.图5是本发明中进口环形集腔的结构示意图；
34.图6是本发明中出口环形集腔的结构示意图。
35.图中示出：
36.具体实施方式
37.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
38.本发明提供了一种多层复合冷却喷管结构，如图1-6所示，包括第一推进剂组元冷却层1、第二推进剂组元冷却层2、喷管主体3、第一推进剂组元以及第二推进剂组元；在一个优选例中，所述喷管主体3为渐缩渐扩喷管，具有喉部。
39.第一推进剂组元冷却层1与第二推进剂组元冷却层2均设置在喷管主体3外壁上；
40.所述第一推进剂组元冷却层1与第二推进剂组元冷却层2并联布置；
41.第一推进剂组元在第一推进剂组元冷却层1中流动，用于对热壁面进行冷却，所述热壁面为喷管主体3与喷管主体3内部流体直接接触的壁面；在一个优选例中，所述内部流体为燃气。
42.第二推进剂组元在第二推进剂组元冷却层2中流动，用于对第一推进剂组元冷却层1进行冷却。
43.所述第一推进剂组元冷却层1包括依次连通的第一推进剂进口11、第一进口环形集腔12、第一冷却槽道13、第一出口环形集腔14以及第一出口15；所述第一推进剂经第一推进剂进口11进入第一进口环形集腔12，然后通过第一冷却槽道13对热壁面进行冷却，随后进入第一出口环形集腔14，并通过第一出口15流出。
44.所述第二推进剂组元冷却层2包括依次连通的第二推进剂进口21、第二进口环形集腔22、第二冷却槽道23、第二出口24；所述第二推进剂经第二推进剂进口21进入第二进口环形集腔22，然后通过第二冷却槽道23对第一推进剂组元冷却层1冷却，随后从第二出口24流出。在一个优选例中，所述第二出口24为分散式出口，所述第二推进剂组元冷却层2还包括双环密封槽25，所述双环密封槽25布置在所述分散式出口的四周。
45.第一冷却槽道13、第二冷却槽道23沿所述喷管主体3的周向方向依次由内向外布置。即，第一冷却槽道13位于靠近燃气的内侧，第二冷却槽道23位于外侧，且从第一冷却槽道13、第二冷却槽道23均不直接接触喷管主体3内壁面，第一冷却槽道13、第二冷却槽道23平行并联布置；
46.所述第一冷却槽道13包括多条第一推进剂组元轴向槽道131与多条第一推进剂组元周向槽道132；所述第一推进剂组元轴向槽道131沿所述喷管主体3的长度方向布置，第一推进剂组元周向槽道132沿所述喷管主体3的周向布置。相邻所述第一推进剂组元轴向槽道131之间，通过一条或多条第一推进剂组元周向槽道132相连通。在一个优选例中，所述第一推进剂组元通过周向间断部分开槽的第一推进剂组元轴向槽道131对喷管与燃气直接接触的热壁面进行冷却。
47.所述第二冷却槽道23包括多条第二推进剂组元轴向槽道231与多条第二推进剂组元周向槽道232；所述第二推进剂组元轴向槽道231沿所述喷管主体3的长度方向布置，第二推进剂组元周向槽道232沿所述喷管主体3的周向布置。相邻所述第二推进剂组元轴向槽道231之间，通过一条或多条第二推进剂组元周向槽道232相连通。在一个优选例中，第二推进剂通过周向间断部分开槽的第二推进剂组元轴向槽道231对第一推进剂组元冷却层1进行冷却，随后进入为分散式出口的第二出口24，并通过与出口对接的外界连接集管或发动机头部流出，所述发动机为安装有本发明多层复合冷却喷管结构的发动机。
48.第一推进剂组元轴向槽道131与两侧相邻第一推进剂组元轴向槽道131之间的连通位置不同。第二推进剂组元轴向槽道231与两侧相邻第二推进剂组元轴向槽道231之间的连通位置不同，即如图3、4所示，第一推进剂组元周向槽道132与第二推进剂组元周向槽道232均为间断部分开槽，也就是说，第一推进剂组元周向槽道132与第二推进剂组元周向槽道232均为错位部分开槽，能够避免传统的全环形周向槽道减弱结构强度的缺点。在一个优选例中，所述第一推进剂组元周向槽道132与第二推进剂组元周向槽道232的槽道截面形状根据所处位置为圆弧五边形或梯形，具体的，圆弧五边形或梯形斜边与喷管轴线法平面夹角为60
