CN109519969B - 一种冷却孔、发动机燃烧室及冷却孔加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种冷却孔、发动机燃烧室及冷却孔加工方法。本发明提供的冷却孔，包括位于内壁面和外壁面之间的进口段、扩张转接段、扩张段和类圆柱段，其中类圆柱段扩大了发散壁上冷却通道的出口面积，从而提高了冷却孔的冷却效果。此外，扩张转接段、扩张段和类圆柱段由圆形截面在进口段的中心线方向(即孔轴方向)平移形成，使得冷却孔被激光加工时，激光的入射角度可以保持不变，从而能够显著提高激光加工的加工效率。本发明提供的发动机燃烧室，包括上述冷却孔，从而具有加工过程简单、加工效率高并且冷却效果好的优点。本发明提供的冷却孔加工方法，在加工复杂结构的冷却孔的过程中，激光的入射角度可以保持不变。

Description

一种冷却孔、发动机燃烧室及冷却孔加工方法

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，具体涉及一种冷却孔、发动机燃烧室及冷却孔加工方法。

背景技术

航空发动机燃烧室为整个发动机中工作温度最高、压力最大的部件，其工作温度高达2000K甚至更高，对于现役高温合金材料来说，无法在该恶劣条件下长时间工作，因此必须通过冷却手段对燃烧室火焰筒进行冷却，以防止高温燃气破坏金属材料，同时提高燃烧室的可靠性及寿命。目前航空发动机燃烧室火焰筒的基本冷却方式有以下几种：发汗冷却、层板、瓦块结构、冲击/气膜冷却、冲击/发散冷却、发散冷却及气膜/发散冷却等。现代新型航空发动机对于排放及效率提出了更加苛刻的要求，这就需要用最少的空气量来冷却温度更高的火焰筒使其可靠性和耐久性达到技术性能指标，同时又要兼顾形式简单，加工方便以提高经济性。

图1A示出了常规的冲击/发散冷却的过程。常规的冲击发散冷却结构中，火焰筒的壁面结构200包括冲击壁100和发散壁101，冲击壁100上开设有冲击孔100a，发散壁上开设有冷却孔101a。冲击孔100a为圆柱孔，冷却孔101a为斜圆柱孔。冷气流动的一侧为火焰筒的壁面结构200的外侧，热气流动的一侧为火焰筒的壁面结构200的内侧。冷却孔101a贯通发散壁101，壁面结构200外侧的冷气从冲击孔100a穿过冲击壁100，再从冷却孔101a穿过发散壁101，到达壁面结构200外侧的内侧，实现对内侧的冷却降温过程。

由于冷却孔101a的出口面积较小，所以在气膜冷却流场中容易形成肾形涡对，从而导致高温气流从两侧卷入冷气射流底部，使得冷气与发散壁101的内壁面发生吹离，大大降低了冷却效果。为解决这个问题，现有技术中采用扩孔的形式来增大冷却孔101a的出口截面积来降低射流的动量，从而达到削弱肾形涡对的目的，但是该扩孔的形式仍然属于一种被动优化流场结构的形式，并未做到主动产生有利于冷却的流场结构。

近些年来，在冷却孔结构研究领域出现了多种主动优化冷却流场结构的冷却孔型，如双射流孔，三脚架孔等等，这些孔型都是利用两个或多个圆柱孔组合而成的孔型，对加工制造提出了巨大的挑战。由于火焰筒本身存在一定的倾角，对于这种采用多个圆柱孔复合而成的孔型来说，造成了壁面加工空间不足或激光加工光路干涉等问题，从而对冷却孔倾角造成了极大的限制。

本领域需要一种加工过程简单、加工效率高的燃烧室火焰筒的冷却孔、发动机燃烧室及冷却孔加工方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种冷却孔，所述冷却孔具有加工过程简单、加工效率高并且冷却效果好的优点。

本发明的目的还在于提供一种发动机燃烧室，所述发动机燃烧室的火焰筒的发散壁包括上述冷却孔，从而具有加工过程简单、加工效率高并且冷却效果好的优点。

本发明的目的还在于提供一种冷却孔加工方法，用于加工上述冷却孔，具有加工过程简单、加工效率高的优点。

为实现所述目的冷却孔，用于贯穿火焰筒的壁面结构的发散壁，以形成冷气通道；所述发散壁包括内壁面和外壁面，其特征在于，所述冷却孔包括位于所述内壁面和所述外壁面之间的进口段、扩张转接段、扩张段和类圆柱段；

所述进口段的入口形成在所述外壁面上，所述进口段的出口具有形状为圆形的第一出口截面，所述第一出口截面垂直于所述进口段的中心线并且所述第一出口截面的圆心位于所述进口段的中心线上；所述第一出口截面位于所述内壁面和所述外壁面之间；所述进口段的入口为所述冷气通道的入口；

