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液體火箭發動機設計

為了解決渦輪設計的問題，作者蔡國飆 李家文 田愛梅 張黎輝 編著 這樣論述：

　　全書系統講述液體火箭發動機系統、推力室、燃氣發生器、渦輪泵及閥門和調節器的設計，理論聯系實際，反映了當前液體火箭發動機設計的新技術和新成就。 為了使讀者更好地掌握本書內容，書中配有典型例題和習題。　　全書可作為航天推進專業本科生和研究生的教材，也可供從事液體火箭發動機設計研制方面的工程技術人員參考。　　本書包括6章。第1章為緒論，主要對液體火箭發動機的分類、組成和發展方向等進行概述。第2章為液體火箭發動機系統設計，講述發動機總體設計任務與系統設計內容，主要包括發動機推進劑供應系統、主要參數選擇、擠壓式和泵壓式系統設計計算以及發動機調節與控制等方面的內容，通過這部分內容的學習，可以對發

動機系統有一個比較全面的了解。第3章為液體火箭發動機推力室設計，主要講述推力室設計工作中所包括的型面設計、頭部設計和身部熱防護設計，並對一些典型發動機推力室的結構進行介紹。第4章為燃氣發生器與小推力發動機推力室，在第3章內容的基礎上，介紹液體火箭發動機燃氣發生器和小推力發動機推力室的結構特點和一些初步設計方法。第5章為液體火箭發動機渦輪泵設計，講述泵壓式液體火箭發動機中渦輪與泵的結構特點與設計方法，包括渦輪泵總體設計、帶誘導輪離心泵設計、渦輪設計、渦輪泵轉子及渦輪泵密封和軸承等內容。第6章為閥門和調節器設計，主要講述常用閥門和調節器的功能、結構、工作過程以及相關設計等內容。

第1章 緒論 1.1 液體火箭發動機組成 1.1.1 推力室 1.1.2 推進劑供應系統 1.1.3 閥門與調節器 1.1.4 總裝元件 1.2 液體火箭發動機分類 1.2.1 按發動機用途分類 1.2.2 按推力大小分類 1.2.3 按推進劑組元數量分類 1.2.4 按推進劑供應系統分類 1.2.5 按工況特點分類 1.3 液體推進劑 1.3.1 液體推進劑分類 1.3.2 液體推進劑的物理化學性能 1.3.3 液體推進劑的能量特性 1.3.4 液體推進劑的貯存與應用 1.4 液體火箭發動機的發展 1.4.1 提高燃燒室壓力 1.4.2 提高單台發動機的推力

1.4.3 高比沖和高密度比沖液體推進劑的應用 1.4.4 新型發動機動力循環方式的應用 1.4.5 針對可重復使用運載器所進行的發動機方案研究 1.4.6 提高可靠性和降低成本 1.4.7 改進現有型號發動機 1.4.8 新材料和先進生產工藝的應用 復習思考題第2章 液體火箭發動機系統設計 2.1 概述 2.1.1 發動機總體設計任務 2.1.2 飛行器總體對發動機的要求 2.1.3 發動機系統設計內容與流程 2.2 發動機推進劑供應系統 2.2.1 擠壓式供應系統方案 2.2.2 泵壓式供應系統方案 2.2.3 推進劑供應系統方案對比 2.3 發動機主要參數選擇

2.3.1 推進劑的選擇 2.3.2 混合比的選擇 2.3.3 燃燒室壓力的選擇 2.3.4 噴管擴張比的選擇 2.3.5 推進劑質量的確定 2.3.6 系統參數平衡 2.4 擠壓式系統的設計 2.4.1 擠壓式系統的選擇 2.4.2 設計計算 2.4.3 擠壓式系統參數平衡 2.4.4 擠壓式系統貯箱增壓壓力的確定 2.5 泵壓式系統的設計 2.5.1 設計要求 2.5.2 泵壓式系統的選擇 2.5.3 泵壓式系統參數平衡 2.5.4 泵壓式系統貯箱增壓壓力的確定 2.6 液體火箭發動機控制系統 2.6.1 基本控制系統 2.6.2 推力控制系統 2.6.3

