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液体火箭发动机再生冷却结构弹塑性分析

徐绍桐 王长辉 杨成骁

徐绍桐,王长辉,杨成骁.液体火箭发动机再生冷却结构弹塑性分析[J].航空动力学报,2022,37(8):1664‑1673. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210328
引用本文: 徐绍桐,王长辉,杨成骁.液体火箭发动机再生冷却结构弹塑性分析[J].航空动力学报,2022,37(8):1664‑1673. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210328
XU Shaotong,WANG Changhui,YANG Chengxiao.Elastoplastic analysis of regenerative cooling structure of liquid rocket engine[J].Journal of Aerospace Power,2022,37(8):1664‑1673. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210328
Citation: XU Shaotong,WANG Changhui,YANG Chengxiao.Elastoplastic analysis of regenerative cooling structure of liquid rocket engine[J].Journal of Aerospace Power,2022,37(8):1664‑1673. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210328

液体火箭发动机再生冷却结构弹塑性分析

doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210328
详细信息
    作者简介:

    徐绍桐(1997-),男,硕士生,研究领域为液体火箭发动机热防护技术研究和结构设计。E⁃mail:17625166424@163.com

  • 中图分类号: V434+.1

Elastoplastic analysis of regenerative cooling structure of liquid rocket engine

  • 摘要:

    为了分析推力室壁应力和变形分布情况,研究推力室失效位置和失效机理,建立了一种弹塑性有限元分析方法。建立推力室一维流动传热模型,为结构弹塑性分析提供输入。进一步建立推力室壁在温度和压强载荷下的二维弹塑性计算模型,分析了在预冷⁃工作⁃后冷⁃关机的工作循环下推力室壁的应力应变响应,比较了温度载荷和压强载荷的作用程度,并预估了推力室使用寿命。结果表明:推力室壁产生的弹塑性变形是由温度载荷和压强载荷共同作用所致,温度载荷起主导作用。推力室内壁冷却通道中心位置最先发生失效破坏,限制了推力室的使用寿命。从计算时间和准确性来说,该方法能够为再生冷却通道的优化设计和性能估算提供参考。

     

  • 图 1  SSME⁃MCC再生冷却通道几何参数

    Figure 1.  Geometrical parameters of regenerative cooling channel of SSME⁃MCC

    图 2  推力室一维流动传热模型

    Figure 2.  One⁃dimensional thermofluid model of thrust chamber

    图 3  推力室壁结构分析模型

    Figure 3.  Structure analysis model of thrust chamber wall

    图 4  NARloy⁃Z不同温度下应力应变曲线

    Figure 4.  Stress⁃strain curves of NARloy⁃Z under different temperatures

    表  1  材料蠕变参数[6]

    Table  1.   Creep parameters[6]

    C1/10-18 ((Pa)-C2s-1)C2C3/K
    1.327 843.611 2231 314.9
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    表  2  温度场分析边界条件

    Table  2.   Boundary condition of thermal loading

    热边界条件预冷/后冷工作
    hf,cool/(W/(m2K))102 000181 029
    Tcool/K28129
    hg,hot/(W/(m2K))10061 236
    Thot/K295.152 796
    hg,out/(W/(m2K))100100
    Tout/K295.15295.15
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    表  3  压力边界条件

    Table  3.   Boundary condition of pressure loading

    压力边界条件预冷/后冷工作
    pcool/MPa5.143.6
    phot/MPa0.112.9
    pout/MPa0.10.1
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    表  4  喉部截面主要参数和通道压强损失计算结果

    Table  4.   Results of main parameters of throat section and channel pressure loss

    参数流动传热模型文献[17]误差/%
    Twg,t/K8788335.13
    pco,t/MPa43.343.10.46
    p/MPa9.18.83.30
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    表  5  内壁各点损失评估

    Table  5.   Damage assessment at points of inner wall

    位置uc/10-3ur/10-3ucr/10-3ut/10-3Nt
    C58.3019.2077.501 290
    D15.39.0340.609.59104
    E3.104.237.33136
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  • 收稿日期:  2021-06-27

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