所述第一出口截面沿通过所述圆心的多条第一路径线朝向所述内壁面平移，扫过的空间互相叠加，形成所述扩张转接段；所述扩张转接段具有第二出口截面，所述第二出口截面包括多个大小等于所述第一出口截面且与方向所述进口段的中心线垂直的圆平面；

所述圆平面沿通过所述圆平面的圆心的多条第二路径线朝向所述内壁面平移并穿过所述内壁面，扫过的空间中位于所述内壁面和所述第二出口截面之间的部分互相叠加，形成所述扩张段；并且

所述圆平面沿通过所述圆平面的圆心的第三路径线朝向所述内壁面平移并穿过所述内壁面，扫过的空间中位于所述内壁面和所述第二出口截面之间的部分与所述扩张段相互叠加，形成所述类圆柱段；

所述扩张段和所述类圆柱段的出口在所述内壁面上部分重叠，从而形成所述冷气通道的出口。

所述的冷却孔，其进一步的特点是，所述第一路径线为直线或者曲线，和/或所述第二路径线为直线或者曲线，和/或所述第三路径线为直线或者曲线。

所述的冷却孔，其进一步的特点是，多条所述第一路径线、多条所述第二路径线和所述进口段的中心线全部位于一个共有平面上。

所述的冷却孔，其进一步的特点是，所述第一路径线和所述第二路径线均为直线，且所述第一路径线和所述第二路径线共线。

所述的冷却孔，其进一步的特点是，在多条所述第一路径线中，夹角最大的两条所述第一路径线的夹角为第一扩张角，所述第一扩张角的大小在10°至30°之间。

所述的冷却孔，其进一步的特点是，所述第三路径线为直线；所述第三路径线与所述共有平面具有夹角，所述夹角的大小被设置成使在所述内壁面上的所述类圆柱段的出口的中心位于所述扩张段的出口以内。

所述的冷却孔，其进一步的特点是，多条所述第三路径线在所述共有平面上具有垂直方向上的多条投影，在多条所述投影中，夹角最大的两条所述投影的夹角为第二扩张角，所述第二扩张角大于所述第一扩张角。

所述的冷却孔，其进一步的特点是，所述进口段的形状为锥体，所述第一出口截面为所述锥体的底面。

为实现所述目的发动机燃烧室，包括火焰筒，所述火焰筒的壁面结构包括冲击壁和发散壁，所述发动机燃烧室还包括如上所述的冷却孔，所述冷却孔贯穿所述发散壁，以形成冷气通道。

为实现所述目的冷却孔加工方法，使用激光光束照射在发散壁上，所述激光光束具有照射截面，所述照射截面是由所述激光光束被所述发散壁阻挡而被限定的光束截面；所述照射截面用于加热气化阻挡所述激光光束的所述发散壁，所述冷却孔加工方法包括：

a.冷却孔建模：在所述发散壁上确定进口段的中心线和第一出口截面，以及第一路径线、第二路径线和第三路径线；

b.设置激光光束：将所述激光光束的中心线设置成与所述进口段的中心线共线，并且将所述激光光束的直径设置成与所述第一出口截面的直径相同；

c.烧蚀进口段：使所述激光光束照射所述发散壁的内壁面，以形成所述照射截面；所述照射截面朝所述发散壁内部移动，从而使所述激光光束从所述照射截面沿所述进口段的中心线穿透所述发散壁，以形成所述进口段；

d.平移激光光束至第二路径线：平移所述激光光束，并设置所述激光光束的中心线与所述进口段的中心线平行，并且设置以使所述照射截面的初始位置的中心位于一条第二路径线上；

e.沿该条第二路径线进行激光烧蚀：使所述激光光束照射所述发散壁的内壁面；随着所述照射截面朝所述发散壁的内部移动，所述照射截面的中心会偏离该条第二路径线；

在照射一个脉冲后，再次平移所述激光光束，以使所述照射截面的中心重新回到该条第二路径线上，然后继续照射一个脉冲，直到形成该条第二路径线对应的扩张段的部分；

f.形成扩张段：多次重复步骤e，直到沿每一条所述第二路径线对应的所述扩张段的各个部分被烧蚀成形；

g.平移激光光束至第一路径线：平移所述激光光束，并设置所述激光光束的中心线与所述进口段的中心线平行，并且设置以使所述照射截面的初始位置的中心位于一条第一路径线上；

