CN103161775B - 一种一维扩张高马赫数喷管叶片及其加工和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结构紧凑的引射式叶片结构设计和加工方法，具体地说是一种无焊接点机械冷加工方法，实现具有侧向进气、横流流出高马赫数气体的高压叶片结构及加工方法。具有亚音速收缩面形，侧向进气腔，缓冲腔，喉道，扩张面形腔，不对称扰齿，进气孔。高压气体通过侧向进气腔进入到叶片中，再通过进气孔流到缓冲腔，气体再由缓冲腔流经叶片喉道，气体流过喉道后在扩张形面腔的边界条件约束下开始膨胀形成高马赫数、低温、低压气体流。虽然结构复杂，但有利于减小引射器的体积和重量。本发明实现其复杂结构、高精度的机械冷加工。

Description

一种一维扩张高马赫数喷管叶片及其加工和应用

技术领域

本发明涉及一种结构紧凑的引射式叶片结构设计和加工方法，具体地说是一种无焊接点机械冷加工方法，实现具有侧向进气、横流流出高马赫数气体的高压叶片加工方法。

背景技术

一般引射器的高马赫喷嘴采用轴对称结构旋转体，这样在引射器流出高压气体在各个方向所具有压力均衡，保持喷管形状不变，而对镜像对称的一维喷管叶片而言，其叶片壁受气体压力，叶片壁需要力的支撑，否则就会使其形面发生变化，改变流出气体马赫数。所以需要设计叶片两壁面加固结构，而采用内拉筋设计是很好结构设计。而引射式叶片结构越紧凑其混合效率就越高，混合区长度越短。而采用一维阵列式引射叶片具有较好的体积效率，叶片体积小，形成高马赫数气流距离短，具有适用性广的特点。

发明内容

本发明的目的是提供一种一维扩张高马赫数喷管叶片结构及其加工方法，减小引射器的尺寸，提高引射器的结构紧凑性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种一维扩张高马赫数喷管叶片：

其为条状体结构，以条状体的长度方向为纵向方向，条状体结构的横截面为半椭圆形，半椭圆形的外表面构成横向方向的亚音速收缩面形；

于长条体内部，从横截面的长轴端点到椭圆圆心依次纵向设置有的侧向进气腔、缓冲腔、扩张面形腔；

侧向进气腔和缓冲腔间纵向设有隔板，隔板上设有通孔，侧向进气腔和缓冲腔通过隔板上的通孔相连通，通孔作为进气孔；缓冲腔远离侧向进气腔一侧纵向设置有缝隙，形成喉道，缝隙向远离缓冲腔一侧逐渐平滑扩张，形面扩张面形腔；

在扩张面形腔远离缓冲腔侧的的上、下两个侧壁面上均延纵向方向设有相互间隔平行的扰齿，上、下两个侧壁面上的扰齿依次相对交错设置，形成不对称扰齿；

侧向进气腔的纵向方向的一端或两端为进气端。

侧向进气腔的横截面为半椭圆形，隔板侧为其短轴；一维扩张高马赫数喷管叶片的宽度为椭圆短轴。

扰齿为一端弯折的长条形，扩张面形腔上、下两个侧壁面上的扰齿弯折端相对交错设置。

不对称扰齿位于扩张面形的末端，起着增强混合效率作用，扩张面形腔上、下两个侧壁面上的扰齿间的夹角15-25度，上、下两个侧壁面上的对应扰齿末端间距离在1.5～2.5mm；

扰齿宽度在2.3～2.7mm之间，每个侧壁面上的相邻扰齿中心距为扰齿宽度的2倍。

扩张面形其线形为多义线；

如果采用氮气做工作气体，多义线各坐标点为喉道尺寸乘以表一的对照点。

所述叶片的加工方法：

1)先采用线切割方法，于条状体结构的一侧加工出横截面为半椭圆形侧向进气腔的形腔；

2)采用直接放电电极，从侧向进气腔伸入，在椭圆短轴侧的位置进行放电电火花打孔，加工出进气孔；

3)再进行线切割加工，对待加工器件精确定位，以确定侧向进气腔和进气孔位置尺寸，采用慢走丝3遍，加工气动形面，其中包括：亚音速收缩面形，缓冲腔，喉道，扩张面形腔，不对称扰齿轮廓；

4)最后采用电火花切割技术，在不对扰齿轮廓形上切除多余部分，于扩张面形腔上、下两个侧壁面上形成一个个单独扰齿，使两侧的扰齿具有平移对称性。

采用慢走丝3遍是采用丝直径0.05-0.1mm钼丝，三遍慢走丝切割方法，第一遍慢走丝要切割待加工气动面形；切割速度0.1mm/min，电流0.5-1A，电压大于55V，线速度8m/min，这样保证第一遍均匀切下，去削量单边小于0.015mm；