°
，此设计，适合增材制造工艺，防止生产中出现槽道塌陷问题。如图3、4所示，在一个优选例中，所述第一推进剂组元轴向槽道131、第二推进剂组元轴向槽道231在横截面上的投影相互错开布置，即第一推进剂组元轴向槽道131、第二推进剂组元轴向槽道231错位布置，相较并列布置而言具有更好的传热能力和更高的结构强度。
49.本发明提供的多层复合冷却喷管结构同时采用两种推进剂组元作为冷却剂对喷管进行冷却，通过对喷管结构的合理设计，充分利用两种推进剂组元的热沉，具有大幅超越传统喷管结构的优势，主要体现在以下三个方面：1、能够提高推进剂对燃烧室壁面的冷却能力，进而允许更高燃烧温度，提高燃烧效率和推力；2、推进剂和壁面之间的耦合传热能够平衡两推进剂温度，提高推进剂相态控制能力，避免出现不稳定燃烧问题；3、燃烧温度过高、壁面超温时，推进剂密度下降，流量降低，使燃烧室室压下降，壁面温度回正，具有对壁面的自保护能力。
50.除此以外，一般来说，再生冷却喷管加工采用机械加工方式分别制造喷管内外壁，然后利用扩散焊等方式将内外壁焊接为成品，加工费用高、周期长、工序多、良品率低，且焊接处的结构强度存在潜在缺陷，也无法加工出更加复杂高效的冷却结构。而在一个优选例中，本发明提供的所述多层复合冷却喷管结构采用增材制造技术生产；增材制造技术是近
年来兴起的先进制造技术，采用该技术加工喷管，生产周期短，成本低，工序少，材料性能高且均一性好，能够适用于复杂的结构。
51.在一个优选例中，多层复合冷却喷管结构使用不锈钢或铜合金制造。所述第一推进剂组元为燃料，如液甲烷或其他液态小分子烷烃燃料，第二推进剂组元为氧化剂，如液氧。第一推进剂组元冷却层1与第二推进剂组元冷却层2平行并联布置，燃料位于靠近燃气的内侧通道内，氧化剂位于外侧通道内。氧化剂从进口到出口仅接触温度较低的燃料层一侧壁面，不直接接触温度较高的燃气壁面，可以避免氧化剂温升过高，氧化腐蚀金属壁面。
52.本发明同时采用两种推进剂组元参与冷却，有效提高喷管冷却能力；除此以外，本专利两冷却层为内外并联结构，内层接触燃烧室壁，外层不接触。由于内外层推进剂之间传热面积大，当内层推进剂由于吸热过高而超温时，外层推进剂能对其进行有效冷却，防止内层推进剂发生相变。
53.本发明喷管结构为整体式结构，适合采用增材制造技术生产，避免复杂的机械加工和装配；本发明可采用较廉价材料制造，避免使用成本较高的稀有金属原料如铌、钽等；本发明周向槽道采用错位开槽方式，保证开槽对喷管结构强度影响小，并增强掺混均温效果；本发明轴向槽道错位布置，比并列布置具有更好的传热能力和结构强度。
54.本发明所述结构为整体式结构，仅有单一零件，适合采用增材制造技术生产。本发明可作为大中型液体火箭发动机再生冷却喷管，能够提高发动机冷却效率，对提升火箭发动机性能具有重要意义。本发明能够克服或至少部分缓解背景技术中提到的喷管冷却能力不足、低温推进剂相态自适应问题和复杂结构喷管制造困难问题。
55.本发明提供的多层复合冷却喷管结构，适应于使用不锈钢或铜合金为原料，采用增材制造技术进行生产，可作为大中型液体火箭发动机再生冷却喷管，能够提高发动机冷却效率和推力，对提升火箭发动机性能具有重要意义。
56.本发明还提供了一种发动机，采用所述的多层复合冷却喷管结构。
57.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