h.沿该条第一路径线进行激光烧蚀：使所述激光光束照射所述发散壁；随着所述照射截面朝所述发散壁的内部移动，所述照射截面的中心会偏离该条第一路径线；

在照射一个脉冲后，再次平移所述激光光束，以使所述照射截面的中心重新回到该条第一路径线上，然后继续照射一个脉冲，直到形成该条第一路径线对应的扩张转接段的部分；

i.形成扩张转接段：多次重复步骤h，直到沿每一条所述第一路径线对应的所述扩张转接段的各个部分被烧蚀成形；

j.平移激光光束至第三路径线：平移所述激光光束，并设置所述激光光束的中心线与所述进口段的中心线平行，并且设置以使所述照射截面的初始位置的中心位于一条第三路径线上；

k.形成类圆柱段：使所述激光光束照射所述发散壁的内壁面；随着所述照射截面朝所述发散壁的内部移动，所述照射截面的中心会偏离该条第三路径线；

在照射一个脉冲后，再次平移所述激光光束，以使所述照射截面的中心重新回到该条第三路径线上，然后继续照射一个脉冲，直到形成该条第一路径线对应的所述类圆柱段。

所述的冷却孔加工方法，其进一步的特点是，所述第三路径线的数量为多条，每条所述第三路径线均对应一个所述类圆柱段；重复步骤k，以形成多个所述类圆柱段。

所述的冷却孔加工方法，其进一步的特点是，所述第一路径线和所述第二路径线连接，所述激光光束沿所述第二路径线进行激光烧蚀后，继续沿所述第一路径线进行激光烧蚀。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供的冷却孔，包括位于内壁面和外壁面之间的进口段、扩张转接段、扩张段和类圆柱段，其中类圆柱段扩大了发散壁上冷却通道的出口面积，从而提高了冷却孔的冷却效果。此外，扩张转接段、扩张段和类圆柱段由进口段的圆形的第一出口截面在保持与进口段的中心线(即孔轴)垂直的情况下，沿路径线平移形成，使得冷却孔被激光加工时，激光的入射角度可以保持不变，始终与孔轴平行，从而能够显著提高激光加工的加工效率。本发明提供的发动机燃烧室，包括上述冷却孔，从而具有加工过程简单、加工效率高并且冷却效果好的优点。本发明提供的冷却孔加工方法，在加工复杂结构的冷却孔的过程中，激光的入射角度可以保持不变，从而具有较高的加工效率。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1A为常规的冲击/发散冷却结构的示意图；

图1B为本发明中发散壁的示意图；

图2A为本发明中冷却孔示意图；

图2B为本发明中冷却孔的俯视图；

图2C为本发明一个实施例中第二出口截面的示意图；

图2D为本发明另一个实施例中第二出口截面的示意图；

图2E为本发明中冷气通道出口的示意图；

图3为本发明中冷却孔侧面的剖视图；

图4为本发明中类圆柱段的示意图；

图5A为本发明中平移结构的示意图；

图5B为图5A中B-B截面的示意图；

图5C为常规的圆柱形结构的示意图；

图5D为图5C中C-C截面的示意图；

图6A为本发明中烧蚀进口段的示意图；

图6B为本发明中平移激光光束至第二路径线的示意图；

图6C为本发明中激光光束沿第二路径线进行激光烧蚀一个脉冲的示意图；

图6D为本发明中平移激光光束后照射截面的中心重新回到第二路径线的示意图；

图6E为本发明中照射截面的中心重新回到第二路径线后继续烧蚀一个脉冲的示意图；

图6F为本发明中平移激光光束后照射截面的中心再次回到第二路径线的示意图；

图6G为本发明中一条第二路径线对应的扩张段的部分被烧蚀完成的示意图；

图6H为本发明中激光光束沿第一路径线进行激光烧蚀一个脉冲的示意图；

图6I为本发明中平移激光光束后照射截面的中心再次回到第一路径线的示意图；

图6J为本发明中一条第一路径线对应的扩张转接段的部分被烧蚀完成的示意图；

图6K为本发明中多条第二路径线和多条第一路径线对应的冷却孔部分被烧蚀完成的示意图；

图6L为本发明中阶梯状的孔内壁融化变平的示意图；

图7为本发明中扩张段和扩张转接段烧蚀过程的示意图；

图8为本发明中多条第三路径线的示意图；

图9为本发明中类圆柱段烧蚀过程的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

需要注意的是，图1至图9均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

如图1A所示，常规的冲击发散冷却结构中，火焰筒的壁面结构200包括冲击壁100和发散壁101，冲击壁100上开设有冲击孔100a，发散壁上开设有冷却孔101a。冲击孔100a为圆柱孔，冷却孔101a为斜圆柱孔。冷气流动的一侧为火焰筒的壁面结构200的外侧，热气流动的一侧为火焰筒的壁面结构200的内侧。冷却孔101a贯通发散壁101，壁面结构200外侧的冷气从冲击孔100a穿过冲击壁100，再从冷却孔101a穿过发散壁101，到达壁面结构200外侧的内侧，实现对内侧的冷却降温过程。

