3D打印矩形粗糙通道内火箭煤油流动换热特性试验方法研究 …l 【焦点 l 火箭】

| 3DScienceValley · 2025/05/21

谷专栏

洞察

“传统制造方式下，火箭的许多部件是由多个零件焊接或组装而成，如火箭发动机的喷注器，其结构复杂，由几百个零件组成。而3D打印技术可以实现这些复杂部件的一体化制造，减少零件数量和装配需求，从而提高部件的整体性能和可靠性。”

3D打印矩形粗糙通道内火箭煤油流动换热特性试验方法研究

刘朝晖1彭乐钦2李沛奇1杨宝娥2王玫2
1.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室2.西安航天动力研究所航天液体动力全国重点实验室

为探究3D打印再生冷却通道在液体火箭发动机推力室中的替代应用特性，研制了具有不同内表面粗糙度的正弦波纹结构3D打印304不锈钢矩形小通道。内截面名义尺寸为2.0 mm ×2.0 mm，设计粗糙度分别为6.3、25、100 μm，实际粗糙度Ra分别为11.88、12.70、17.53 μm，通过高温电阻率法和像素法结合获得了3D打印通道的实际内径和壁厚，修正了火箭煤油流动换热的内壁温和热流密度，建立了3D打印粗糙通道内火箭煤油流动换热特性试验研究方法。试验参数：压力为15～20 MPa、质量流速为12 450～24 900 kg·m-2·s-1、热流密度为5～15 MW·m-2、流体温度常温为-150℃。研究结果表明：火箭煤油流动换热特性受到热流密度、流体温度和质量流速的影响；流体温度为50～135℃，换热系数增加约25%～33%；热流密度为5.0～15.0 MW·m-2，换热系数增加了8.3%；质量流速为12 450～ 24 900 kg·m-2·s-1，换热系数大幅增加了60.2%。粗糙度增加对火箭煤油流动换热起到强化作用，粗糙度从11.88 μm增加到17.53 μm，换热强化20%以上。该研究可为3D打印通道在火箭发动机推力室中的替代应用提供参考。

面向增材制造的火箭直属件轻量化设计研究

赵琳瑜、杨琴文、张立平、吴帅、张锋、王猛、写旭
西安航天动力机械有限公司

由于金属增材制造技术的飞速发展，为复杂结构的制造和设计提供了条件，而拓扑优化作为一种先进的计算方法为轻量化设计提供了新的思路，能有效降低结构重量。为了降低火箭消极质量，在保证整体性能不受影响的条件下，对结构部组件进行轻量化设计很有必要。本文以火箭发动机支架为研究对象，面向增材制造，以实体变密度法为理论指导，以结构柔度最小化和固有频率最优化对模型进行多目标拓扑优化，经多个方案迭代，最终以重建模型质量降低34%达到轻量化设计目标。该优化方法对火箭部组件结构设计起到一定参考作用。

液氧/甲烷火箭发动机波纹状再生冷却通道的换热特性

王建明1吴政源1王一攀1陈祎航2徐微2
1.沈阳航空航天大学航空发动机学院2.沈阳航天新光集团有限公司

为了提高液氧/甲烷发动机再生冷却通道的换热效率，提出了波纹形状冷却通道结构。编程计算得到甲烷随温度压力同时变化的冷却剂物性参数，对软件进行用户自定义函数（UDF）二次开发，进而对发动机推力室与再生冷却通道进行了燃烧传热耦合模拟。对比了波纹通道与光滑通道的换热能力，结果表明：壁面波纹形状使冷却剂在通道内充分掺混，降低了壁面的法向温度梯度，冷却效果更好。当波高H=0.6mm时波纹通道相较于光滑通道最高温度和平均温度分别降低93.9 K和24.9 K。波纹通道形状决定波纹通道的换热能力，进一步研究了不同波纹高度与进口雷诺数对冷却通道换热性能的影响，当H<0.4 mm时换热能力较弱，H>0.6 mm时流动阻力激增，在进口雷诺数为1.8×105时，波纹通道的综合换热因子更高。

超燃冲压发动机内流道设计与优化研究

朱美军
浙江大学

课题采用热力学分析、准一维估算分析和数值模拟技术以及多学科优化方法深入研究了超燃冲压发动机内流道及部件的概念设计与优化问题,并探讨了多个设计因素对发动机系统和部件性能的影响。发展了一套集超燃冲压发动机内流道概念设计、部件概念设计、性能分析与优化于一体的设计方法。通过气流推力函数确定二维超燃冲压发动机各部件进出口的面积和物理参数,采用四道斜激波内外压混合进气道、等直隔离段、等直+扩张燃烧室和短喷管设计内流道;开发了准一维估算程序和(火用)分析程序对发动机内流道进行性能评估,对设计变量进行优化研究得到以比冲和(火用)效率以及两者共同为优化目标的发动机内流道构型,并分析了发动机内流道各部件(火用)损失分布以及各设计参数变化对优化构型性能的影响。采用此设计方法,分别选择Busemann进气道、等直隔离段、带凹腔的燃烧室、轴对称和非对称截短喷管四个部件,设计了4个不同循环静温比、压比和偏置尺寸的三维超燃冲压发动机内流道。开展了三维非对称超声速尾喷管的截短设计与优化研究。在特定的压比、平均压缩因子和最初保留长度与总长的比值对轴对称喷管进行设计与非线性压缩处理,对所设计的喷管进行数值模拟并提取给定进口形状和偏置尺寸的喷管流线,对提取的流线进行按照短喷管理论进行截断和边界层修正,所获得的流线采用UG二次开发造型并得到三维非对称截短喷管,采用数值模拟方法分析喷管的流场和性能。通过对三个截短设计变量进行正交试验,建立以推力和升力为优化目标的代理模型,选用喷管长度为约束进行尾喷管的优化研究。分析了优化构型下的流场特性、总压恢复系数和喷管效率等性能,并分析了设计变量、约束与喷管优化目标之间的影响和变化规律。采用数值模拟方法对横向喷射的凹腔燃烧室进行了分析和优化研究。分别分析了四个燃料喷注位置和凹腔构型参数变化对燃烧室性能的影响,最后对凹腔构型参数进行了优化设计研究。燃料喷注距离凹腔位置为35 mm的燃烧室呈现出良好的燃烧效率和总压恢复系数等性能。凹腔优化得到的Pareto前沿面可分为急变段、平缓段和巨变段,其对应的凹腔构型为窄深型、浅长型和中深中长型。平缓区的凹腔燃烧室相对于巨变区和急变区的构型,燃烧压力变化更均匀且能保持较高的总压恢复系数,且凹腔长度、深度和后壁倾角可以在一定裕度变化,在不需要考虑极高的燃烧效率和总压恢复系数的情况下,可以优先考虑平缓区凹腔构型。