58.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种多层复合冷却喷管结构，其特征在于，包括第一推进剂组元冷却层(1)、第二推进剂组元冷却层(2)、喷管主体(3)、第一推进剂组元以及第二推进剂组元；第一推进剂组元冷却层(1)与第二推进剂组元冷却层(2)均设置在喷管主体(3)外壁上；所述第一推进剂组元冷却层(1)与第二推进剂组元冷却层(2)并联布置；第一推进剂组元在第一推进剂组元冷却层(1)中流动，用于对热壁面进行冷却，所述热壁面为喷管主体(3)与喷管主体(3)的内部流体直接接触的壁面；第二推进剂组元在第二推进剂组元冷却层(2)中流动，用于对第一推进剂组元冷却层(1)进行冷却。2.根据权利要求1所述的多层复合冷却喷管结构，其特征在于，所述第一推进剂组元冷却层(1)包括依次连通的第一推进剂进口(11)、第一进口环形集腔(12)、第一冷却槽道(13)、第一出口环形集腔(14)以及第一出口(15)；所述第一推进剂组元经第一推进剂进口(11)进入第一进口环形集腔(12)，然后通过第一冷却槽道(13)对热壁面进行冷却，随后进入第一出口环形集腔(14)，并通过第一出口(15)流出。3.根据权利要求2所述的多层复合冷却喷管结构，其特征在于，所述第二推进剂组元冷却层(2)包括依次连通的第二推进剂进口(21)、第二进口环形集腔(22)、第二冷却槽道(23)、第二出口(24)；所述第二推进剂组元经第二推进剂进口(21)进入第二进口环形集腔(22)，然后通过第二冷却槽道(23)对第一推进剂组元冷却层(1)冷却，随后从第二出口(24)流出。4.根据权利要求3所述的多层复合冷却喷管结构，其特征在于，所述第一冷却槽道(13)包括多条第一推进剂组元轴向槽道(131)与多条第一推进剂组元周向槽道(132)；相邻所述第一推进剂组元轴向槽道(131)之间，通过一条或多条第一推进剂组元周向槽道(132)相连通。5.根据权利要求4所述的多层复合冷却喷管结构，其特征在于，所述第二冷却槽道(23)包括多条第二推进剂组元轴向槽道(231)与多条第二推进剂组元周向槽道(232)；相邻所述第二推进剂组元轴向槽道(231)之间，通过一条或多条第二推进剂组元周向槽道(232)相连通。6.根据权利要求4所述的多层复合冷却喷管结构，其特征在于，第一推进剂组元轴向槽道(131)与两侧相邻第一推进剂组元轴向槽道(131)之间的连通位置不同；第二推进剂组元轴向槽道(231)与两侧相邻第二推进剂组元轴向槽道(231)之间的连通位置不同。7.根据权利要求5所述的多层复合冷却喷管结构，其特征在于，第一推进剂组元周向槽道(132)与第二推进剂组元周向槽道(232)均为间断部分开槽，槽道截面形状为圆弧五边形或梯形。8.根据权利要求5所述的多层复合冷却喷管结构，其特征在于，第一冷却槽道(13)、第二冷却槽道(23)沿所述喷管主体(3)的周向方向依次由内向外布置；第一推进剂组元轴向槽道(131)、第二推进剂组元轴向槽道(231)在横截面上的投影相互错开布置。
9.根据权利要求1所述的多层复合冷却喷管结构，其特征在于，所述多层复合冷却喷管结构采用增材制造技术生产。10.一种发动机，其特征在于，采用权利要求1-9中任一项所述的多层复合冷却喷管结构。

技术总结
本发明提供了一种多层复合冷却喷管结构与发动机。所述多层复合冷却喷管结构，包括第一推进剂组元冷却层、第二推进剂组元冷却层、喷管主体、第一推进剂组元以及第二推进剂组元；所述第一推进剂组元冷却层与第二推进剂组元冷却层并联布置；第一推进剂组元在第一推进剂组元冷却层中流动，用于对热壁面进行冷却，所述热壁面为喷管主体与喷管主体的内部流体直接接触的壁面；第二推进剂组元在第二推进剂组元冷却层中流动，用于对第一推进剂组元冷却层进行冷却。本发明通过第一推进剂组元冷却层与第二推进剂组元冷却层能够实现同时采用两种推进剂组元参与冷却，同时利用了两种推进剂组元的冷却能力，有效提高喷管冷却能力。有效提高喷管冷却能力。有效提高喷管冷却能力。


技术研发人员：黄浩然 曾夜明 周海清 金盛宇 时佰宏 关亮 程诚
受保护的技术使用者：上海空间推进研究所
技术研发日：2022.12.28
技术公布日：2023/6/3