專利名稱：用于控制傳導(dǎo)到膨脹循環(huán)式火箭發(fā)動機中噴嘴側(cè)壁上的熱量的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于提高膨脹循環(huán)式火箭發(fā)動機(expander cyclerocket engines)功率的裝置，尤其是涉及一種用于增加傳導(dǎo)到冷卻劑的熱量的裝置，其中所述冷卻劑位于膨脹循環(huán)式火箭發(fā)動機中帶有冷卻劑通道的噴嘴側(cè)壁的內(nèi)側(cè)。
US-5363645描述了一種用于在火箭發(fā)動機燃燒腔室的喉部中對燃燒廢氣進行發(fā)散冷卻的裝置。但是，這個發(fā)明的目的在于優(yōu)化冷卻劑的消耗量，而并非提高火箭發(fā)動機的功率。
通常，根據(jù)氧化劑流和燃料流在發(fā)動機中是如何進行組織搭配的，可以將火箭發(fā)動機分成不同的發(fā)動機循環(huán)。在火箭發(fā)動機的燃燒循環(huán)和氣體發(fā)生循環(huán)中，燃燒會在該發(fā)動機中的兩個地方進行，即在主燃燒腔室內(nèi)和在輔助燃燒器內(nèi)。從輔助燃燒器中產(chǎn)生的燃燒廢氣用于驅(qū)動燃料和氧化劑泵的渦輪。
但是，在膨脹循環(huán)式火箭發(fā)動機中，燃燒僅在主燃燒腔室中進行，而用于驅(qū)動燃料和氧化劑泵的渦輪由流經(jīng)主燃燒腔室和噴嘴側(cè)壁中的冷卻劑通道的燃料(通常是液態(tài)氫)來進行驅(qū)動。因此，這也就意味著從儲罐中供送出的燃料，通過泵使其壓力增加，然后使燃料流經(jīng)噴嘴和主燃燒腔室的側(cè)壁中的冷卻劑通道，然后流過燃料和氧化劑泵的渦輪，并且隨后從泵中流出而流入到燃燒腔室中，在該燃燒腔室中，燃料與氧化劑一同燃燒。這也就意味著被加熱和發(fā)生膨脹的燃料越多，由這些燃料產(chǎn)生、用于驅(qū)動所述渦輪的能量就越多，從而使得發(fā)動機的效率得以提高。
因此，可以通過對在冷卻劑通道中被加熱的燃料的量進行設(shè)定，來對能夠達到的最大燃燒腔室壓力進行設(shè)定。因而，由于盡可能高的燃燒腔室壓力會使得火箭發(fā)動機達到最大功率，所以所希望獲得盡可能高的燃燒腔室壓力。
為了提高這種壓力，并且從而提高膨脹循環(huán)式火箭發(fā)動機的功率，非常重要的一點，是要使得傳導(dǎo)給燃料、用于升高燃料溫度的熱量達到最大化。即使燃料溫度的微小提高也非常重要，這是因為發(fā)動機的功率會因此而得以提高。
用于增加傳導(dǎo)到燃料中的熱量的現(xiàn)有方式包括，比如利用具有半圓形或者圓形橫剖面的導(dǎo)管來制造噴嘴側(cè)壁，以增大噴嘴側(cè)壁上面對火焰的面積。另外一種方式是利用具有高導(dǎo)熱性的材料來制造噴嘴側(cè)壁，比如利用銅。
現(xiàn)有技術(shù)中的缺點是，由半圓形或者圓形橫剖面導(dǎo)管制成的噴嘴側(cè)壁沿切線方向的強度較低，從而必須利用不同的方式來在其外側(cè)面上進行補強。這就意味著噴嘴將更為笨重，并且會降低其有效負載能力。利用銅來制造噴嘴側(cè)壁則具有這樣的缺點，即難以對銅進行焊接，并且銅的拉伸強度低于諸如鋼和鎳基材料這樣的材料的拉伸強度，這也意味著由銅制成的噴嘴將比由鋼制成的相應(yīng)噴嘴更為笨重。
