CN112427794A - 全真空电子束焊组合式直流互击头部结构及焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种全真空电子束焊组合式直流互击头部结构及焊接方法,包括法兰壳体、喷注器芯体以及盖板,所述法兰壳体的一端通过全真空电子束焊焊接的方式连接所述盖板用以将通过所述法兰壳体的第一推进剂与外部隔开,所述法兰壳体的另一端通过全真空电子束焊焊接的方式与喷注器芯体的上端、下端连接分别用以将所述第一推进剂和第二推进剂隔开、第二推进剂与外部隔开。当第一推进剂为可燃剂时,第二推进剂为助燃剂;当第一推进剂为助燃剂时,第二推进剂为可燃剂,本发明采用真空电子束焊工艺取代复杂的钎焊工艺焊接组合式直流互击头部结构,有效解决了因钎焊引起的头部结构泄漏和变形导致的风险,提高了发动机生产的合格率和产品的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及液体火箭发动机领域,具体地,涉及一种全真空电子束焊组合式直流互击头部结构及焊接方法,尤其涉及一种采用全真空电子束焊焊接的双元姿轨控发动机组合式直流互击头部结构及焊接方法。
背景技术
双元空间姿轨控发动机是为导弹、火箭及航天器的姿态控制和轨道转移提供控制力的动力装置,具有高比冲、快响应、可多次启动和冲量控制精度高等优势。双元空间姿轨控发动机主要由推力室和控制阀组成,推力室则由喷注器头部和喷管身部组成。喷注器头部结构用于实现推进剂的流量分配、雾化、混合和燃烧,是发动机高性能和可靠工作的关键部件。
基于直流互击式喷注器头部具有结构简单、适应性强等优点,被广泛地应用于不同型号的双元姿轨控发动机中。直流互击式喷注器头部主要由法兰壳体、喷注器芯体、流量分配板或盖板等零件组合而成,零件之间通常采用常规钎焊或扩散钎焊连接。然而,钎焊焊接需要在对接零件之间填充额外的钎焊料,零件对接面加工的平面度和装配间隙的精度要求高,装配及焊接工艺难度和复杂性高。此外,实际发动机生产过程中发现,钎焊容易造成头部焊接泄漏和变形,难以达到气密性和推力轴线精度要求,导致产品合格率降低,同时推进剂燃料和氧化剂还存在互相串腔引起爆炸的风险,但是现有技术中没有可靠的方案解决现有技术的不足,技术人员也一直研发和摸索试验中,但仍未得到有效的研究成果。因此,需要通过优化设计头部结构,设计一种能够提高头部产品合格率和可靠性的结构,以解决以上缺陷。
专利文献CN110242439A公开了一种基于层板扩散焊的发动机喷注器、制造方法以及发动机,其中喷注器包括层板(11);Nm个所述层板(11)分别设置有设定的层板流道结构单元;Nm个所述层板(11)依次通过扩散焊相互连接;Nm个所述层板流道结构单元按照设定的方式相互连接形成喷注器流道;其中Nm为大于1的整数,但该设计采用扩散焊容易造成头部焊接泄漏和变形。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明的目的是提供一种全真空电子束焊组合式直流互击头部结构及焊接方法。
根据本发明提供的一种全真空电子束焊组合式直流互击头部结构,包括法兰壳体、喷注器芯体以及盖板;
所述法兰壳体的一端通过全真空电子束焊焊接的方式连接所述盖板用以将通过所述法兰壳体的第一推进剂与外部隔开,所述法兰壳体的另一端通过全真空电子束焊焊接的方式与所述喷注器芯体的上端、下端连接分别用以将所述第一推进剂和第二推进剂隔开、第二推进剂与外部隔开,其中,当所述第一推进剂为可燃剂时,所述第二推进剂为助燃剂;当所述第一推进剂为助燃剂时,所述第二推进剂为可燃剂。
优选地,所述法兰壳体上设置有中心腔孔以及下腔孔;
所述中心腔孔包括上中心腔孔以及设置在所述上中心腔孔两端的台阶孔、中间环板;
所述盖板匹配安装在所述台阶孔中且周向与所述台阶孔通过全真空电子束焊焊接;
所述喷注器芯体上设置有集液腔室以及集液腔槽道,所述集液腔槽道沿所述集液腔室的周向布置且所述集液腔室和集液腔槽道之间延伸出凸台结构;
所述喷注器芯体匹配安装在所述下腔孔中且所述凸台结构延伸到所述中间环板中,其中,所述喷注器芯体与所述下腔孔通过全真空电子束焊焊接,所述凸台结构与所述中间环板通过全真空电子束焊焊接;
所述中心腔孔的两侧分别设置有第一推进剂进口流道、第二推进剂进口流道,所述喷注器芯体上设置有第一喷注孔以及第二喷注孔,所述第一推进剂进口流道、上中心腔孔、第二喷注孔依次连接用于输送所述第一推进剂,所述第二推进剂进口流道、集液腔槽道、第一喷注孔依次连接用于输送所述第二推进剂。
优选地,所述台阶孔的深度与所述盖板的厚度相等;
所述台阶孔的内径与所述盖板的外径相等;
所述喷注器芯体的外径、厚度分别与所述下腔孔的内径、深度相等;所述凸台结构的外径、高度分别与所述中间环板的内径、厚度相等。
优选地,所述助燃剂采用四氧化二氮、绿色四氧化二氮或红烟硝酸;