第二遍慢走丝修正加工气动面形：切割速度0.2mm/min，电流0.5-0.8A，电压大于55V，线速度8m/min，这样保证去削量单边在0.01mm左右；

第三遍慢走丝修正气动面形，提高精度和光洁度。切割速度0.2mm/min，电流0.5-1A(根据去前两次削量情况适当调整，以保障整体的精度)，电压大于55V，线速度8m/min，这样保证去削量单边在0.01mm左右。

为保证喉道0.15±0.01mm尺寸加工，将加工分为两个区域，一是较高光洁度的扩张面形采用三遍慢走丝，而对于光洁度要求不高的亚音速收缩面形、缓冲腔、喉道，采用第一遍慢走丝、或第一和第三遍进行加工，如果第一遍慢走丝加工满足喉道的0.15±0.01mm尺寸，就不需要第三遍的慢走丝加工，否则采用第三遍慢走丝进行修整。

所述叶片应用于引射器中，从条状体横截面的长轴端点到椭圆圆心的方向与引射器气流方向相同；沿条状体横截面的椭圆短轴方向，叶片采用阵列方式间隔排布。

本发明采用冷加工方法加工，有效地保障叶片加工精度。

叶片结构紧凑，加工精度要求高，应用于引射器中，采用阵列方式排布，引射器结构紧凑，并且通过调整叶片间距控制引射气体和被引射气体的通气截面，具有调节通气截面方式简单。

应用于引射器，一维扩张高马赫数喷管叶片镶嵌在上下侧板中，上下侧板起密封作用，不通气体，而气体从中间部分流出，这样保证高压气体形成高马赫气体，使气体沿固定方向流动。

高压气体(引射气体)通过侧向进气腔进入到叶片中，再通过进气孔流到缓冲腔，气体再由缓冲腔流经叶片喉道，气体流过喉道后在扩张形面腔的边界条件约束下开始膨胀形成高马赫数、低温、低压气体流(低压、高速的超音速气流)。实现对其它气体引射作用。

进气孔所处的隔板为实体结构上，该实体结构有效地将叶片上下部分连接起来，减小在高压工作状态下的叶片变形。

附图说明

图1一种一维扩张高马赫数喷管叶片结构示意图；

图2阵列喷管引射器原理示意图；

图3阵列喷管引射器气体流动示意图。

具体实施方式

一维扩张高马赫数喷管叶片在结构上(见图1结构示意图)具有亚音速收缩面形1，侧向进气腔2，缓冲腔3，喉道4，扩张面形5，不对称扰齿6，进气孔7。

高压气体通过侧向进气腔2进入到叶片中，再通体进气孔(7)流到缓冲腔3，气体再由缓冲腔3流经叶片喉道4，气体流过喉道后在扩张形面腔5的边界条件约束下开始膨胀形成高马赫数、低温、低压气体流。实现对其它气体引射作用。不对称扰齿6起着增强混合效率作用，不对称扰齿的间夹角一般在20度左右，不对称扰齿末端间距离在1.5～2.5mm，扰齿宽度在2.3～2.7mm之间。在引射气体和被引射气体比例方面，可以通过调整一维扩张高马赫数喷管叶片间距来调整两者的通气截面积，另外可以通过压力控制二者的流量比。这种高马赫数喷管叶片的起动时其总压与背景压力比在50∶1左右，如果总压较低则叶片不能形成高马赫数、低压的引射气体。

在设计中如果喷管喉道4宽度、使用气体和马赫数确定，通过气动力学的计算就可以确定出扩张形面腔5的面形，即确定喷管扩张段的尺寸；增加一定的壁厚(一般在0.4-0.8mm之间)即可确定喷管总的宽度；喷管亚音速收缩面形1的面形为半椭圆，叶片的宽度为椭圆短轴，侧向进气腔2为椭圆部分，其短轴为扩展形面腔5末端宽度，通过改变椭圆长轴尺寸，来改变侧向进气腔2的面积，使侧向进气腔2面积满足大于喉道4实际进气面积3.5倍。在侧向进气腔2所在的半椭圆面中还包括扩张形面腔5、喉道4、缓冲腔3，侧向进气腔2和缓冲腔3通过进气孔7相连通，缓冲腔3从截面看半封闭腔，缓冲腔3出口为圆角过度、半角60度收缩及圆弧过度为水平方向，形成喉道4，对接扩张形面腔5。

这种叶片的加工工艺如下：1)先采用线切割方法，加工出侧向进气腔2的型腔。2)采用直接放电电极，从侧向进气腔2伸入，在进气孔7位置进行放电电火花打孔，加工出进气孔7。3)再进行线切割加工，对待加工器件精确定位，以确定侧向进气腔2和进气孔7位置尺寸，采用慢走丝3遍，加工气动形面，其中包括：亚音速收缩面形1，缓冲腔3，喉道4，扩张面形腔5，不对称扰齿6轮廓。最后采用电火花切割技术，在不对扰齿6轮廓形上切除多余部分，形成一个个单独扰齿，和另一侧的扰齿具有平移对称性。

