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：确定圆柱形燃烧室长度，喉部直径，喷管收敛段、扩张段长度，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：学生：指导教师：班级：教研室主任：目录一、设计任务分析 (1)二、热力计算 (1)三、推力室型面设计 (2)1.燃烧室的初步设计 (2)1)喷管收敛段的初步设计 (3)2)喷管扩张段 (4)2.喷嘴设计 (5)1)气氧直流喷嘴 (6)2)酒精离心式喷嘴设计 (6)3.推力室身部设计 (8)1)热防护校核计算方法如下： (8)2)由CEA热力计算可得喉部燃气的输运特性如下： (9)四、推力室强度校核计算 (11)1.圆筒段应力校核 (11)2.喉部应力校核 (12)3. 螺栓强度校核 (12)五、课程总结 (12)六、参考文献 (13)一、 设计任务分析任务设计气氧—酒精液体火箭发动机为地面试验系统用小推力火箭发动机，仅用于地面试车，由此该发动机设计时具有如下特点：1. 发动机的推力小，燃烧室压强及推进剂的流量都不大，设计结构应尽量简单可靠，便于加工。
2. 发动机仅用于地面试验，对其结构质量要求不高，必要时可增加结构质量来满足其性能要求。
3. 该发动机为试验用发动机，因此设计时考虑测量装置的布置和精确度的要求。
4. 该发动机的制造属单件生产，设计的结构应当易于加工，且尽量采用标准件和已有零件。
5. 在满足其他需求的基础上，选用适当的结构材料以降低成本。
二、 热力计算标况下，()32=1.0/H O kg m ρ，()326=785.47/C H O kg m ρ，可计算出75%酒精的假定化学式为30.524124.6831.814C H O ；标准生成焓为-8960.25/kJ kg ，热力计算结果如下：K)比热比（冻结）/(m s)导热系数特征速度2O1.1295 0.0166三、推力室型面设计1.燃烧室的初步设计酒精与氧气反应的化学当量混合比γ0=3×321×46.07/0.75=1.465实际混合比：γmc=0.8×γ0=1.172根据经验，取燃烧室效率为ηc=0.98，喷管效率为ηn=0.98。
热力计算结果如下：燃烧室温度：T f=3015.69K理论比冲：I s=2308.95m/s特征速度： c∗=1641.65m/s喷管扩张比：εe=A e A t⁄=3.95。
推力室的总的质量流量：q mc=FI⋅ηcηn=0.2254kg/s氧化剂的质量流量：q moc=γmc1+γmcq mc=0.1217kg/s酒精的质量流量：q mof=0.1037kg/s喉部的面积为：A t=c∗q mcp c=185mm2喉部直径D t=√4A tπ=15.3mm根据经验，液氧酒精燃烧室特征长度范围为 1.4~3.0，气氧比液氧混合效果更好，且采用直流--离心喷嘴，兼顾燃烧室燃烧充分性，所以初取燃烧室特征长度L=2.1m，则容积V c=L×A t=3.9×10−4m3。
1)喷管收敛段的初步设计根据经验收缩比取燃烧室收缩比可选择10~20，由于是小推力的地面发动机，我们可以选择εc=17。
根据公式：烧室横截面积为A c=εc×A t=3.145×10−3m2故燃烧室截面直径：D c=√εc⋅D t=63mm流量密度：q mdc=q mcA c=71.67kg/(m2⋅s)收敛段型面：R 1=1.5R t =11.5m 。
选择R 2，取ρ=2.5，R 2=ρR c =2.5R c =78.8mm εc =17，ρ=2.5，k =1.5 收敛段长度：L c2=R t √(k +ρ√εc )2−[(ρ−1)√εc +k +1]2=61mm以R 1、R 2所作圆弧切点位置为： h =kL k +ρ√εc=91.811.8=7.8mm H =L c2−h =53.4mmy =kR t +R t −√k 2R t 2−h 2=10.7mm软件建模求得:V c2=9.6×10−5m 3。
燃烧室圆筒段长度：L c1=V c −V c2A c=93mm2) 喷管扩张段由于是地面小推力的发动机，根据经验，可以选取扩张比为εe =4可以求得：出口截面直径：D e =√εe ×D t =2×15.3=30.6mm根据给定的喉部直径和出口截面直径以及喷管出口角取2βe =15° 查《液体火箭发动机设计》表3.3得扩张段相对长度I n =1.8999。
求最大圆弧相对半径R 0̅̅̅̅。
