CN114876673A - 一种低成本耐烧蚀嵌入式喷管及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种低成本耐烧蚀嵌入式喷管,具有内部喷管通道,包括回转式壳体,壳体具有收敛段和扩张段,所述扩张段内壁设置扩张保护层,扩张段远离开口的一端延伸形成收敛段,收敛段与扩张段的连接处的外壁还设置有收敛固定壳体15,收敛段内壁设置背衬;收敛固定壳体15靠近收敛段的一侧与扩张段外壁之间设置有收敛保护层,背衬上由外向内依次设置第一耐烧蚀层及第二耐烧蚀层,第一耐烧蚀层与第二耐烧蚀层之间设置堵盖,堵盖完全封堵内部喷管通道;还提供一种低成本耐烧蚀嵌入式喷管的加工方法。本发明降低了金属材料的用量,重量相较于传统方式有所降低,提高了潜入式喷管耐烧蚀性能,并简化了烧蚀层的加工工艺难度,节约了喷管的成本。
Description
技术领域
本发明涉及火箭喷管领域,具体是一种低成本耐烧蚀嵌入式喷管及其加工方法。
背景技术
喷管是固体火箭发动机能量转换的装置,主要功能为通过喷管喉部面积控制燃气的质量流率,使燃烧室内的燃气压强保持在预定水平,并确保装药的正常燃烧,使推进剂燃烧产物膨胀加速,将其热能充分转换为燃气的动能,通过燃气的高速喷出获得反作用推力。其中,喷管成本约占发动机总成本的22%-26%,其中原材料占13%-14%,工时9%-12%。显然优化喷管设计结构,对降低喷管成本具有重要意义。
现有的潜入式喷管是将喷管一部分嵌入燃烧室,收敛段及喉衬直接接触燃烧室燃气,燃气会对喷管收敛段和喉衬进行冲刷,并且产生大量的烧蚀。在喷管设计时,多采用金属喉衬降低喷管烧蚀率(金属喉衬烧蚀率较低),保持喷管喉部面积一致性,保证固体火箭发动机稳定的推力,但采用金属喉衬极大的增加了喷管的重量,并且价格昂贵。
在专利“一种固体火箭低烧蚀喉衬”一文中,喉衬采用非金属材料,在易烧蚀区域设置多个凹槽,并安装金属散热环,利用金属高温相变吸收热量,来保护喉衬主体,降低喉衬主体烧蚀率。此专利方法虽然降低了喷管烧蚀率,但对加工工艺要求较高,同样会增加喷管的成本。
发明内容
为解决现有技术中喷管成本高的缺陷,本发明提供一种低成本耐烧蚀嵌入式喷管及其加工方法,制作简单,成本低。
本发明的第一方面,提供一种低成本耐烧蚀嵌入式喷管,具有内部喷管通道,包括回转式壳体,所述壳体包括收敛段和扩张段,所述扩张段形成开口逐渐扩大的喇叭口形,所述扩张段内壁设置扩张保护层,所述扩张段远离开口的一端延伸形成所述收敛段,所述扩张段靠近所述收敛段的一端设置有限位凸台,所述收敛段与所述扩张段的连接处的外壁还设置有收敛固定壳体,所述收敛段内壁设置背衬;所述收敛固定壳体靠近所述收敛段的一侧与所述扩张段外壁之间设置有收敛保护层,所述收敛保护层和所述背衬均超出收敛段的边缘并相互连接;所述背衬上由外向内依次设置第一耐烧蚀层及第二耐烧蚀层,所述第一耐烧蚀层、第二耐烧蚀层及收敛保护层形成内部喷管通道,所述第一耐烧蚀层与所述第二耐烧蚀层之间设置堵盖,所述堵盖完全封堵所述内部喷管通道。
本发明的另一方面,提供一种低成本耐烧蚀嵌入式喷管的加工方法,包括如下步骤:
S1、加工壳体、第一耐烧蚀层、第二耐烧蚀层、堵盖、背衬及收敛保护层和扩张保护层成型,壳体内表面喷砂处理;
S2、将所述第二耐烧蚀层与所述背衬用环氧树脂胶粘接为粘接组合件,然后将粘接组合件用环氧树脂胶粘接至壳体收敛段的内壁;
S3、将第一耐烧蚀层用环氧树脂胶与背衬、收敛保护层相粘接,在第一耐烧蚀层与收敛保护层、第一耐烧蚀层与第二耐烧蚀层之间间隙处涂抹D03(L)硅橡胶;
S4、将密封圈安装至密封槽,采用环氧树脂胶将扩张保护层粘接在扩张端内壁,并在扩张段和第二耐烧蚀层之间间隙处涂抹D03(L)硅橡胶;形成待加工组合件;
S5、将S4中待加工组合件在车床上精加工光滑的内型面;
S6、安装螺钉;
S7、将堵盖采用环氧树脂胶粘接至喷管内部。