推進劑混合比和推進劑利用控制 2.6.4 擠壓式系統的調整 2.6.5 泵壓式系統的調整 2.7 火箭發動機主要參數的優化 2.7.1 設計變量 2.7.2 目標函數 2.7.3 約束條件 2.7.4 優化方法 2.7.5 優化過程 復習思考題 習題第3章 液體火箭發動機推力室設計 3.1 概述 3.1.1 液體火箭發動機推力室的組成 3.1.2 推力室的工作過程 3.1.3 液體火箭發動機推力室的設計內容 3.2 推力室型面設計 3.2.1 燃燒室型面設計 3.2.2 噴管型面設計 3.3 推力室頭部設計 3.3.1 設計要求與內容 3.3.2 噴嘴結構與設計

3.3.3 噴嘴排列 3.3.4 燃燒穩定裝置 3.3.5 噴注器與頭部結構 3.4 推力室身部設計 3.4.1 推力室身部熱環境 3.4.2 推力室身部熱防護方法 3.4.3 推力室身部結構 3.4.4 推力室身部冷卻計算 3.5 推力室點火裝置 3.5.1 自燃液體點火 3.5.2 固體火藥點火 3.5.3 電點火 3.5.4 氣動諧振點火 3.5.5 爆震波點火 復習思考題 習題第4章 燃氣發生器與小推力發動機推力室 4.1 燃氣發生器 4.1.1 燃氣發生器的類型 4.1.2 液體燃氣發生器的特點 4.1.3 液體燃氣發生器的結構 4.1.4 幾種典型燃氣

發生器 4.1.5 液體燃氣發生器的計算 4.2 小推力發動機推力室 4.2.1 小推力液體火箭發動機的類型 4.2.2 小推力發動機的特點 4.2.3 單組元小推力發動機推力室 4.2.4 雙組元小推力發動機推力室 4.2.5 小推力發動機推力室頭部 4.2.6 小推力發動機推力室身部結構與冷卻方法 4.2.7 小推力發動機推力室設計 復習思考題 習題第5章 液體火箭發動機渦輪泵設計 5.1 概述 5.1.1 渦輪泵的組成 5.1.2 渦輪泵設計的主要內容 5.2 渦輪泵總體設計 5.2.1 渦輪泵總體方案的設計計算 5.2.2 渦輪泵總體結構布局 5.3 泵設計

5.3.1 帶誘導輪離心泵的設計計算 5.3.2 帶誘導輪離心泵的設計算例 5.3.3 離心泵和誘導輪的結構設計 5.4 渦輪設計 5.4.1 沖擊式渦輪的設計計算 5.4.2 反力式渦輪的設計計算 5.4.3 渦輪的結構設計 5.5 渦輪泵轉子的載荷與平衡 5.5.1 渦輪泵轉子的載荷 5.5.2 渦輪泵轉子的平衡 5.5.3 渦輪泵轉子軸向力的補償 5.6 渦輪泵轉子的動力特性和設計 5.6.1 渦輪泵轉子的臨界轉速 5.6.2 渦輪泵轉子的設計 5.7 渦輪泵的密封和軸承 5.7.1 渦輪泵的密封 5.7.2 渦輪泵的軸承 5.8 渦輪的強度計算 5.8.1 渦

輪工作葉片的強度計算 5.8.2 渦輪盤的強度計算 復習思考題 習題第6章 閥門和調節器設計 6.1 概述 6.1.1 閥門和調節器的分類 6.1.2 閥門的設計原則 6.1.3 閥門結構類型的選擇 6.2 常用閥門設計 6.2.1 斷流閥門的設計 6.2.2 隔離閥門的設計 6.2.3 其他閥門 6.3 調節器設計 6.3.1 氣體減壓器 6.3.2 燃燒室壓力調節器 6.3.3 混合比調節器 6.3.4 流量調節器 6.3.5 汽蝕文氏管 6.3.6 節流圈 復習思考題 習題參考文獻