根據(jù)本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)該目的，即為了擾亂噴嘴側(cè)壁上的附面層從而增加熱傳導(dǎo)，該噴嘴側(cè)壁上面對火焰的內(nèi)側(cè)面具有一個特別選定的增大的表面粗糙度，該表面粗糙度的大小使之能夠穿透噴嘴側(cè)壁上附面層的粘性底層(viscous sublayer)。
時附圖
的簡述下面將參照所附附圖對本發(fā)明的一個非限制性實施例進行描述，其中所附附圖是半個根據(jù)本發(fā)明并且附著有燃燒腔室的火箭發(fā)動機噴嘴的剖視圖。
對優(yōu)選實施方式的描述正如從附圖中所能夠看到的那樣，在噴嘴側(cè)壁1的內(nèi)側(cè)面上示出了一個特別選定的增大的表面粗糙度。該表面粗糙度必須足夠大，以致于其能夠穿透附面層的粘性底層。
所述表面粗糙度能夠全面影響導(dǎo)熱性的下限可以根據(jù)下述公式進行確定y+＝(cf×u2/2)0.5×y/v其中cf是表面摩擦力，u是在附面層處的流速，v是粘滯度，而y是垂直于噴嘴側(cè)壁的距離。
所述表面粗糙度必須至少為下限50y+，毫無疑問，在該數(shù)值范圍內(nèi)表面粗糙度將穿透附面層的粘性底層。
對于膨脹循環(huán)式火箭發(fā)動機中的一般噴嘴來說，表面粗糙度應(yīng)該從該噴嘴的入口向出口逐步增大。在入口處的表面粗糙度應(yīng)該大約為0.15毫米，而在出口處則應(yīng)該大約為1毫米。
噴嘴內(nèi)側(cè)面上的這種表面粗糙度例如可以通過機械加工工藝，比如磨削工藝，銑削工藝，或者利用通過火焰燃燒使得材料發(fā)生淀積的工藝或者利用等離子噴鍍工藝而獲得。
通過以這種方式增大表面粗糙度，能夠使得冷卻劑(燃料)的溫度至少升高10K，這將使得前述類型的火箭發(fā)動機中的冷卻效果至少提高1％或者更多。
權(quán)利要求
1.一種用于增加傳導(dǎo)到冷卻劑中的熱量的裝置，其中所述冷卻劑位于膨脹循環(huán)式火箭發(fā)動機中帶有冷卻劑通道的噴嘴側(cè)壁(1)的內(nèi)側(cè)，其特征在于為了擾亂所述噴嘴側(cè)壁上的附面層并且從而增加熱傳導(dǎo)，該噴嘴側(cè)壁上面對火焰的內(nèi)側(cè)面具有一個特別選定的增大的表面粗糙度，該表面粗糙度的大小使之能夠穿透噴嘴側(cè)壁上的附面層的粘性底層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的裝置，其特征在于所述表面粗糙度從噴嘴的入口向出口逐步增大。
3.根據(jù)權(quán)利要求2中所述的裝置，其特征在于所述表面粗糙度從噴嘴入口處的大約0.15毫米變化到噴嘴出口處的大約1毫米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于增加傳導(dǎo)到冷卻劑上的熱量的裝置,其中所述冷卻劑位于膨脹循環(huán)式火箭發(fā)動機中帶有冷卻劑通道的噴嘴側(cè)壁的內(nèi)側(cè)。為了實現(xiàn)該目的,本發(fā)明提出:為了擾亂噴嘴側(cè)壁上的附面層并且從而增加熱傳導(dǎo),噴嘴側(cè)壁上面對火焰的內(nèi)側(cè)面具有一個特別選定的增大的表面粗糙度,該表面粗糙度的大小使之能夠穿透噴嘴側(cè)壁上的附面層的粘性底層。
文檔編號F02K9/00GK1364218SQ01800549
公開日2002年8月14日 申請日期2001年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月17日
發(fā)明者楊·隆格倫, 阿爾內(nèi)·波曼, 馬茨·奧洛夫森 申請人:沃爾沃航空有限公司