本发明的优点在于,利用耐烧蚀层的耐烧蚀特性,采用第一耐烧蚀层、第二耐烧蚀层保证喷管前部的平滑流道型面,受力较集中的位于第二耐烧蚀层,第二烧蚀层位于壳体内部并设置有限位凸台,受力可以较好的传达至壳体,不易产生零部件飞出等现象。同时,相比于传统采用金属喉衬的设计结构,降低了金属材料的用量,重量相较于传统方式有所降低,提高了潜入式喷管耐烧蚀性能,并简化了烧蚀层的加工工艺难度,节约了喷管的成本。
附图说明
图1为本发明实施例中一种低成本耐烧蚀嵌入式喷管的结构示意图;
附图标记如下:
1、回转式壳体;2、收敛段;3、扩张段;4、扩张保护层;5、限位凸台;6、密封圈;7、收敛保护层;8、背衬;9、第一耐烧蚀层;10、第二耐烧蚀层;11、内部喷管通道;12、堵盖;13、螺钉;14、螺栓连接孔;15、收敛固定壳体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如图1所示,一种低成本耐烧蚀嵌入式喷管,具有内部喷管通道11,包括回转式壳体1,回转式壳体1包括收敛段2和扩张段3,扩张段3形成开口逐渐扩大的喇叭口形,扩张段3内壁设置扩张保护层4,扩张段3远离开口的一端延伸形成收敛段2,扩张段3靠近收敛段2的一端设置有限位凸台5,收敛段2与扩张段3的连接处的外壁还包括收敛固定壳体15,收敛固定壳体15也是回转式壳体1的一部分;收敛段2内壁设置背衬8,背衬8的一端抵接在限位凸台5上;收敛固定壳体15靠近述收敛段2的一侧与扩张段3外壁之间设置有收敛保护层7,收敛保护层7和背衬8均超出收敛段2的边缘并相互连接,从而实现对收敛段2的完全包覆;背衬8上由外向内依次设置第一耐烧蚀层9及第二耐烧蚀层10,第一耐烧蚀层9、第二耐烧蚀层10及扩张保护层4形成内部喷管通道11,第一耐烧蚀层9与第二耐烧蚀层10之间设置堵盖12,堵盖12完全封堵所述内部喷管通道11。
当发动机工作时,第一耐烧蚀层9、第二耐烧蚀层10抵抗高温燃气的冲刷,保持喷管型面喉部面积的一致性;收敛段2、背衬8、扩张段3为回转式壳体1起绝热隔温作用,保证回转式壳体1强度,使发动机的高温燃气可以转化为低温高速气流,产生较大推力。
本发明的一个优选实施例中,收敛固定壳体15向扩张段3倾斜设置,这种结构可以使第二耐烧蚀层10的力不会垂直作用在收敛固定壳体15上,增加使用寿命,收敛固定壳体15外侧设置有螺栓连接孔14,一般为法兰孔,用于与火箭发动机连接。
本发明的一个优选实施例中,第一耐烧蚀层9呈圆弧形并包绕在收敛段2的端部,并向外延伸至收敛保护层7上,分别与背衬8及收敛保护层7连接,用于抵抗燃气通过燃烧喉径时的烧蚀,保持喉径面积一致性,保证发动机推力的稳定;背衬8位于收敛段2内部的内壁上设置有第二耐烧蚀层10,第二耐烧蚀层10与第一耐烧蚀层9、背衬8及收敛保护层7粘接,第一耐烧蚀层9与第二耐烧蚀层10一般采用钨渗铜材料,用于抵抗燃烧室高温高压对喷管回转式壳体1的烧蚀;堵盖12位于收敛段2远离扩张段3的端部,一般采用铝合金,用于密封防潮、快速建立点火压强和缩短点火延迟时间以提高点火可靠性的作用。
本发明的一个优选实施例中,第二耐烧蚀层10向扩张段3延伸并部分覆盖到扩张段3上,第二耐烧蚀层10与扩张保护层4之间形成平滑过渡。
本发明的一个优选实施例中,回转式壳体1采用30CrMnSiA,内壁分别设置收敛保护层7、背衬8、扩张保护层4,用于保证喷管强度,防止高压燃气对喷管产生破坏;背衬8、收敛保护层7及扩张保护层4均采用碳纤维/酚醛模压材料,用于保护回转式壳体1,防止高温传导至回转式壳体1,保证回转式壳体1高温强度失效。
本发明的一个优选实施例中,扩张段3上设置有螺钉13用于固定扩张固定层,也可以采用销钉,通过回转式壳体1嵌入扩张段3,用于加强扩张段3与回转式壳体1之间的连接。
本发明的一个优选实施例中,限位凸台5靠近扩张段3一侧设置有密封槽,密封槽内设置有密封圈6。
本发明的一个优选实施例中,内部喷管通道11上所有接缝间隙均涂抹D03(L)硅橡胶,具体包括第一耐烧蚀层9和第二耐烧蚀层10之间的接缝,第二耐烧蚀层10及扩张保护层4之间的接缝,提高耐烧蚀性。
本发明的一个优选实施例中,内部喷管通道11内壁是平滑过渡的流道型面,减小喷管内部阻力。
本发明的一个优选实施例中,还提供了一种低成本耐烧蚀嵌入式喷管的加工方法,包括如下步骤:
