液体火箭发动机设计复习题答案.docx

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液体火箭发动机设计复习题答案

Companynumber：

【WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998】

液体火箭发动机设计复习题答案

第二章

1、总体对发动机设计提出的技术要求包括哪些方面；

飞行器总体对发动机设计提出的技术要求主要在发动机用途、工作性能、质量和结构尺寸、环境条件及经济性等方面，同时在设计任务书中给出对这些参数的具体要求，它们是发动机设计的主要依据。

2、液体火箭发动机系统设计主要有哪四个阶段；

发动机系统设计主要有：

系统方案论证、系统方案设计、系统试验和系统定型四个阶段

3、液体火箭发动机主要参数的选择有哪些；

根据导弹或火箭总体设计部门提出的基本要求，可以设计选择发动机一系列可变参数，如推进剂的选择、混合比的选择、燃烧室压力的选择、喷管扩张比的选择、推进剂质量的选择、系统参数平衡等。

4、挤压系统分类、贮箱增压压力的确定；

分类：

贮气系统、液体汽化系统、化学反应系统

确定：

挤压式系统贮箱增压压力的提高会引起整个供应系统的质量大大增加（主要是贮箱

结构质量），所以挤压式系统的燃烧室压力都不取得很高。

一般在比冲和质量的折中考虑下，选取一个合理的较低燃烧室压力，保证贮箱压力较低，同时设计时应力求减少供应系统的流阻损失。

（《第2章液发系统设计》pptP86）

5、泵压式系统贮箱增压压力的确定；（《第2章液发系统设计》pptP114）

（1）保证泵不发生汽蚀

（2）保证贮箱不破坏（3）对增压气瓶的影响

确定方法：

计算得到按系统质量最轻条件的增压压力为P1，满足泵汽蚀条件的增压压力为P2。

（1）P1≈P2；

（2）P1＞＞P2；（3）P1＜＜P2。

综上所述，增压压力的选择应根据以上几个部件的总质量为最轻来确定，然后检验动力系统的工作是否满足来作适当的调整。

6、发动机混合比和推力矢量控制方案；

推力矢量控制：

方法的选择取决于所需力矩的大小，也和发动机系统和结构方案有关。

（《第2章液发系统设计》pptP133）

（1）单推力室发动机：

燃气舵、辅助射流、二次喷射控制、摆动推力室或喷管

（2）多推力室发动机：

两室、三室、四室

发动机混合比：

混合比开环控制（混合比控制的最简单形式是在推进剂主管

路中设置适当尺寸的校准孔板。

）、混合比闭环控制（《第2章液发系统设计》pptP145）

7、挤压式系统管路特性和组元混合比的调整计算；

挤压系统的管路特性：

就是推进剂管路系统的压力损失和系统中推进剂组元流量之间的函数关系。

组元混合比的调整计算：

可采用下面两种方法：

液路装节流圈、增压气路安装节流元件（《第2章液发系统设计》pptP153）

8、液体火箭发动机控制系统设计的基本步骤；

第三章

1、推力室的组成

主要由推力室头部、燃烧室和喷管组成，喷管由收敛段（亚声速喷管段）和扩张段（超声速喷管段）组成。

推力室还包括其它一些部件，例如，对于非自燃推进剂的点火装置、推力室固定部件、推力传递装置、推进剂入口分配部件（燃气导管、冷却剂入口集液器等）。

2、推力室的主要设计内容

1.根据要求的海平面或真空推力和比冲，推进剂混合比，以及推力室的最大外廓尺寸和质量限制等，选择燃烧室压力和喷管出口压力参数。

2.根据热力气动计算结果，给出推力室的地面或真空理论比冲、理论质量流量、临界截面积、喷管面积比等。

3.根据定型推力室的性能数据，选择燃烧室效率和喷管效率，确定推力室的实际地面或真空比冲，实际流量和临界截面积等。

4.根据选择的燃烧室特征长度，质量流量密度和收缩比，确定燃烧室直径和长度，根据面积比，设计喷管型面。

5.喷注器、燃烧室和喷管的具体结构设计，其中包括再生冷却剂的选择，材料的选用，加工方法和检验方法的确定。

6.根据推力室的初步结构方案，进行有关的传热、流阻损失和强度等各项计算。

7.绘制推力室图纸、编写生产、试验技术文件，设计和计算说明书，根据发动机的研制

3、燃烧室的设计要求

1.合理选择燃烧室尺寸和形状，在最小的容积下得到最高的燃烧效率。

2.减小燃气的总压损失。

3.合理地组织内、外冷却，防止内壁烧蚀。

4.结构简单，质量轻，工作可靠。

4、影响完全燃烧程度的主要因素

1.燃料雾化和混合气形成的质量。

取决于喷嘴的形式，喷嘴在推力室头部的位置及推力室头部的形状、燃烧室的形状，燃料雾化和混气形成的质量愈差，则

其化学反应进行得完全所需的时间也愈长。

2.推进剂停留时间。

（燃烧室初步设计需要选择的参数）

5、经常采用的燃烧室几何形状

现有的液体火箭发动机燃烧室的形状基本为三种形式：

球形、接近球形（椭球形或梨形）和圆柱形（圆筒形）。

6、燃烧室的轮廓设计（该答案仅供参考）

燃烧室型面的设计就是选择燃烧室形状和尺寸，并在尽可能小的燃烧室容积内保证较高的燃烧效率（燃烧完全程度）。

7、喷管类型

锥形喷管、特型喷管、环形喷管

8、几种特型喷管型面的简单造型方法

采用特性线法计算最大推力喷管，或者通过对最大冲量喷管进行截短的方法设计喷管，计算过程都十分繁琐，实际采用的多为简化方法。

喷管扩张段型面的设计方法有锥形喷管造型、抛物线法造型、双圆弧法、最大推力喷管造型法等。

对性能要求不高时，可采用简单的锥形喷管，扩张比相对较小的大推力发动机喷管可采用双圆弧法来设计型面，对于喷管扩张比大的上面级发动机和小推力发动机，通常采用最大推力喷管造型法。