由sin 2βm +cos 2βm =1，则得(x 0R 0+D t )2+(y 0+1.5D t R 0+D t)2=1 将x 0=L n +R 0sin βe 和y 0=R 0cos βe −0.5D e 代入上式得R0̅̅̅̅=I n2+(1.5−D e2D t)2−12[1−I n sinβe−(1.5−D e2D t)cosβe]=5.5则有：R0=R0̅̅̅̅⋅D t=84.2mmL n=I n⋅D t=28.98mm=29mmx0=L n+R0sinβe=39.8558mm=40mmy0=R0cosβe−0.5D e=68mmsinβm=L n+R0sinβeR0+D t=0.402可得：βm=23.7°燃烧室设计尺寸如下图：2.喷嘴设计由于氧化剂为气体，故氧化剂喷嘴适合采用直流式喷嘴，兼顾喷嘴雾化混合效果，酒精喷嘴采用离心式喷嘴，每个直流式气氧喷嘴与其周围均匀分布的三个离心式酒精喷嘴构成一个雾化单元，此设计可保证气氧与酒精混合良好，同时将酒精喷嘴布置于外围可以有效的保护燃烧室内壁。
1)气氧直流喷嘴喷嘴的压降对于喷嘴雾化特性和燃烧室内的燃烧过程有重要影响，考虑到是气氧，并且压降过高容易损失性能，并且引起高频不稳定燃烧。
所以取气氧压降Δp o=0.1MPa喷嘴入口处压强为：p in=Δp o+p c=2.1MPa喷嘴入口处气氧密度：ρin=p inRT=27.9kg/m3根据经验数据确定流量系数，取喷嘴的长径比l/d=3，μ=0.8，则根据（3.15）有：A no=qμo√2kk−1p in∗ρin[(p cp in)2k−(p cp in)k+1k]=4.74×10−5m2确定喷嘴数量n：A no=n0πd o24，d0=√4A no/(n0π)，n o=3，则得d0=4.5mm。
2)酒精离心式喷嘴设计75%酒精密度：ρf=842.1kg/m3查阅文献知酒精压降增加会使燃烧区向外扩张，通常推荐喷嘴的压降取燃烧室的压力的15%~25%，所以为了防止喷嘴被烧蚀，取Δp f=0.15×p c=0.3MPa选喷射锥角：2αf=90°，∆p f=0.3MPa，根据图3.40得到喷嘴几何特性：A f=2.7，流量系数u f=0.23。
酒精喷嘴的质量流量：q mfℎ=A nf u f√2ρfΔp f=11mm2计算得到喷孔面积：A nf=mfhu f√2ρfΔp fn f=6，则喷孔直径d nf=1.5mm，γnf=0.76mm。
喷嘴为敞口型的，旋流式内径等于孔径，取R f=γnf=0.76，取切向入口数n=3，=0.32mm切向孔半径为：γo=√R fγnfnA f旋流室内径：d kf=2(R f+γo)=2.16mm喷嘴外径d ecf=d df+3r0=3.12mm喷嘴排布如下图：3.推力室身部设计由于是地面发动机，冷却水由外部供应，故，所以此处可以采用无焊缝隙式冷却.冷却通道高h=2mm，内壁材料铜合金，内壁厚δ=1mm，查资料得铜导热系数λ=147W/(m·K)。
冷却剂采用10水，水比热容c p= 4200J/kg∙K，取质量流量为5kg/S，μ=0.0008，λ=0.6，P r=5。
1)热防护校核计算方法如下：推力室身部采用铣槽式式冷却通道，并由外部供应20℃冷却水进行冷却，推力室身部内壁材料采用导热性能号的铜合金，内壁厚δ=1mm。
对于铣槽结构，由于肋条厚度b=1~1.5mm，肋条间距t=2~6.5mm，最小冷却通道高度ℎmin=2mm，故取肋条厚度b=1mm，肋条间距t=2.28mm，冷却通道高度ℎ=2mm，取铜导热系数λ=147W/(m∙K)，水比热容c p= 4200J/kg∙K，冷却水质量流量6kg/s，查饱和水的热物理性质表取冷却水的粘性系数μ=1.004×10−3Pa∙s，导热系数λf=0.599W/(m∙K)，普朗常数Pr=7.02。
则有喉部设计参数可得喉部周长：c t=πD t=π×15.3=48.1mm冷却通道数：n=c tt+b=48.13.28=15单个通道流通面积面积：A=t∙ℎ=2.28×2=4.56m2湿周长：χ=2ℎ+t=2×2+2.28=6.28mm 水力半径：R=Aχ=2×4.566.28=1.45mm雷诺数：Re=4ρV t Rμ=4×1.45×V t1.004×10−3=5777V t努赛尔数：Nu=0.023Re0.8Pr0.4=165V t0.8 2)由CEA热力计算可得喉部燃气的输运特性如下：燃气温度：T st=3104.377K 燃气比热比：γ=1.123黏性系数：μ=9×10−5Pa∙s 比热容：C p=6.438kJ/(kg∙K)燃气速度：v=1119.16m/s 则普朗特常数：Pr =4γ9γ−5=4×1.1239×1.123−5=0.88 取近壁面温度：T wg1=1100K则σ=[T wg 2T st (1+γ−12Ma 2)+12]−0.68(1+γ−12Ma 2)−0.12=1.28 利用半经验巴兹公式可得：ℎg =[0.026d t 0.2(μ0.2c p Pr 0.6)ns(p c c ∗)0.8(d t R )0.1](A t A )0.9σ=24000W/(m 2∙K) 则对流热流密度：q t1=ℎg1(T st −T wg1)=24000×(3104.377−1100)=48.1×106W/m 2 根据经验值去辐射热流密度：q t2=q t110=4.81×106W/m 2 总热流密度为：q t =q t1+q t2=52.91×106W/m 2喉部内壁外侧温度为：T wt =T wgt −q t δλ=385K 符合冷却水冷却条件。