如喉道4的具体宽度为0.15mm，所使用气体为氮气，马赫数为5，则其扩张面形5的为多义线，喉道尺寸0.15mm乘表一对应坐标数据，即得到扩张面形5上半部分面形坐标点(喉道4在轴线上的点为坐标原点)，而下半部分面形是与上半部分面形以中心轴对称的。扩张面形5出口壁厚0.5mm，那么喷管的总宽度为4.75mm；喷管喉道高度为20mm，喉道截面为0.15*20＝3mm2，则侧向进气截面3的面积大于10.5mm2，收缩段1的长轴半径25mm，缓冲腔3长为3mm，进气孔5所在拉筋的厚度为2.25mm，进气孔7直径为1.9mm，进气孔7的中心距为3.5mm，侧向进气腔2面积大约为11.6mm2。在加工过程中，先采用线切割方法，加工出侧向进气腔2的型腔(具体参数为：放电电流3-4A，电压大于55V，速度：0.5mm/分)。在数控电火花设备上，采用L形紫铜放电电极，侧向进气截面3伸入，在进气孔5位置进行放电打孔(具体参数：电流5A，电压1.5kV)，孔深在2.4-2.7mm之间，孔的底部进入到缓冲腔3中，这样切出缓冲腔3后，进气孔7就可以将侧向进气腔2和缓冲腔3连通起来。再进行线切割加工，对待加工器件精确定位，以确定侧向进气腔2和进气孔7位置尺寸，为保障喉道的尺寸精度±0.01mm，采用不大于0.1mm慢走丝加工3遍，加工气动形面，其中包括：亚音速收缩面形1，缓冲腔3，喉道4，扩张面形5，不对称扰齿6轮廓。这是本器件加工难度最大的地方，关键在于保证0.15±0.01mm的尺寸，具体加工工艺如下：

1.第一遍慢走丝要切割待加工气动面形。采用0.1mm的钼丝，切割速度0.1mm/min，电流0.5-1A，电压大于55V，线速度8m/min，这样保证第一遍均匀切下，去削量单边小于0.015mm。

2.第二遍慢走丝修正加工气动面形。采用0.1mm的钼丝，切割速度0.2mm/min，电流0.5-0.8A，电压大于55V，线速度8m/min，这样保证去削量单边在0.01mm左右。

3.第三遍慢走丝修正气动面形，提高精度和光洁度。采用0.1mm的钼丝，切割速度0.2mm/min，电流0.5-1A(根据去前两次削量情况适当调整，以保障整体的精度。)，电压大于55V，线速度8m/min，这样保证去削量单边在0.01mm左右。

由以上去削量可以看出喉道4的0.15±0.01mm尺寸较难保障，将加工分为两个区域一是较高光洁度的扩张面形腔5采用三遍慢走丝，而对于光洁度要求不高的亚音速收缩面形1、缓冲腔3、喉道4，采用第一遍慢走丝或第一和三遍进行加工，如果第一遍慢走丝加工满足喉道4的0.15±0.01mm尺寸，就不需要第三遍的慢走丝加工，否则采用第三遍慢走丝进行修整喉道4的尺寸。

最后采用电火花切割技术，在不对扰齿6轮廓形上切除多余部分，形成一个个单独扰齿，扰齿宽度为2.6mm，中心距为扰齿宽度的2倍(5.2mm)，长度为5.7mm，和另一侧的扰齿具有交叉对称性。

这种一维扩张高马赫数喷管叶片应用于引射器中，以一维阵列方式排布，通过调整叶片间距控制引射气体和被引射气体的通气截面(见图2阵列喷管引射器原理示意图)。在实施方案中示意图2基础上增加上下、左右侧板，一种一维扩张高马赫数喷管叶片镶嵌在上下侧板中，扩张形面腔5在上下侧板中围成区域的填充满，不通气体，而流出中间部分通气体，这样保证高压气体形成高马赫气体，使气体沿固定方向流动(如图3所示)。如果高压叶片侧向进气压力5300Torr，则其叶片出口形成压力10Torr速度为5个马赫数氮气流。

虽然结构复杂，但有利于减小引射器的体积和重量。本发明实现其复杂结构、高精度的机械冷加工。

扩张面形其线形为多义线；如果采用氮气做工作气体，多义线各坐标点为喉道乘以表一的对照点；喉道宽度为在横截面内椭圆短轴方向的尺寸，喉道的宽度越小，叶片尺寸越小，加工难度也就越大，一般为0.1-1mm。