由于冷却孔101a的出口面积较小，所以在气膜冷却流场中容易形成肾形涡对，从而导致高温气流从两侧卷入冷气射流底部，使得冷气与发散壁101的内壁面发生吹离，大大降低了冷却效果。该扩孔的形式属于一种被动优化流场结构的形式，并未做到主动产生有利于冷却的流场结构。

主动优化冷却流场结构的冷却孔型，如双射流孔，三脚架孔等等，这些孔型都是利用两个或多个圆柱孔组合而成的孔型，难于加工。

本发明在以下实施例的基础上提供一种具有加工过程简单、加工效率高并且冷却效果好的优点的冷却孔、发动机燃烧室及冷却孔加工方法。

本发明的实施例提供的发动机燃烧室，包括火焰筒，火焰筒的壁面结构包括冲击壁(未显示在图1B中)和发散壁301，发散壁301如图1B所示，冲击壁可参考图1A中的冲击壁100的结构。

继续参考图1B，发动机燃烧室还包括冷却孔301a，冷却孔301a贯穿发散壁301，以形成冷气通道。冷气7从冷却孔301a中穿过，从外壁面6b流动至内壁面6a，从而能够在内壁面6a上形成气膜，实现制冷的效果。

参考图2A、2B，冷却孔301a包括位于内壁面6a和外壁面6b之间的进口段1、扩张转接段2、扩张段3和类圆柱段4，其中进口段1的中心线A-A也是冷却孔301a的中心线，进口段1的中心线A-A与发散壁301的夹角γ显示在图1B中也称为射流角，其大小根据设计要求而定。

进口段1的孔型可以设计为锥体形，其目的是解决激光加工大深径比冷却孔时圆柱段圆柱度无法保证的问题。进口段1的孔型还可以是圆柱形，圆柱形的设计易于加工。锥体形的进口段1的锥体的底面为进口段1的第一出口截面13。进口段1的入口形成在外壁面6b上，进口段1的出口具有形状为圆形的第一出口截面13，也就是上述圆柱形或者锥体形的底面。第一出口截面13垂直于进口段1的中心线A-A并且第一出口截面13的圆心C1位于进口段1的中心线A-A上；第一出口截面13位于内壁面6a和外壁面6b之间；进口段1的入口为冷气通道的入口。

在本发明的一个实施例中，扩张转接段2、扩张段3和类圆柱段4通过平移第一出口截面13的方法来限定。平移第一出口截面13的意思是指在移动的过程中，后一时刻的第一出口截面13始终与前一时刻的第一出口截面13保持平行。

具体地，如图2A所示，第一出口截面13沿通过圆心C1的多条第一路径线21朝向内壁面6a平移，扫过的空间互相叠加，形成扩张转接段2；扩张转接段2具有第二出口截面5，第二出口截面5包括多个大小等于第一出口截面13且与方向进口段1的中心线A-A垂直的圆平面10、11、12；第二出口截面5位于内壁面6a和外壁面6b之间。图2A中只画出了一条第一路径线21，实际上，为了保证冷却孔301a的扩张度，第一路径线21的数量为多条，并且多条第一路径线21的起点均为第一出口截面13的中心。多条第一路径线21的长度并不相同，以使沿不同方向延伸的第一路径线21的终点能够位于形状为平面的第二出口截面5上。第一路径线21可以是直线，也可以是曲线，具体根据实际情况来确定，第一路径线21的数量也不做限制。在本发明的一个实施例中，第一路径线21的数量为三条。

继续参考图2A，圆平面10、11、12沿通过圆平面10、11、12的圆心C2、C3、C4的多条第二路径线22朝向内壁面6a平移并穿过内壁面6a，扫过的空间中位于内壁面6a和第二出口截面5之间的部分互相叠加，形成扩张段3；

第二路径线22可以是直线，也可以是曲线，具体根据实际情况来确定，第二路径线22的数量也不做限制。在本发明的一个实施例中，第一路径线21的数量为三条。

图2C、2D显示了两个实施例中的两个不同的第二出口截面5。在图2C中，多条第一路径线21(与纸面相交)位于同一个平面上，形成跑道形的第二出口截面5。在图2D中，多条第一路径线21(与纸面相交)没有位于同一个平面上。圆平面10、11、12的数量可以不止三个，圆平面的数量越多，第二出口截面5越接近跑道形。