S1、加工回转式壳体1、第一耐烧蚀层9、第二耐烧蚀层10、堵盖12、背衬8及收敛保护层7和扩张保护层4成型,回转式壳体1内表面喷砂处理;
S2、将所述第二耐烧蚀层10与所述背衬8用环氧树脂胶粘接为粘接组合件,然后将粘接该组合件用环氧树脂胶粘接至收敛段2的内壁;
S3、将第一耐烧蚀层9用环氧树脂胶与背衬8、收敛保护层7相粘接,在第一耐烧蚀层9与收敛保护层7、第一耐烧蚀层9与第二耐烧蚀层10之间间隙处涂抹D03(L)硅橡胶;
S4、将密封圈6安装至密封槽,采用环氧树脂胶将扩张保护层4粘接在扩张端内壁,并在扩张段3和第二耐烧蚀层10之间间隙处涂抹D03(L)硅橡胶;形成待加工组合件;
S5、将S4中待加工组合件在车床上精加工光滑的内型面;
S6、安装螺钉13;
S7、将堵盖12采用环氧树脂胶粘接至喷管内部。
将上述组装粘接好的喷管,采用螺栓连接至发动机。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种低成本耐烧蚀嵌入式喷管,具有内部喷管通道,其特征在于,包括回转式壳体,所述回转式壳体包括收敛段和扩张段,所述扩张段形成开口逐渐扩大的喇叭口形,所述扩张段内壁设置扩张保护层,所述扩张段远离开口的一端延伸形成所述收敛段,所述扩张段靠近所述收敛段的一端设置有限位凸台,所述收敛段与所述扩张段的连接处的外壁还设置收敛固定壳体,所述收敛段内壁设置背衬;所述收敛固定壳体靠近所述收敛段的一侧与所述扩张段外壁之间设置有收敛保护层,所述收敛保护层和所述背衬均超出收敛段的边缘并相互连接;所述背衬上由外向内依次设置第一耐烧蚀层及第二耐烧蚀层,所述第一耐烧蚀层、第二耐烧蚀层及收敛保护层形成所述内部喷管通道,所述第一耐烧蚀层与所述第二耐烧蚀层之间设置堵盖,所述堵盖完全封堵所述内部喷管通道。
2.根据权利要求1所述的一种低成本耐烧蚀嵌入式喷管,其特征在于,所述收敛固定壳体向所述扩张段倾斜设置,外侧设置有螺栓连接孔。
3.根据权利要求1所述的一种低成本耐烧蚀嵌入式喷管,其特征在于,所述第一耐烧蚀层呈圆弧形包绕在所述收敛段的端部并向外延伸至所述收敛保护层上;所述背衬位于所述收敛段内部的内壁上设置有第二耐烧蚀层,所述堵盖位于收敛段远离所述扩张段的端部。
4.根据权利要求3所述的一种低成本耐烧蚀嵌入式喷管,其特征在于,所述第二耐烧蚀层向所述扩张段延伸并部分覆盖到所述扩张段上,所述第二耐烧蚀层与扩张保护层之间形成平滑过渡。
5.根据权利要求1所述的一种低成本耐烧蚀嵌入式喷管,其特征在于,所述壳体采用30CrMnSiA,所述背衬、收敛保护层及扩张保护层均采用碳纤维/酚醛模压材料,所述第一耐烧蚀层及第二耐烧蚀层均采用钨渗铜材料,所述堵盖采用铝合金。
6.根据权利要求1所述的一种低成本耐烧蚀嵌入式喷管,其特征在于,所述扩张段上设置有螺钉用于固定所述扩张固定层。
7.根据权利要求1所述的一种低成本耐烧蚀嵌入式喷管,其特征在于,所述限位凸台靠近所述扩张段一侧设置有密封槽,所述密封槽内设置有密封圈。
8.根据权利要求1所述的一种低成本耐烧蚀嵌入式喷管,其特征在于,所述内部喷管通道上所有接缝间隙均涂抹D03(L)硅橡胶。
9.根据权利要求1所述的一种低成本耐烧蚀嵌入式喷管,其特征在于,所述内部喷管通道内壁是平滑过渡的流道型面。
10.根据权利要求1所述的一种低成本耐烧蚀嵌入式喷管的加工方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1、加工壳体、第一耐烧蚀层、第二耐烧蚀层、堵盖、背衬及收敛保护层和扩张保护层成型,壳体内表面喷砂处理;
S2、将所述第二耐烧蚀层与所述背衬用环氧树脂胶粘接为粘接组合件,然后将粘接组合件用环氧树脂胶粘接至壳体收敛段的内壁;
S3、将第一耐烧蚀层用环氧树脂胶与背衬、收敛保护层相粘接,在第一耐烧蚀层与收敛保护层、第一耐烧蚀层与第二耐烧蚀层之间间隙处涂抹硅橡胶;
S4、采用环氧树脂胶将扩张保护层粘接在扩张端内壁,形成待加工组合件;
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