环形气动塞式喷管塞锥型面设计+实例计算
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LS 2019-12-14纯技术
关键词
塞式喷管设计实例Angelino法塞锥型面


1.前言

环形气动塞式喷管(下称“塞式喷管”)是目前新兴的一种喷管形式,共分为环喉形和环簇形两种。

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目前,国内的部分爱好者也自行制造了此类型塞式喷管并试车(环缝形,详情请见@ERIC20041219的帖子)。但是并没有使用较高效率的曲线型面喷管类型,而是采用直线。曲线型面可以使气流更平滑贴于喷管壁面,从而有效提高喷管的效率,在同等条件下增大一部分推力。本文将介绍使用Angelino法(我叫做膨胀波法,下文称“方法”)设计塞式喷管型面的方法。

在环喉形和环簇形塞式喷管的设计中,塞锥型面设计是通用的。


2.符号说明:

如图所示

ω:气流偏转角

α:马赫角

θ:马赫线(膨胀波)与轴线方向形成的角,即为∠B'AC'。

L:膨胀波长度,即为A'B长度。

Ma:马赫数

P:压力

ψ:最大马赫的马赫线与垂直于轴线方向的夹角

R:型面上一点到轴线的距离

A:面积

γ:比热比,一般取1.25即可。

(注:后面角标c表示燃烧室内,角标3表示喷管出口或者最大马赫数的马赫线。)

1575815126037..jpg


3.计算公式

请自行看图(字丑勿喷)

IMG_20191208_223304.jpg

IMG_20191208_223331.jpg

IMG_20191208_223402.jpg

IMG_20191208_223430.jpg

IMG_20191208_223457.jpg

IMG_20191208_223520.jpg

IMG_20191208_223814.jpg

IMG_20191208_223833.jpg

注意:只要计算最大马赫数即可,中间段只需按照一定的间隔自行分成几段进行计算。


4.计算方法与系统计算

因计算数据过多,可以使用Excel表格进行大量数据的计算,只要把公式格式变化即可。如果没有电脑,也可分部分计算,最后组合在一起输出结果。

附:Excel模板

muban.xls
23.0k
XLS
136次下载


muban.xls
23.0k
XLS
136次下载

5.实例计算

以室压4.2MPa,设计推力100N的8单元环簇形塞式喷管为例,特征速度等数据采用748#燃料数据。

计算得喉部面积为20.358mm²。

计算得喷管出口马赫数为3.18,扩张比为7.32,出口面积为150mm²,出口直径约14mm。

使用Microsoft Excel软件进行快速计算(模板见上一部分),结果如下:

image.png


6.建模

根据得出的角度以及膨胀波长度进行环形塞式喷管(这里为8单元环簇形)建模,效果图如下:

preview.JPG

读者可能会发现,这里的喷管型面采用的是一大段直线和一小段曲线。这里说明一下,因实际上塞式喷管的型面有时设计的很长,消极质量过大。所以在这里用特定角度锥面对原始塞锥型面进行了一定的截短处理。

3D文件如下,请自行下载打开。

25 ring plug nozzle.STEP
676k
STEP
25次下载

自此,完成喷管的型面设计。


附:模板使用说明以及模型使用说明

一竖列对应一行数据。在第一行输入1马赫数最下方输入最大马赫数(计算得来),回车进行计算。

另外,计算时的最后一行数据公式需要修改一下(在原本模板上采用的L的计算公式是L2*7,把7改成喷管出口半径即可)。

因笔者正备战期末考试,时间不够充裕,准备不很充分。如果平时有时间,我会在下面发布新的模板或型面计算软件(软件制作中)。

模型为标准STEP文件,大家可以自行编辑加建。

模型适配壳体内径为20mm,外径为24mm,可以装填任意长度的燃料药柱(建议AP系,KN系燃料请合理实验)。

模型中的螺纹绘制不标准,请大家注意。

对于使用中出现的任何问题,请各位kcer在下面回复。


[修改于 22 天前 - 2020-01-06 21:53:07]

+0.5  科创币    ERIC20041219   2019-12-14   重大贡献 加油-cjy
来自:航天航空 / 喷气推进
 
5
 
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2019-12-15 12:03:32
LS(作者)

计算软件已发布,见帖子https://www.kechuang.org/t/84897

2019-12-14 11:45:04
LS(作者)

补充:内喷管的设计

内喷管设计和一般的拉瓦尔喷管设计方法相同,只是尺寸减小而已。

在本文所介绍的塞式喷管的内喷管中,喉部面积为2.54475mm^2。

定出口气压为0.5MPa,计算得内喷管出口马赫数为2.27,扩张比为2.42。

从而得出出口直径约2.8mm。

采用15度半角圆锥喷管,计算得喷管长度为2.03mm。

绘图如上。

[修改于 1 个月前 - 2019-12-14 21:44:14]

2019-12-14 11:45:04
LS(作者)
1楼

补充:内喷管的设计

内喷管设计和一般的拉瓦尔喷管设计方法相同,只是尺寸减小而已。

在本文所介绍的塞式喷管的内喷管中,喉部面积为2.54475mm^2。

定出口气压为0.5MPa,计算得内喷管出口马赫数为2.27,扩张比为2.42。

从而得出出口直径约2.8mm。

采用15度半角圆锥喷管,计算得喷管长度为2.03mm。

绘图如上。

[修改于 1 个月前 - 2019-12-14 21:44:14]

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2楼

很好很好,为塞式喷管的普及做出了重大贡献


顶!!!!!!!

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3楼

话说你的塞式喷管时啥候试车哟,老期待了

[修改于 1 个月前 - 2019-12-14 14:48:49]

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LS(作者)
4楼
引用 ERIC20041219 发表于 3 楼的内容:
话说你的塞式喷管时啥候试车哟,老期待了

目前尚没有试车计划,因为时间非常少,而且管制。

实际上给出模型就可以进行cfd模拟,试车只是进一步验证罢了。

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2019-12-15 12:03:32
LS(作者)
5楼

计算软件已发布,见帖子https://www.kechuang.org/t/84897

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