可选地，多条第一路径线21、多条第二路径线22和进口段1的中心线A-A全部位于一个共有平面上。可选地，第一路径线21和第二路径线22均为直线，且第一路径线21和第二路径线22共线。参考图2B，在多条第一路径线21中，夹角最大的两条第一路径线21的夹角为第一扩张角α，第一扩张角α的大小在10°至30°之间。如图3所示，扩张段3与扩张转接段2长度总和为L₀，其长度取决于第一扩张角α与图4所示扩张段出口宽度E₁。扩张段3出口宽度E₁一般取值范围在1.5d-7d(d为第一出口截面13的直径，显示在图2B中)之间，扩张段3的长度L₃一般取值范围在0.5L₀至L₀之间。

圆平面10、11、12沿通过圆平面10、11、12的圆心C2、C3、C4的第三路径线23朝向内壁面6a平移并穿过内壁面6a，扫过的空间中位于内壁面6a和第二出口截面5之间的部分与扩张段3相互叠加，形成类圆柱段4。

第三路径线23可以是直线，也可以是曲线，具体根据实际情况来确定，第三路径线23的数量也不做限制，可以为一条。在本发明的一个实施例中，第一路径线21的数量为三条。参考图2B，多条第三路径线23在共有平面上具有垂直方向上的多条投影，在多条投影中，夹角最大的两条投影的夹角为第二扩张角δ，第二扩张角δ大于第一扩张角α。

如图3所示，第三路径线23为直线；第三路径线23与多条第一路径线21、多条第二路径线22和进口段1的中心线A-A的共有平面具有夹角β，夹角的大小被设置成使在内壁面6a上的类圆柱段4的第一出口截面的中心位于扩张段3的出口以内，从而扩张段3和类圆柱段4部分重叠，以使得扩张段3和类圆柱段4的出口在内壁面6a上部分重叠，从而形成冷气通道的出口。图2E显示了内壁面6a上冷气通道的出口的形状。

对于不同的第三路径线23，夹角β的大小并不相同，如图4所示，位于两侧的类圆柱段4b与该共有平面的夹角β大于位于中部的类圆柱段4a与该共有平面的夹角β。夹角β也叫做下摆角，夹角β一般取值范围以保证类圆柱段4、5第一出口截面的圆心在扩张段3第一出口截面以内为准。第二扩张角δ一般取值范围由图4中类圆柱段间距E₂决定，E₂一般取值范围在E₁至E₁+d之间。

图5A、5B、5C、5D示出了本发明中的平移结构与常规的圆柱结构的区别。使本发明中的平移结构与常规的圆柱结构的中心线与进口段1的中心线A-A，即冷却孔301a的中心线成相同夹角，再用垂直于中心线A-A的截面去截本发明中的平移结构与常规的圆柱结构，会发现本发明中的平移结构的截面B-B为圆形，常规的圆柱结构的截面C-C为椭圆形。因此，如果冷却孔301a采用常规的圆柱结构，那么在用激光光束加工时，对于不同方向的圆柱结构，需要使激光光束得中心线与中心线A-A成不同角度，这就需要对激光光束的入射角度进行调整，造成加工效率下降。本发明中的平移结构，在使用激光加工时，即使对于不同方向的平移结构，激光光束的中心线可以始终保持与中心线A-A平行，不需要进行入射角度的调整，从而具体较高效率。

本发明的冷却孔加工过程如图6A至6L、7、8、9所示，使用激光光束400照射在发散壁301上，激光光束400具有照射截面9，照射截面9是由激光光束400被发散壁301阻挡而被限定的光束截面；照射截面用于加热气化阻挡激光光束400的发散壁301。照射截面9由激光光束400被发散壁301阻挡而被限定，具体是指当激光光束400照射到发散壁301上时，会在发散壁301的表面形成光斑区域，在这个光斑区域上，发散壁301发生气化，该光斑区域所在的平面将激光光束400截断，形成圆形截面(当激光光束垂直于发散壁入射时)或者椭圆形截面(当激光光束不垂直于发散壁入射时)，该圆形截面或者椭圆形截面即为照射截面9。由于发散壁301发生气化，照射截面9在孔的加工过程中逐步深入发散壁301的内部。光斑区域的形状与发散壁301的表面状况相关，当发散壁301的表面为完好的平面时，光斑区域的形状与照射截面9的形状相同。当发散壁301的表面有缺失时，例如沿两条路径线上的第一出口截面13或者圆平面扫过的空间有重合时，在激光光束400沿其中的第二条进行照射时(第一条已被照射)，光斑区域的面积就会小于照射截面9的面积。

