具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

本发明为一种火箭发动机推力室热试用身部模块，包括身部本体和腔体。

从结构上来看，本实施例身部本体采用内外双层加肋结构，包括内壳、外壳以及设置在内壳和外壳之间的肋条，冷却剂沿着由内壳、外壳以及相邻肋条之间形成的通道流动。

如图1和图2所示，身部本体包括沿燃气流动方向(来流方向)从前至后依次同轴连接的燃烧室1、连接部2和喉道3。

燃烧室1包括同轴设置的燃烧室内壳101和燃烧室外壳102以及设置在燃烧室外壳102和燃烧室内壳101之间且圆周均布的多个螺旋燃烧室肋条104，相邻2个螺旋燃烧室肋条104之间以及该2个螺旋燃烧室肋条104之间的燃烧室内壳101外壁、燃烧室外壳102内壁形成燃烧室冷却通道103，本实施例将螺旋燃烧室肋条104设计为螺旋状，则燃烧室冷却通道103为螺旋通道，可提高冷却效果。

喉道3包括同轴设置的喉道内壳31和喉道外壳32以及设置在喉道外壳32和喉道内壳31之间且圆周均布的多个主螺旋喉道肋条34，相邻2个主螺旋喉道肋条34之间以及该2个主螺旋喉道肋条34之间的喉道内壳31外壁、喉道外壳32内壁形成喉道冷却通道33，由于主螺旋喉道肋条34为螺旋状，则喉道冷却通道33为螺旋通道。

如图3和图4所示，连接部2包括同轴设置的连接部内壳201和连接部外壳202以及设置在连接部内壳201和连接部外壳202之间的环状连接板203，环状连接板203的两端面与螺旋燃烧室肋条104后端面、主螺旋喉道肋条34前端面之间均存在间隙；环状连接板203上开设圆周均布的多个辅冷却剂通道204和圆周均布的多个连接通道205，辅冷却剂通道204与连接通道205沿圆周方向错位设置且不连通；每个辅冷却剂通道204包括直孔241和切向孔242，直孔241的入口端开口于连接部外壳202外壁，出口端与切向孔242的入口端相连通，切向孔242的出口端开口于连接部内壳201内壁；环状连接板203上相邻辅冷却剂通道204之间的位置沿轴向开设圆周均布的通孔(窗口)，作为连接通道205，供主冷却剂通过，连接通道205的两端分别与燃烧室冷却通道103后端、喉道冷却通道33前端相连通。

从功能上来看，本实施例身部模块具有三个腔体，分别为主冷却剂入口腔4、主冷却剂出口腔5、辅冷却剂腔体6，三个腔体均设置在外壳的外侧，且均为环形。主冷却剂出口腔5设置在燃烧室外壳102的前端，且与多个燃烧室冷却通道103的前端分别连通；主冷却剂入口腔4设置在喉道外壳32的后端，且与多个喉道冷却通道33的后端分别连通；辅冷却剂腔体6设置在连接部2外壁，且与多个直孔241的入口端分别连通。

主冷却剂从主冷却剂入口腔4进入，流经喉道冷却通道33、连接通道205、燃烧室冷却通道103，然后从主冷却剂出口腔5流出，用于冷却与高温燃气接触的内壁(身部本体内壁：燃烧室内壳101、连接部内壳201、喉道内壳31)。

辅冷却剂从辅冷却剂腔体6进入，流经位于连接部内壳201和连接部外壳202之间的直孔241和切向孔242后，从连接部内壳201的内表面喷出，形成环形液/气膜，用于保护热环境较为恶劣的喉部区域。

本实施例将主冷却剂的通道和辅冷却剂的通道互相独立，膜冷却剂通过切向孔242进入燃烧腔内，在壁面形成覆盖良好的液/气膜，提高了冷却剂的利用率；本实施例在连接部内壳201内壁上设置有位于切向孔242上游的环形凸台206，用于防止燃气冲毁液/气膜。

主冷却剂和辅冷却剂可选择同种冷却剂，也可选择不同种冷却剂。

如图8所示，假设相邻肋条之间形成螺旋槽道(螺旋通道)所在的底面直径为d，螺旋槽道与推力室轴线夹角为α，螺旋槽宽度(与槽道方向垂直)为a，螺旋肋宽度为(与槽道方向垂直)b，槽数为n，则有如下关系：

a＝π*d/n*cos(α)-b

为了保证冷却效果在圆周方向的均匀性，槽数应尽可能多，但同时，由于目前增材制造的工艺限制，槽宽和肋宽均不能小于1mm，螺旋角α不能大于45°，所以从上述公式可见，在底面直径d确定的情况下，槽数n，槽宽a，肋宽b和螺旋角α互为制约。

另外，在冷却剂流量一定的情况下，螺旋槽能够增大冷却剂流速，增强冷却效果，但螺旋角过小效果不明显，故一般螺旋角不小于20度。以及，螺旋角越大，冷却剂流速越大，但流阻也越大，这会给冷却剂供应系统造成负担。