9、推力室头部的设计要求

（1）保证推进剂组元良好的雾化质量

（2）保证燃烧室横截面上的流量密度分布符合设计要求，

（3）保证燃烧室横截面上的余氧系数分布符合设计要求。

（4）保证燃烧室壁内表面附近形成温度较低的边界层。

（5）混气形成区长度尽可能短。

（6）防止燃料组元或氧化剂组元喷射到室壁上。

（7）所选择喷嘴压降，既要保证燃烧稳定和安全，又要保证有利的输送系统重量。

（8）头部构造简单，重量轻，工艺性良好，生产成本低。

1.喷嘴类型

答：

1）按照被喷射物质来分：

可分为气体喷嘴、液体喷嘴和气体—液体喷嘴（气液喷嘴）；

2）按照喷嘴的构造来分：

可分为直流式喷嘴、离心式喷嘴和直流—离心式喷嘴；

3）按照进入一个喷嘴的组元数目来分：

可分为单组元喷嘴、双组元和三组元喷嘴

2.雾化特性

答：

雾化过程的特性是指雾化的细度和雾化的均匀度，对于单个喷嘴来说还有喷雾锥的形状和喷射距离。

雾化的细度由射流裂碎后所形成液滴的尺寸来表征。

雾化的均匀度用液滴直径变化的范围来确定。

3.影响喷嘴流量系数的因素

答：

①孔长径比（l/d）的影响②喷嘴压降的影响③横向速度的影响④喷嘴反压的影响⑤进口倒角2α和进口倒角深度e的影响⑥倾斜角β的影响⑦表面加工质量的影响

4.互击式直流喷嘴计算

答：

5.离心式喷嘴的几何特性（喷雾锥角等的变化）

答：

6.双组元离心式喷嘴的特点

答：

1）每个双组元离心式喷嘴，可按所需的组元混合比进行计算，因而较易于达到按要求的组分比分布均匀混合，从而可以提高燃烧室的冲量效率；

2）缩短了组元混气形成的时间，因而可以提高燃烧的完善程度，或者可以减小燃烧室容积尺寸。

3）在通过流量一定的条件下，双组元离心式喷嘴比单组元离心式喷嘴所占的面积小。

4）双组元喷嘴间距较大，燃气回流较强，因此头部易被烧蚀。

设计这种头部时，要注意头部热防护问题。

7.直流式、离心式两类喷嘴各自的特点

答：

直流式特点：

①直流式流量系数大，尺寸小。

②直流式雾化质量不好，液滴不细。

③直流式射流在离开喷管较远的地方才开始雾化。

④直流式喷射锥角也较小。

离心式特点：

①喷嘴单独加工，结构复杂。

②保持喷嘴压降恒定时，可通过改变喷嘴内部结构尺寸调整喷嘴流量系数和喷雾锥角。

③喷雾锥大，加速雾化、蒸发过程，有利于和相邻的喷雾锥混合。

④喷嘴体积大，流量系数小。

8.喷嘴排列的要求和问题

答：

要求：

1、性能要求；2、稳定性要求；3、可靠性要求；4、要有足够的强度和刚度；5、流阻损失要小；6、结构应尽可能简单，工艺性能要好。

问题：

1）关于稳定性和性能之间的矛盾；2）关于可靠性和性能之间的矛盾；3）强度和刚度要求与性能之间的矛盾；4）流阻损失小与性能之间的矛盾；5）结构简单与性能之间的矛盾；