冷却孔加工的具体步骤如下：

a.冷却孔建模：在发散壁301上确定进口段1的中心线A-A和第一出口截面13，以及第一路径线21、第二路径线22和第三路径线23。这一步骤可通过计算机建模来辅助完成，例如可以引入空间坐标来确定上述各个量的大小。在建模过程中，第一路径线21、第二路径线22和第三路径线23的形状、长度和数量可根据需要来设置。第一出口截面13的位置和大小也可根据需要来设置。经过这一步骤后，冷却孔301a整体的形状及位置就被在发散壁301上确定下来。第二出口截面5也随之被确定。

b.设置激光光束：将激光光束400的中心线D-D设置成与进口段1的中心线A-A共线，并且将激光光束400的直径设置成与第一出口截面13的直径相同。这一步骤可通过调节激光器的参数来实现。

c.烧蚀进口段：使激光光束400照射在发散壁301的内壁面6a，以形成照射截面9；照射截面9朝发散壁301内部移动，从而使激光光束400从照射截面9沿进口段1的中心线A-A穿透发散壁301，以形成进口段1。如图6A所示，使激光光束400从内壁面6a烧蚀至第一出口截面13。之后，可以保持相同的激光光束400继续烧蚀过程，形成圆柱形的进口段1；也可以采用多脉冲叠加的方式来照射激光光束400，来形成锥体形状的进口段1，如图6A所示。多脉冲叠加的方式是指，随着烧蚀过程的进行，按照照射脉冲逐渐减小激光光束400的横截面积，后一个脉冲内的激光光束400的直径小于前一个脉冲内的激光光束400的直径；

d.平移激光光束至第二路径线：如图6B所示，平移激光光束400，并设置激光光束400的中心线D-D与进口段1的中心线A-A平行，并且设置以使照射截面9的初始位置的中心位于一条第二路径线22上；平移激光光束400的方式可以是调整发散壁301以改变发散壁301和激光器之间的相对位置，也可以是调整激光器的光路以改变激光器的射出光束与发散壁301之间的相对位置。为加工过程方便，可优先将激光光束400平移至靠近扩张段3开口边缘处的第二路径线22的终点；

e.沿该条第二路径线进行激光烧蚀：使激光光束400照射发散壁301的内壁面6a；随着照射截面9朝发散壁301的内部移动，照射截面9的中心会偏离该条第二路径线22；

在照射一个脉冲后，再次平移激光光束400，以使照射截面9的中心重新回到该条第二路径线22上，然后继续照射一个脉冲，直到形成该条第二路径线22对应的扩张段3的部分。这一过程参考图6C、6D。如图6C所示，在照射一个脉冲后，照射截面9向发散壁301内移动。移动后，照射截面9的中心却偏离了第二路径线22。因此，如图6D所示，需要对激光光束400的位置进行修正，修正的方式就是平移激光光束400，以使照射截面9的中心重新回到第二路径线22上。

f.形成扩张段：如图6E、6F、6G、6K所示，多次重复步骤e，直到沿每一条第二路径线22a、22b对应的扩张段3的各个部分被烧蚀成形。此时，扩张段3的孔型从微观层面观察为阶梯状，但由于激光打孔所产生的热影响区会融化金属表面从而使阶梯形状消失，如图6L所示，形成光滑内表面。这样的加工方式比短脉冲研磨方法在效率上得到了极大的提高，具有极高的工程实际应用价值。当脉冲的数量足够多，单一脉冲的激光光束400的照射下，照射截面9朝发散壁301的内部移动的距离足够小时，冷却孔301a的成型过程也会越精确。在理解这一过程时，可参考微积分的原理。

g.平移激光光束至第一路径线：如图6G所示，平移激光光束400，并设置激光光束400的中心线D-D与进口段1的中心线A-A平行，并且设置以使照射截面9的初始位置的中心位于一条第一路径线21上；

h.沿该条第一路径线进行激光烧蚀：如图6H所示，使激光光束400照射发散壁301；随着照射截面9朝发散壁301的内部移动，照射截面9的中心会偏离该条第一路径线21；

如图6I所示，在照射一个脉冲后，再次平移激光光束400，以使照射截面9的中心重新回到该条第一路径线21上，然后继续照射一个脉冲，直到形成该条第一路径线21对应的扩张转接段2的部分；

i.形成扩张转接段：如图6J、6K所示，多次重复步骤h，直到沿每一条第一路径线21a、21b对应的扩张转接段2的各个部分被烧蚀成形；

j.平移激光光束至第三路径线：平移激光光束400，并设置激光光束400的中心线D-D与进口段1的中心线A-A平行，并且设置以使照射截面9的初始位置的中心位于一条第三路径线23上；

k.形成类圆柱段：使激光光束400照射发散壁301的内壁面6a；随着照射截面9朝发散壁301的内部移动，照射截面9的中心会偏离该条第三路径线23；

如图7、8、9所示，在照射一个脉冲后，再次平移激光光束400，以使照射截面9的中心重新回到该条第三路径线23上，然后继续照射一个脉冲，直到形成该条第一路径线23对应的类圆柱段4。

