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=1atm2.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 tcI stctℎηcηn从而得出：=0.127kg/s推力室氧化剂质量流量：q moc=q mc×r mcr 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 mcp c喉部直径D t=√4A tπ=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=8.09mmH=L c2−ℎ=53.91mmy=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 c2A 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 e2D t)2−12[1−L̅n sinβe−(1.5−D e2D t)cosβe]=4.56则：R0=R̅0D t=72.97mm，圆整取73mmL n=L̅n D t=28.688mm，圆整取29mmX0=L n+R0sinβe=38.528mm，圆整取39mm Y0=R0cosβe−D e2=56.375mm，圆整取57mmβm =sin −1L n +R 0sinβeR 0+D t=22.46°。
4.推力室头部设计采用带切向孔的直流-离心式喷嘴，燃料采用切向式离心喷嘴，氧化剂采用直流式喷嘴；排布方式：中间1个喷嘴，外圈均布3个喷嘴，燃料和氧化剂喷嘴数量为n f =n 0=4。
4.1燃料喷嘴设计已知：75%酒精密度：ρf =877.3kg ∕m 3 酒精喷嘴压降∆p 0=0.2p c =0.4MPa根据经验数据确定流量系数。
取l d ⁄=3，得到μ=0.8 则有A nf =mfcμ2ρ∆p =5.049×10−6m 2d f =√4Anf n fπ=1.035mm ，圆整取1.1mml f =3d f =3.3mm该喷嘴为自击式，故αs 始终为0，取喷嘴偏转角度αf =45°。
4.2氧化剂喷嘴：氧化剂喷嘴质量流量q moℎ=q moc n f ⁄=0.1273kg/s =0.042kg/s 选取喷嘴压降Δp o =0.4MPa ，取流量系数μo =0.8。
气氧压力p in =p c +Δp =2.4MPa标准状况下，氧气多变指数k=1.4，ρst =1.43kg ∕m 3。
由状态方程pp st=(ρρst )k得ρo=(p inp st)1∕kρst=12.17kg∕m3气氧的喷出速度为w o=√2kk−1RT in[1−(p cp in)k−1k]=√2×1.41.4−1×259.8×273.15×[1−(22.04)1.4−11.4] =52.94m/s由气体直流喷嘴的质量流量方程得A no=q moℎμo w oρo=0.0320.8×55.30×12.17×106mm2=81.49mm2喷孔直径d o=√4A non0π=5.88mm，圆整取d o=6mm，l o=18mm由几何关系可知壁厚b=√22(l f+d)=3.1mm，圆整取b=4mm 5.推力室身部设计5.1推力室圆筒段冷却计算5.1.1燃气的气动参数圆筒段燃气温度T st=3006K燃气多变指数k=1.15燃气定压比热容c p=2.296kJ kg∙K⁄燃气粘度μ=1.0×10−4Pa⋅s燃气普朗特数Pr=0.58815.1.2计算燃气与壁面的对流换热密度圆筒段横截面积A=1πD c2=3.217×10−3m2喷管喉部过渡平均半径R =0.5(R 1+R 3)=14mm假设壁温度：T wg =500K 。
利用巴兹法计算燃气与壁面的对流换热系数： 根据T wgTst=0.166，查表得到考虑附面层燃气性能变化的修正系数σ=1.52。
燃气与壁面的对流换热系数ℎg =[0.026t0.2(μ0.2c p 0.6)ns (p c ∗)0.8(D t )0.1](A t )0.9σ=1067W/(m 2⋅K)燃气与壁面的对流换热密度q k =ℎg (T st −T wg )=2.675×106W ∕m 25.1.3计算燃气与壁面的辐射热流密度根据Lc1D c=1.78，查得气体对整个壁面辐射的平均射线长l =0.85D c =54.4mm水蒸气分压p H 2O =p c ⋅n H 2O n =1.12MPa 二氧化碳分压p CO 2=p c ⋅n CO 2n=0.34MPa计算得到p H 2O l =0.061MPa ⋅mp CO 2l =0.018MPa ⋅m查图得水蒸气发射率ε0H 2O =0.014，指数关系n =1+k H 2O p H 2O =1.6，则水蒸气的实际发射率为εH 2O =1−(1−ε0H 2O )n=1−(1−0.014)1.6=0.0223查图得二氧化碳发射率εCO 2=0，则总的发射率为εg =εH 2O +εCO 2−εH 2O εCO 2=0.0223壁面发射率一般取为ε0w =0.8，则实际有效壁面发射率为εW =ε0W [1+(1−ε0W )(1−εg )]=0.956由于壁面温度较低，故壁面对燃气的辐射可以忽略，因此燃气辐射热流密度为q r=5.67⋅εw⋅[εg(T g100)4−αg(T wg100)4]=5.67⋅εw⋅εg(T g100)4=9.870×104W∕m25.1.4计算总热流密度、总热流量及冷却剂流量总热流密度q=q k+q r=2.774×106W∕m2取推力室圆筒段壁厚δ=1mm，则外壁面温度T Wf=T Wg−qδλw=492K 总热流量Φ=q⋅2πR c l c=6.36×104W若要求冷却水通过冷却通道时的温升为40K，则冷却水流量为q co=ΦC pco⋅ΔT co=0.381kg/s冷却水的温度可以取为T co=(20+602+273)K=313K5.1.5确定冷却通道参数推力室壁面及肋条材料为1Cr18Ni9Ti，导热系数λW=23.26W∕(m⋅K)，壁厚δ=1mm，冷却通道高度h=3mm，肋条厚b=1.5mm，冷却通道宽a=2mm，则当量直径d e=2aℎa+b=2.4mm，冷却通道数n=57。
5.1.6计算壁面和外壁面温度冷却通道面积A=naℎ=3.42×10−4m2冷却剂流速V t=q coA⋅ρco=1.114m/s冷却剂雷诺数e=ρco V t d eμco =1000×1.25×2.4×10−30.658×10=4063冷却剂普朗特数Pr=C pcoμcoλco=4.31冷却剂努塞尔数Nu f=0.023R e0.8Pr0.4=31.8冷却剂和外壁面的对流换热系数ℎf=Nu fλcod e=8321W∕m2液体壁面温度T Wf=qηpℎf+T f=480K气体壁面温度 T wg =qδλw +T w f =488K 由计算结果可知，推力室圆筒段气体壁面T wg =484K 小于假定的温度500K,相差2.4%小于5%，符合冷却要求。