渦輪設計進入發燒排行的影片

使用Turgo渦輪與同軸閉迴路地熱取熱系統之全流式地熱發電廠創新設計

為了解決渦輪設計的問題，作者林子淵 這樣論述：

本研究提出了一種全流式地熱發電廠的創新設計，並對其進行相關理論、實驗及數值分析，最後於宜蘭清水進行現地試驗。本設計的創新在於地底取熱及發電機組兩個子系統。其中於地底取熱子系統的設計，本研究使用了同軸雙套管於地底形成流體的閉迴路進行取熱；而於發電機組子系統中，本研究設計使用了Turgo渦輪與超音速二相流噴嘴以進行全流式發電。地底取熱系統的設計利用了水通過同軸的雙套管於地底進行閉迴路取熱。當液態水由同軸雙套管間的環形空間流往地底，液態水會被熱岩層加熱及加壓。在流至同軸雙套管尾端時，高壓的過冷液態水以閉迴路方式流向內管，再沿內管流回地表供發電使用。本研究使用了自行開發的半經驗數值方法進行同軸閉迴路

地底取熱系統的數值分析。由於流體熱對流的經驗式以隱式方式與岩層固體熱傳導方程式耦合，得以避免進行同軸閉迴路套管中複雜流體運動的模擬。因此，此半經驗數值方法能有效率地計算同軸閉迴路套管中流體與岩石圈中乾熱岩岩層中岩石固體的流固耦合熱傳問題。本研究模擬了在不同井深和不同流體質量流率下，於宜蘭清水地區以此系統取熱的熱傳。首先，此數值方法以宜蘭大學進行的現地試驗進行驗證。模擬所得在不同流體質量流率下2000公尺深井的套管出口流體溫度與現地試驗結果十分吻合。再來，進行在不同質量流率下，經過連續20年的取熱模擬。模擬顯示不管質量流率為何，5000公尺深井取熱影響區域的最大半徑均約為100公尺。流體質量流率

越大，取熱速度越大且井壁溫度越低。此方法可於極短的計算時間內計算出井壁溫度，與國家高速計算中心使用Ansys CFX的三維模擬結果亦十分吻合。1978年美國勞倫斯實驗室(Lawrence Livermore Laboratory)以理論預測全流式地熱發電的發電效能可高過主流的閃發式地熱發電。本研究為了更多地利用高壓井水的熱焓並且避免於渦輪葉片表面發生孔蝕現象，發電機組的設計使用了Turgo渦輪與漸縮漸擴噴嘴進行全流式發電。當高壓的過冷液體通過漸縮漸擴噴嘴後會形成高速的閃發噴射流，並以斜角度衝擊Turgo渦輪的渦輪葉片來驅動Turgo渦輪。此新穎設計可在不使用任何汽水分離器或熱交換器下，直接轉換

來自高壓井水的地熱能，也因此設計出的系統簡單且易於維護。由簡單的控制體積和速度三角分析可得知，噴嘴出口射流速度及射流衝擊葉片的角度決定了系統的熱效率和發電量，且系統的最高功率發生在渦輪葉片的尖端速度約為噴嘴出口射流速度的一半時。為了驗證理論分析的結果，本研究建造了全流式地熱發電機的原型並於2015至2020間在宜蘭清水地熱九號井進行現地試驗。長達四年的現地試驗顯示此設計成功避免孔蝕問題的發生，並且全流式發電機原型的發電效能與勞倫斯實驗室的理論曲線相當吻合。與傳統的有機朗肯循環發電機相比，此新穎設計的發電效能在熱源為中低焓值熱庫(熱庫溫度≥150℃)時較有競爭力。結合同軸閉迴路地底取熱系統與全流

式斜衝擊型發電機而成的全流式地熱發電廠，是有可長時間發電、簡單易於維護、適用熱源溫度範圍廣等優點的穩健系統。因此，此新式全流式地熱發電廠，不管對地熱能源的學界或業界來說，都是有發展性、極具潛力的應用。