复杂双壁结构的激光熔化沉积工艺研究

孙辉磊
河北科技大学

推力室是航空航天等火箭发动机产生推进力必不可少的关键组件。它是一种带内流道的复杂双壁结构件,具有变径回转空腔、复杂曲面内流道、多筋搭接等典型结构特征。通过传统制造方法如锻造、铸造、机械加工等制造会面临加工余量多、加工周期长、材料浪费严重等问题。而激光熔化沉积是一种根据数字模型逐层沉积金属零件的先进制造技术,能显著缩短制造周期、节约材料、快速无模成形复杂结构,是制造推力室的热门选择。但是目前基于激光熔化沉积的复杂双壁结构件制造主要采用一体成形的方案,制造过程中存在熔覆头干涉、内流道热积累严重、筋壁搭接不足与成形困难等诸多问题,严重影响成形件的性能和质量。因此,改进成形方案和优化各典型特征结构成形工艺尤为重要。本文的主要研究内容如下:首先研究水平沉积与斜向沉积基础工艺,采取单因素变量进行多组实验,分析了激光功率、熔覆头偏转角度、激光扫描速度、送粉速度等对沉积道形貌的影响规律,由此获得多组最佳工艺参数组合。在此基础上,建立单道多层Z轴单程抬升量Δz工艺模型,通过数学计算求得Δz=2/3h时成形质量最佳,并进行实验验证了上述模型的准确性。其次,分别针对“推力室模拟结构件”不同部分的结构特征提出了分区域分步组合成形方案。本文将它划分为变径回转空腔成形区域、内流道成形区域和多筋搭接成形区域。分别提出了“水平分层,法向堆积”、“基于基体母线的曲面分层”、“水平分层,斜向堆积”方法,对各区域进行分步成形。建立了多筋搭接简化模型,并通过T型搭接实验验证了可行性,最终成功制备了表面平整、高质量的“推力室模拟结构件”。实验结果表明:提出的“水平分层,法向堆积”方法可根据变径回转空腔几何模型实时调节变位机倾角。该方法使光束轴向与加工位置侧面切线始终保持一致,实现了上下层无错位堆积;提出的“基于基体母线的曲面分层”方法使内流道沿曲面母线平滑成形,有效地避免了能量局部积累、成形表面形貌差、成形过程中粉末过熔化等问题;提出的“水平分层,斜向堆积”方法能够有效地解决多筋搭接区域堆积时熔覆头与已成型部分的干涉、筋与薄壁连接处凹凸缺陷等问题。检测结果表明:成形件表面相对平整,同时其尺寸误差(9%以内)较小,壁厚(2.25 mm左右)范围较稳定。

超燃冲压发动机推进流道气动性能估算方法研究

朱清波
南京航空航天大学

为满足超燃冲压发动机选型和初步设计阶段对超燃冲压发动机快速性能评估的需求,对超燃冲压发动机推进流道气动性能估算方法进行了研究。首先追踪了国内外超燃冲压发动机性能计算方法的研究现状,分析了其中的不足之处,指出传统的CFD方法存在计算量大的弊端,在目前的计算条件下无法满足超燃冲压发动机快速性能计算的需求。然后,对超燃冲压发动机及其各子系统的工作过程进行了热力学分析,据此建立了以部件性能为基础的超燃冲压发动机截面参数计算数学模型。该方法可以在给定超燃冲压发动机部分设计变量的情况下,计算出关键截面的气动热力参数,进而计算出超燃冲压发动机的总体性能。根据该方法开发了超燃冲压发动机推进流道的性能计算程序。接着,对燃烧系统的两种模态三种情况下的流动过程和现象进行了分析,确定了其内部的截面划分方法。在一维假设的前提下,推导出了无分离和有分离两种流态下的广义一维定常流控制方程。对该方程在定比热和变比热情况下的求解方法进行了研究,并编写了求解程序。将计算结果与试验数据进行了对比,表明该方法可以对燃烧系统进行有效的沿程参数计算和性能评估。同时又以广义一维流控制方程为基础,提出一种基于试验压力数据分布的超燃冲压发动机燃烧系统沿程参数计算方法。最后,选取了单位推力、比冲、耗油率、热效率、推进效率以及总效率来综合反映发动机的气动性能,并利用开发的总体性能计算程序对超燃冲压发动机在典型设计参数和工况下的流路特性进行了计算。采用参数化分析的方法,研究并给出了主要设计参数对发动机总体性能的影响规律,并分析了其中的原因。

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