继续参考图2A、6J，在该实施例中，第一路径线21和第二路径线22连接，激光光束400沿第二路径线22进行激光烧蚀后，可以继续沿第一路径线21进行激光烧蚀。

继续参考图8，在该实施例中，第三路径线23的数量为三条，包括第三路径线23a、23b、23c。如图2A所示，第三路径线23与第一路径线21连接。激光光束400沿第三路径线23进行激光烧蚀后，可以继续沿第一路径线21进行激光烧蚀。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种冷却孔，用于贯穿火焰筒的壁面结构的发散壁(301)，以形成冷气通道；所述发散壁(301)包括内壁面(6a)和外壁面(6b)，其特征在于，所述冷却孔(301a)包括位于所述内壁面(6a)和所述外壁面(6b)之间的进口段(1)、扩张转接段(2)、扩张段(3)和类圆柱段(4)；

所述进口段(1)的入口形成在所述外壁面(6b)上，所述进口段(1)的出口具有形状为圆形的第一出口截面(13)，所述第一出口截面(13)垂直于所述进口段(1)的中心线(A-A)并且所述第一出口截面(13)的圆心(C1)位于所述进口段(1)的中心线(A-A)上；所述第一出口截面(13)位于所述内壁面(6a)和所述外壁面(6b)之间；所述进口段(1)的入口为所述冷气通道的入口；

所述第一出口截面(13)沿通过所述圆心(C1)的多条第一路径线(21)朝向所述内壁面(6a)平移，扫过的空间互相叠加，形成所述扩张转接段(2)；所述扩张转接段(2)具有第二出口截面(5)，所述第二出口截面(5)包括多个大小等于所述第一出口截面(13)且与方向所述进口段(1)的中心线(A-A)垂直的圆平面(10、11、12)；

所述圆平面(10、11、12)沿通过所述圆平面(10、11、12)的圆心(C2、C3、C4)的多条第二路径线(22)朝向所述内壁面(6a)平移并穿过所述内壁面(6a)，扫过的空间中位于所述内壁面(6a)和所述第二出口截面(5)之间的部分互相叠加，形成所述扩张段(3)；并且

所述圆平面(10、11、12)沿通过所述圆平面(10、11、12)的圆心(C2、C3、C4)的第三路径线(23)朝向所述内壁面(6a)平移并穿过所述内壁面(6a)，扫过的空间中位于所述内壁面(6a)和所述第二出口截面(5)之间的部分与所述扩张段(3)相互叠加，形成所述类圆柱段(4)；

所述扩张段(3)和所述类圆柱段(4)的出口在所述内壁面(6a)上部分重叠，从而形成所述冷气通道的出口。

2.如权利要求1所述的冷却孔，其特征在于，所述第一路径线(21)为直线或者曲线，和/或所述第二路径线(22)为直线或者曲线，和/或所述第三路径线(23)为直线或者曲线。

3.如权利要求1所述的冷却孔，其特征在于，多条所述第一路径线(21)、多条所述第二路径线(22)和所述进口段(1)的中心线(A-A)全部位于一个共有平面上。

4.如权利要求3所述的冷却孔，其特征在于，所述第一路径线(21)和所述第二路径线(22)均为直线，且所述第一路径线(21)和所述第二路径线(22)共线。

5.如权利要求4所述的冷却孔，其特征在于，在多条所述第一路径线(21)中，夹角最大的两条所述第一路径线(21)的夹角为第一扩张角(α)，所述第一扩张角(α)的大小在10°至30°之间。

6.如权利要求5所述的冷却孔，其特征在于，所述第三路径线(23)为直线；所述第三路径线(23)与所述共有平面具有夹角，所述夹角的大小被设置成使在所述内壁面(6a)上的所述类圆柱段(4)的出口的中心位于所述扩张段(3)的出口以内。

7.如权利要求6所述的冷却孔，其特征在于，多条所述第三路径线(23)在所述共有平面上具有垂直方向上的多条投影，在多条所述投影中，夹角最大的两条所述投影的夹角为第二扩张角(δ)，所述第二扩张角(δ)大于所述第一扩张角(α)。