本实施例中，喉道3包括喉部以及与喉部后端同轴连接的扩张部，喉部的直径从两端向中部逐渐减小，喉部的前端与连接部2的后端相连；由于喉部槽道所在的底面直径最小，以喉部区域来确定螺旋角的大小。喉部区域，槽数选择60，肋宽选择1mm，则不同螺旋角α对应的槽宽a和流阻如下：

图9为不同螺旋角α对应的槽宽a和流阻示意图，从图9中可以看出，螺旋角为40°以上时，槽宽a小于1mm，因此螺旋角需要小于40°。但螺旋角35°时流阻较30°明显增加，因此综合考虑，将螺旋角设计为30°，冷却效果较好，且流阻较小，则本实施例螺旋燃烧室肋条104和主螺旋喉道肋条34的螺旋角均设计为30°。

相应的扩张部的外圆面空间比喉部要大许多，因此，为了提高扩张部的冷却效果，本实施例在相邻2个主螺旋喉道肋条34后部(即位于扩张部的2个主螺旋喉道肋条34)之间均布有1个辅螺旋喉道肋条35，将喉道冷却通道33后部分为2个第二喉道冷却通道，该喉道冷却通道33前部(位于喉部的喉道冷却通道33)形成与相应2个第二喉道冷却通道连通的第一喉道冷却通道；所有辅螺旋喉道肋条前端所形成圆的直径与所有主螺旋喉道肋条前端所形成圆的直径相等。相应的，燃烧室1的螺旋燃烧室肋条104数量与吼道3后部扩张部的肋条数量(主螺旋喉道肋条和辅螺旋喉道肋条数量之和)相等，则燃烧室冷却通道103的数量与第二喉道冷却通道的数量相等。

如图5所示，燃烧室1前端部设计有对接法兰11，用于与推力室头部对接。对接法兰11与燃烧室内壳101和燃烧室外壳102连接的区域设计为中空加肋结构，具体为，对接法兰11包括同轴设置的法兰内壳和法兰外壳以及设置在法兰内壳和法兰外壳之间且圆周均布的多个螺旋法兰肋条，螺旋法兰肋条的数量与螺旋燃烧室肋条104的数量相等，且位置一一对应；相邻2个螺旋法兰肋条之间以及该2个螺旋法兰肋条之间的法兰内壳外壁和法兰外壳内壁形成法兰冷却通道111，法兰冷却通道111前端与燃烧室冷却通道103的前端相连通，其后端与主冷却剂出口腔5相连通，图5中所示的带箭头虚线为主冷却剂的流动方向，这样的冷却设计能够充分冷却对接法兰11，保证对接法兰11与推力室头部之间法兰密封件12所处区域的温度不至于太高，避免密封失效。

如图6和图7所示，主冷却剂入口腔4上布置有主冷却剂入口13、入口温度传感器接口14和入口压力传感器接口15；入口温度传感器接口14和入口压力传感器接口15分别用于布置温度传感器和压力传感器，以监测主冷却剂入口腔4内的冷却剂温度和压力。

主冷却剂出口腔5上布置有主冷却剂出口16、出口温度传感器接口18和出口压力传感器接口17，出口温度传感器接口18和出口压力传感器接口17分别用于布置温度传感器和压力传感器，用于监测主冷却剂出口腔5内的冷却剂温度和压力。主冷却剂出口16包含三个，目的是当主冷却剂受热汽化，密度减少时，增大出口流通面积，降低出口流速，从而避免出口压力损失过大。出口温度传感器接口18也布置了两个，可分别安装低温温度传感器和高温温度传感器，扩大可监测的温度范围。

辅冷却剂腔体6上布置有辅冷却剂入口19、辅温度传感器接口21和辅压力传感器接口20；辅温度传感器接口21和辅压力传感器接口20分别布置温度传感器和压力传感器，用于监测辅冷却剂腔体6内的冷却剂温度和压力。

此外，主冷却剂入口腔4、主冷却剂出口腔5和辅冷却剂腔体6上还分别布置有主冷却剂入口腔排放口22、主冷却剂出口腔排放口23和辅冷却剂腔体排放口24。在试验台上安装身部模块时，主冷却剂入口腔排放口22、主冷却剂出口腔排放口23和辅冷却剂腔体排放口24朝下，试验时用堵头将排放口封堵，试验结束后，卸下堵头，排放积存在腔体内的冷却剂。

本实施例燃烧室外壳102侧壁或喉道外壳32侧壁设有一个平台25，可布置加速度传感器，用于监测试验过程中身部模块的振动情况。

本实施例整个身部模块为一个零件，采用增材制造技术加工而成，材料可选择高温合金，比如GH4169，GH4202，GH3536。身部模块为基于增材制造技术的采用槽道(相邻肋条之间)外冷却和液/气膜复合冷却的一体化设计，实现了内外壁一体化，以槽道外冷却为主、膜冷却为辅的复合冷却方式，在降低加工成本的同时提升了可靠性，并能满足长时间的推力室热试需求。膜冷却采用单独供应的方式，与槽道外冷却相互独立，膜冷却剂通过切向孔进入燃烧腔内，在壁面形成覆盖良好的液/气膜，提高了冷却剂的利用率。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。