以喉道(4)处为原点，缝隙向远离缓冲腔(3)一侧为X轴，垂直于纵向喉道和X轴方向为Y轴。

表一扩张面面形坐标对照表

Claims (9)

1.一种一维扩张高马赫数喷管叶片，其特征在于：

其为条状体结构，以条状体的长度方向为纵向方向，条状体结构的横截面为半椭圆形，半椭圆形的外表面构成横向方向的亚音速收缩面形(1)；

于长条体内部，从横截面的长轴端点到椭圆圆心依次纵向设置有的侧向进气腔(2)、缓冲腔(3)、扩张面形腔(5)；

侧向进气腔(2)和缓冲腔(3)间纵向设有隔板，隔板上设有通孔，侧向进气腔(2)和缓冲腔(3)通过隔板上的通孔相连通，通孔作为进气孔(7)；缓冲腔(3)远离侧向进气腔(2)一侧纵向设置有缝隙，形成喉道(4)，缝隙向远离缓冲腔(3)一侧逐渐平滑扩张，形成扩张面形腔(5)；

在扩张面形腔(5)远离缓冲腔(3)侧的的上、下两个侧壁面上均延纵向方向设有相互间隔平行的扰齿，上、下两个侧壁面上的扰齿依次相对交错设置，形成不对称扰齿(6)；

侧向进气腔(2)的纵向方向的一端或两端为进气端。

2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于：

侧向进气腔(2)的横截面为半椭圆形，隔板侧为其短轴；一维扩张高马赫数喷管叶片的宽度为椭圆短轴。

3.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于：扰齿为一端弯折的长条形，扩张面形腔(5)上、下两个侧壁面上的扰齿弯折端相对交错设置。

4.根据权利要求3所述的叶片，其特征在于：

不对称扰齿(6)位于扩张面形腔(5)的末端，起着增强混合效率作用，扩张面形腔(5)上、下两个侧壁面上的扰齿间的夹角15-25度，上、下两个侧壁面上的对应扰齿末端间距离在1.5～2.5mm；

扰齿宽度在2.3～2.7mm之间，每个侧壁面上的相邻扰齿中心距为扰齿宽度的2倍。

5.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于：扩张面形腔(5)其线形为多义线；

如果采用氮气做工作气体，多义线各坐标点为喉道尺寸乘以对照点。

6.一种权利要求1或4所述叶片的加工方法，其特征在于：

1)先采用线切割方法，于条状体结构的一侧加工出横截面为半椭圆形侧向进气腔(2)的形腔；

2)采用直接放电电极，从侧向进气腔(2)伸入，在椭圆短轴侧的位置进行放电电火花打孔，加工出进气孔(7)；

3)再进行线切割加工，对待加工器件精确定位，以确定侧向进气腔(2)和进气孔(7)位置尺寸，采用慢走丝3遍，加工气动形面，其中包括：亚音速收缩面形(1)，缓冲腔(3)，喉道(4)，扩张面形腔(5)，不对称扰齿(6)轮廓；

4)最后采用电火花切割技术，在不对称扰齿(6)轮廓形上切除多余部分，于扩张面形腔(5)上、下两个侧壁面上形成一个个单独扰齿，使两侧的扰齿具有平移对称性。

7.根据权利要求6所述的加工方法，其特征在于：

采用慢走丝3遍是采用丝直径0.05-0.1mm钼丝，三遍慢走丝切割方法，第一遍慢走丝要切割待加工气动面形；切割速度0.1mm/min，电流0.5-1A，电压大于55V，线速度8m/min，这样保证第一遍均匀切下，去削量单边小于0.015mm；

第二遍慢走丝修正加工气动面形：切割速度0.2mm/min，电流0.5-0.8A，电压大于55V，线速度8m/min，这样保证去削量单边在0.01mm左右；

第三遍慢走丝修正气动面形，提高精度和光洁度；切割速度0.2mm/min，电流0.5-1A，电压大于55V，线速度8m/min，这样保证去削量单边在0.01mm左右。

8.根据权利要求6所述的加工方法，其特征在于：

为保证喉道(4)0.15±0.01mm尺寸加工，将加工分为两个区域，一是较高光洁度的扩张面形腔(5)采用三遍慢走丝，而对于光洁度要求不高的亚音速收缩面形(1)、缓冲腔(3)、喉道(4)，采用第一遍慢走丝、或第一和第三遍进行加工，如果第一遍慢走丝加工满足喉道(4)的0.15±0.01mm尺寸，就不需要第三遍的慢走丝加工，否则采用第三遍慢走丝进行修整。

9.一种权利要求1所述叶片的应用，其特征在于：

所述叶片应用于引射器中，从条状体横截面的长轴端点到椭圆圆心的方向与引射器气流方向相同；沿条状体横截面的椭圆短轴方向，叶片采用阵列方式间隔排布。