9.离心式喷嘴混合单元

答：

蜂窝式排列：

喷嘴按蜂窝式排列时，每个燃料喷嘴周围有六个氧化剂喷嘴，每个混合单元形成蜂窝形状。

在这混合单元中，有燃料喷嘴nf=1和氧化剂喷嘴no=2，喷嘴总数n=no+nf=3

棋盘式排列：

A=1cm2nf=no=n=1n/A=1no/nf=1

方窝式排列：

A=4cm2nf=1no=3n=4n/A=1no/nf=3HNO3为氧化剂时，Km=2~密集度不如蜂窝式。

10.单组元离心式喷嘴的计算

答：

计算时已知的或选定的原始数据：

1.喷嘴的流量：

目前在液体火箭发动机中应用的离心式喷嘴的流量大约为30～300g/s；2.雾化角：

一般雾化角a=30～120°，常用90-120°；

3.喷嘴压降：

一般取喷嘴压降Δp＝～。

对于自燃推进剂，最小允许的喷嘴压降为～，对于非自燃推进剂，最小压降可为～。

4.推进剂的物理性质：

如比重，粘度等。

5.离心式喷嘴的类型：

涡流器离心式或切向孔喷嘴。

11.推力室身部热防护方法

12.热防护方法的优缺点

答

13.对流外冷却传热过程

答：

1）燃气向内壁的传热（对流+辐射）2）热流经过内壁的热传导3）内壁向冷却剂的对流传热。

14.冷却表面肋条的散热效应

答：

肋条可增大向冷却剂的散热量，这种现象可用肋条效应系数η来评估：

α1=α0η；α0—无肋条表面向冷却剂散热的散热系数；α1—有肋条表面的有效散热系数。

15.再生冷却：

可靠冷却的条件

16.再生冷却：

合理性条件

答：

1.冷却套内的压力损失应尽可能最小，以降低推进剂供应系统的功率和质量

2.冷却套应有良好的工艺性

17.再生冷却的制约条件

答：

①最大燃烧室压力；②最小燃烧室压力；③推力的制约；④冷却套内压力损失的制约⑤工艺的制约

18.一些参数对换热过程的影响

答：

1、气体壁面传热系数2、内壁厚度和导热系数/3、近壁层燃气温度/4、冷却剂温度/5、液体壁面传热系数

19.保证可靠再生冷却的方法

答：

1.减小气体壁面传热系数；2.隔热涂层；3.内冷却；4.采用导热性能好的材料和减小内壁厚度；5.降低冷却剂温度；6.增加液体壁面传热系数。

20.冷却通道结构

答：

①由内、外壁间隙形成的光滑缝隙式冷却通道；②压坑点焊式；③波纹板结构；④铣槽式结构；⑤管束式结构

21.内冷却环带的结构

答：

1、从身部冷却通道中取出液体的内冷却带；2、单独供入液体的内冷却带；

22.提高内冷却带冷却效果的方法

答：

保证冷却剂流量特性稳定，流量要精确确定；使推力室的性能与冷却环带的流量之间达到最佳；保证冷却环带的液膜连续、贴壁性好、均匀性好；设置冷却环带位置最佳等。

23.点火装置

答：

1）自燃液体点火器；2）固体火药点火器；3）火炬式点火器；4）气动力谐振点火器。

24.燃气发生器工作过程的特点

答：

1、燃气温度；2、组元混合比；（节P12）

25.闭式发动机和开式发动机燃气发生器的区别

答：

1、补燃循环发动机燃气发生器的特点是室压高、流量大。

一般是一种组元的全部或大部分的流量进入燃气发生器。

补燃循环发动机燃气发生器的燃烧产物对涡轮做功，然后涡轮工质进入燃烧室中进行补燃，燃烧室压力、喷嘴压降和涡轮压比决定了燃气发生器室压的高低，燃气发生器室压要明显高于燃烧室压力。

/2、在燃气发生器循环发动机系统中，涡轮排气不进入燃烧室补燃，涡轮泵装置功率相对较低，燃气发生器室压一般低于推力室压力，流量也很小，一般只为发动机总流量的2％~3％。

