發動機冷卻

對發動機工作時處於高溫環境的零、組件採取的散熱和隔熱措施，以使受熱件溫度不超過材料強度允許的範圍。火箭發動機燃燒室中燃氣溫度高達 3000～4700K，燃氣壓力通常是幾兆帕（幾十大氣壓），高的可達20兆帕（約200大氣壓）。整個推力室內壁受到強烈加熱，最嚴重的部位是噴管喉部附近，熱流密度可高達104～105千瓦/米2。渦輪噴氣發動機燃燒室內火焰溫度可達 2300K，渦輪入口燃氣溫度達 1600K。保證受熱零件正常工作或提高它們的性能均有賴於冷卻技術。通常採用的冷卻技術有對流冷卻、薄膜冷卻、發汗冷卻、燒蝕冷卻、輻射冷卻和隔熱層。

1原理 2冷卻方式

原理

對流冷卻冷卻劑流過受熱零件壁面，靠對流傳熱將熱量帶走，如對著受熱壁面噴射冷卻劑以提高對流冷卻的效果（稱為噴射冷卻）。對流冷卻廣泛用於發動機的各種受熱零、組件。航空發動機的渦輪葉片採用空氣對流冷卻，可使葉片溫度降低200～250°C，液體火箭發動機的推力室用推進劑的一種組元作為冷卻劑，使其流過冷卻套來冷卻室壁，然後進入燃燒室參加燃燒，這種冷卻方式稱為再生冷卻。如果流過冷卻套的推進劑由噴管末端一周小孔直接排出，則稱為排放冷卻。這種方法適用於以氫作冷卻劑的推力室，排放射流也能產生一部分推力。

冷卻方式

薄膜冷卻由液體推進劑或氣體在受熱壁面上形成薄膜阻止燃氣向壁面傳熱的冷卻方式分別稱為液膜冷卻或氣膜冷卻。液體火箭發動機的推力室在熱流密度最大的噴管喉部附近採用液膜冷卻，更多的是在噴注器周邊設置一圈低混合比的噴嘴或燃料直流射孔，在燃燒室內壁面附近形成低溫邊區或薄膜，把中心區高溫燃氣與壁面隔開。渦輪噴氣發動機的渦輪葉片和火焰筒常用氣膜冷卻，葉片溫度可降低400～600°C。有的液體火箭發動機把渦輪排氣引入推力室噴管，對噴管內壁進行氣膜冷卻。

發汗冷卻也稱發散冷卻。受熱件用多孔材料製成，冷卻劑通過微孔滲出受熱表面把熱量帶走，同時在壁面上形成一層冷卻薄膜，有很好的冷卻效果。由於研製多孔材料比較困難，碳氫燃料燃燒后的積碳容易堵塞微孔，這種冷卻方式未能廣泛應用，僅用於液氧-液氫發動機噴注器面板的冷卻。

燒蝕冷卻廣泛用於固體火箭發動機的噴管（見燒蝕防熱、燒蝕材料）。還有一種自冷卻方式，機理與燒蝕冷卻類似，用多孔鎢作基體，滲入銀、銅、鋅等熔點較低的材料，遇熱時熔點低的材料升華逸出而起冷卻作用。基體鎢難熔耐蝕，能保持外形，適用於製作固體火箭發動機噴管喉襯。

輻射冷卻利用熾熱物體的熱輻射向外散熱。輻射冷卻一般用於火箭發動機中熱流密度較小的噴管延伸段、燃氣溫度較低的燃氣發生器和單元推進劑分解的推力室。活塞式發動機汽缸頭的黑色散熱片也起輻射散熱作用。提高輻射散熱效果主要靠選用耐高溫材料製造受熱零件；其次靠提高表面黑度，即在壁面上塗黑度0.85以上的高溫塗料。

隔熱層在受熱壁面上塗敷或粘貼導熱率低的耐高溫材料，減少燃氣向壁傳熱。常用的隔熱材料如氧化鋯、氧化鋁等適用於液體火箭發動機；石墨、碳化鎢、陶瓷等適用於固體火箭發動機；陶瓷、高溫隔熱漆、石棉等適用於渦輪噴氣發動機。

不同的冷卻方式可以分別使用，也可以同時使用。如液體火箭發動機的推力室同時採用對流冷卻和薄膜冷卻（見圖）；渦輪噴氣發動機的渦輪葉片同時採用噴射冷卻和氣膜冷卻。

發動機冷卻

發動機冷卻

原理

冷卻方式

基本信息