8.如权利要求1所述的冷却孔，其特征在于，所述进口段(1)的形状为锥体，所述第一出口截面(13)为所述锥体的底面。

9.一种发动机燃烧室，包括火焰筒，所述火焰筒的壁面结构包括冲击壁和发散壁(301)，其特征在于，所述发动机燃烧室还包括如权利要求1至7中任意一项权利要求所述的冷却孔(301a)，所述冷却孔(301a)贯穿所述发散壁(301)，以形成冷气通道。

10.一种冷却孔加工方法，使用激光光束(400)照射在发散壁(301)上，所述激光光束(400)具有照射截面(9)，所述照射截面(9)是由所述激光光束(400)被所述发散壁(301)阻挡而被限定的光束截面；所述照射截面(9)用于加热气化阻挡所述激光光束(400)的所述发散壁(301)，

其特征在于，所述冷却孔加工方法包括：

a.冷却孔建模：在所述发散壁(301)上确定进口段(1)的中心线(A-A)和第一出口截面(13)，以及第一路径线(21)、第二路径线(22)和第三路径线(23)；

b.设置激光光束：将所述激光光束(400)的中心线(D-D)设置成与所述进口段(1)的中心线(A-A)共线，并且将所述激光光束(400)的直径设置成与所述第一出口截面(13)的直径相同；

c.烧蚀进口段：使所述激光光束(400)照射所述发散壁(301)的内壁面(6a)，以形成所述照射截面(9)；所述照射截面(9)朝所述发散壁(301)内部移动，从而使所述激光光束(400)从所述照射截面(9)沿所述进口段(1)的中心线(A-A)穿透所述发散壁(301)，以形成所述进口段(1)；

d.平移激光光束至第二路径线：平移所述激光光束(400)，并设置所述激光光束(400)的中心线(D-D)与所述进口段(1)的中心线(A-A)平行，并且设置以使所述照射截面(9)的初始位置的中心位于一条第二路径线(22)上；

e.沿该条第二路径线进行激光烧蚀：使所述激光光束(400)照射所述发散壁(301)的内壁面(6a)；随着所述照射截面(9)朝所述发散壁(301)的内部移动，所述照射截面(9)的中心会偏离该条第二路径线(22)；

在照射一个脉冲后，再次平移所述激光光束(400)，以使所述照射截面(9)的中心重新回到该条第二路径线(22)上，然后继续照射一个脉冲，直到形成该条第二路径线(22)对应的扩张段(3)的部分；

f.形成扩张段：多次重复步骤e，直到沿每一条所述第二路径线(22)对应的所述扩张段(3)的各个部分被烧蚀成形；

g.平移激光光束至第一路径线：平移所述激光光束(400)，并设置所述激光光束(400)的中心线(D-D)与所述进口段(1)的中心线(A-A)平行，并且设置以使所述照射截面(9)的初始位置的中心位于一条第一路径线(21)上；

h.沿该条第一路径线进行激光烧蚀：使所述激光光束(400)照射所述发散壁(301)；随着所述照射截面(9)朝所述发散壁(301)的内部移动，所述照射截面(9)的中心会偏离该条第一路径线(21)；

在照射一个脉冲后，再次平移所述激光光束(400)，以使所述照射截面(9)的中心重新回到该条第一路径线(21)上，然后继续照射一个脉冲，直到形成该条第一路径线(21)对应的扩张转接段(2)的部分；

i.形成扩张转接段：多次重复步骤h，直到沿每一条所述第一路径线(21)对应的所述扩张转接段(2)的各个部分被烧蚀成形；

j.平移激光光束至第三路径线：平移所述激光光束(400)，并设置所述激光光束(400)的中心线(D-D)与所述进口段(1)的中心线(A-A)平行，并且设置以使所述照射截面(9)的初始位置的中心位于一条第三路径线(23)上；

k.形成类圆柱段：使所述激光光束(400)照射所述发散壁(301)的内壁面(6a)；随着所述照射截面(9)朝所述发散壁(301)的内部移动，所述照射截面(9)的中心会偏离该条第三路径线(23)；

在照射一个脉冲后，再次平移所述激光光束(400)，以使所述照射截面(9)的中心重新回到该条第三路径线(23)上，然后继续照射一个脉冲，直到形成该条第一路径线(23)对应的所述类圆柱段(4)。

11.如权利要求10所述的冷却孔加工方法，其特征在于，所述第三路径线(23)的数量为多条，每条所述第三路径线(23)均对应一个所述类圆柱段(4)；重复步骤k，以形成多个所述类圆柱段(4)。

12.如权利要求10所述的冷却孔加工方法，其特征在于，所述第一路径线(21)和所述第二路径线(22)连接，所述激光光束(400)沿所述第二路径线(22)进行激光烧蚀后，继续沿所述第一路径线(21)进行激光烧蚀。

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