26.小推力发动机的冷却方法

答：

可采用再生冷却、烧蚀冷却、内冷却、幅射冷却及复合冷却等冷却方法。

第五章

5-1涡轮泵的配置有哪些方案应用最广的方案是哪一种

根据转子数目不同分为单转子方案和多转子方案，单转子方案又分为涡轮居中和涡轮偏置两种方案。

单转子方案应用最广，结构简单，可靠性高。

5-2离心叶轮的结构按进液方式分为几种按自身的构造又分为几种各种结构有什么特点叶轮与轴有哪些联接方式

按照进液方式，离心叶轮可以分为单面进液和双面进液两种，单面进液应用最广，双面进液多用于大流量的涡轮泵，以改善气蚀性能。

按照自身结构分为闭式、半开式和开式三种。

闭式叶轮有全闭的流道，质量大，强度不高，壁面光洁度和精确度也不高，水力效率较低，一般用于大直径、低转速的涡轮泵中。

半开式叶轮流道三面封闭，无前盖板，叶片与后盖板一体，结构较简单，可进行机械加工，流道光洁度和精确度高，强度高，但是容积损失较大。

开式叶轮流道由叶片组成，没有前后盖板，结构简单，易于加工，但容积损失大，容积效率低，需要高强度钢制造以保证强度。

叶轮与轴之间的连接方式有矩形花键、渐开线花键和平键，小功率中可以使用螺纹连接。

5-3泵壳体包括入口装置和出口装置，泵的入口装置有哪几种型式泵的出口装置有哪几种型式

入口装置（P244）有轴向式、环形式、径向式（弯曲式）以及螺旋（或半螺旋）式。

出口装置（P245）包括无叶片环形扩压器、环列叶片环形扩压器、蜗壳形集液器和锥形扩压器。

5-4涡轮工作叶片与轮盘有哪几种联接方式涡轮盘与轴有哪些联接方式试以简图表示并指出其优缺点。

工作叶片与轮盘的连接方式有整体式、焊接（最简单，加工量少、尺寸小、质量小、导热好）和插入式（连接部分尺寸大，质量大）连接。

涡轮盘和轴的连接采用销钉、螺栓、法兰盘、花键和焊接等形式。

（图片见P263）

5-5什么是转子的平衡与不平衡如何对涡轮泵转子进行平衡

在高速旋转的涡轮泵转子系统中，当没有大小和方向改变的离心力或由此产生的力矩外传时，这一系统称为平衡，反之称为不平衡。

不平衡分为静不平衡、力偶不平衡和动不平衡。

平衡有静平衡（质心同侧去除质量或者异侧加上质量，适用于径向尺寸大、轴短的情况）和动平衡（把转子放在动平衡机上旋转，在指定位置配重消除不平衡力矩）两种。

5-6涡轮泵动密封有哪几种型式各种密封的结构特点与密封原理是什么

动密封分为接触式密封、非接触式密封和组合密封三种。

接触式密封中，预压力和被密封的介质的压力共同作用在密封零件表面上，使其相互紧贴在一起，存在相互运动，有接触摩擦。

密封效果最好，但是磨损和耗能大。

分为唇式密封、端面密封、弹性开口环密封和分瓣式弹性环密封。

非接触式密封是有间隙的，截止参与建立密封效应。

其中间隙密封通过小的间隙及密封面与流体之间的摩擦来达到密封，流体动力密封则通过两侧液体的压力平衡来实现密封（详见P286~287）

组合密封则是依次安装不同的密封件，在运转中实现组元的泄漏量依次降低、密封性能则依次升高。

（详见P288）

5-7请介绍“液封轮”的结构特点和密封原理。

密封轮一侧是平的，另一侧有宽度为b的径向槽或者宽度为δ的径向叶片。

平滑面朝向高压腔一侧。

液体沿着转子的轴流向低压侧，并充填液封轮腔。

当液封轮高速转动时，液体在叶片作用下也将转动，在液体内部每一个微元体上都作用有离心力和向心压力，二者达到平衡的时候，液体便停止向心流动，达到密封效果。

是一种流体动力密封。

（详见P287）

5-8试推导带冠和不带冠涡轮工作叶片某一截面上所受的离心拉伸应力公式。

详见P292~294

5-9等温实心等厚涡轮盘、等温空心等厚涡轮盘的离心应力是如何分布的实心和空心涡轮盘的热应力又是如何分布的

等温实心等厚盘应力分布见P308图，等温空心等厚盘应力分布见P309图。

热应力分布见P312图和图。

5-10何谓涡轮泵转子的临界转速试以单盘无质量轴的转子为例导出挠度公式，并加以讨论。

指出何谓“刚轴”何谓“柔轴”

对应于共振工况的转子转速成为临界转速。

挠度公式的导出和讨论见P272~274，对角速度、转速和质量偏心距的讨论。

转子的设计转速小于其转子的临界转速，此时转子称为刚性转子，轴称为刚轴。

设计转速大于转子临界转速时称为柔性转子和柔轴。

第六章

蝶形阀门、球形阀门功能、结构和工作过程；

（1）蝶形阀门能够传递旋转运动以达到开启与关闭，可以使用一次或多次，平时常开或常闭。

流阻低，结构紧凑，质量小，使用方便，对管路冲击小，大推力最常用。

由阀门本体、电爆组件和开启组件组成。

工作过程详见P326~327

（2）球形阀门是球体由阀杆带动，并绕阀杆轴线做旋转运动的阀门，可以实现介质的合流、分流以及流向的切换，甚至关闭任一通道使另外两个通道相连。

减压器工作过程和高低压卸荷原理，推导列出力平衡方程，给出其静态特性；

减压器工作过程见P339

高低压卸荷是将低压气体通过通路与阀芯上的泄压环作用，产生压力，引入反馈，使得入口压力的变化对出口压力的影响减小，提高了减压器的调节精度。

力平衡方程推导见P342~344

静态特性：

力平衡：

CΣ是弹性元件的刚度之和（P344）。

阀芯开度：

（P345）。

温度关系：

以及

（P345）。

简述压调器和稳定器的功用。

压力调节器主要是通过调节进入推力室的推进剂流量，并保持所需的组元混合比来实现压力调整。

通过调节燃气发生器流量，使涡轮功率和涡轮泵转速发生变化，导致泵后压力和推力室推进剂流量变化而调节燃烧室压力。

可以保持燃烧室压力稳定和实现末级工况的转换。

混合比调节器（稳定器）安装在燃气发生器的燃料供应管路上，根据调压器出口氧化剂压力大小，自动改变燃气发生器燃料供应管路流阻，调节禁图燃气发生器的燃料压力和流量的大小，以保证稳定器出口压力总是等于调压器出口压力（或是稳定的相关关系），从而保证燃气发生器混合比恒定。