所述可燃剂采用一甲基肼、无水肼或偏二甲肼。
优选地,所述法兰壳体、喷注器芯体、盖板采用不锈钢、钛合金或高温合金。
优选地,通过全真空电子束焊焊接的焊缝熔深δ均通过对接焊缝接头受剪切强度校核计算确定:
优选地,所述焊缝熔深δ设计值应满足所述安全系数n>2。
根据本发明提供的一种全真空电子束焊组合式直流互击头部结构的焊接方法,包括如下步骤:
S1:以法兰壳体1的下腔孔的上表面为支撑面,将喷注器芯体装配于法兰壳体的下腔孔内;
S:利用真空电子束焊沿着下腔孔与喷注器芯体的圆形对接面焊接,防止喷注器芯体外圈集液腔内的第二推进剂泄漏,再通过真空电子束焊焊接中间环板与凸台结构的对接面,以隔绝喷注器芯体内圈的集液腔室与外圈的集液腔槽道;
S:以法兰壳体中心上方台阶孔的下表面为支撑面,将盖板装配于法兰壳体的台阶孔内;
S:通过真空电子束焊焊接盖板与台阶孔的对接面,防止上中心腔孔内的第一推进剂泄漏。
优选地,所述真空电子束焊的焊缝熔深通过对接焊缝接头受剪切强度校核计算及强度试验来确定,保证发动机工作时足够的强度安全系数。
优选地,所述下腔孔的下表面与喷注器芯体的下表面平齐,法兰壳体的中间环板的上表面与喷注器芯体上的凸台结构的上表面平齐,且通过刻线将两个零件对齐;
所述盖板上表面与台阶孔上表面平齐并低于控制阀对接面。
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
1、本发明采用真空电子束焊工艺取代复杂的钎焊工艺焊接组合式直流互击头部结构,有效解决了因钎焊引起的头部结构泄漏和变形导致的风险,提高了发动机生产的合格率和产品工作的可靠性。
2、本发明中提供的结构和方法扩展性强,既能够适用于高室压发动机,又适用于低室压发动机;既能够适用于轨控发动机,又适用于姿控发动机;既能够适用于非自然推进剂,又适用于自燃推进剂且能够适用于不同推进剂的组合,应用范围广泛,实用性强,能够根据不同的应用场景灵活选择。
3、本发明中法兰壳体、喷注器芯体以及盖板相匹配的结构为实施真空电子束焊提供了基础,结构简单,实用性强。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为本发明的结构剖面示意图;
图2为法兰壳体的结构示意图;
图3为喷注器芯体的结构示意图;
图4为盖板的结构示意图。
图中示出:
法兰壳体1 声腔16
中心腔孔11 身部对接槽道17
台阶孔111 喷注器芯体2
上中心腔孔112 第一喷注孔21
中间环板113 第一推进剂集液腔室22
下腔孔114 第二推进剂集液腔槽道23
控制阀对接面12 凸台结构24
控制阀紧固接口13 喷注器芯体下表面25
第一推进剂进口流道14 第二喷注孔26
第二推进剂进口流道15 盖板3
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1:
本发明提供了一种全真空电子束焊组合式直流互击头部结构,如图1所示,包括法兰壳体1、喷注器芯体2以及盖板3,盖板3、法兰壳体1、喷注器芯体2依次装配后通过三道真空电子束焊连接。
进一步地,所述法兰壳体1的一端通过全真空电子束焊焊接的方式连接所述盖板3用以将通过所述法兰壳体1的第一推进剂与外部隔开,所述法兰壳体1的另一端通过全真空电子束焊焊接的方式与所述喷注器芯体2的上端、下端连接分别用以将所述第一推进剂和第二推进剂隔开、第二推进剂与外部隔开,其中,当所述第一推进剂为可燃剂时,所述第二推进剂为助燃剂;当所述第一推进剂为助燃剂时,所述第二推进剂为可燃剂。
本发明应用范围广泛,既适用于高室压发动机,又适用于低室压发动机,既适用于轨控发动机,又适用于姿控发动机,既适用于非自然推进剂,又适用于自燃推进剂,且适用于不同推进剂组合,助燃剂可采用四氧化二氮、绿色四氧化二氮或红烟硝酸等,可燃剂可采用一甲基肼、无水肼或偏二甲肼等。
具体地,所述法兰壳体1为头部的整体结构件,包括中心腔孔11、控制阀对接面12、控制阀紧固接口13、第一推进剂进口流道14、第二推进剂进口流道15、声腔16以及身部对接槽道17,中心腔孔11由上至下依次为台阶孔111、上中心腔孔112、中间环板113、下腔孔114。其中,上中心腔孔112与第一推进剂进口流道14相通,下腔孔114与第二推进剂进口流道15相通,或者,上中心腔孔112与第二推进剂进口流道15相通,下腔孔114与第一推进剂进口流道14相通,所述第一推进剂进口流道14、第二推进剂进口流道15的数量均可设置一个,或者均可设置多个,具体应根据实际的应用场景进行设计,以满足实际应用的需求。
具体地,所述喷注器芯体2采用双层圆板结构,其中下层分布多个第一喷注孔21、多个第二喷注孔26,第一喷注孔21和第二喷注孔26分组布置,每组第一喷注孔21和第二喷注孔26的喷射出口呈夹角倾斜布置,使喷射出的可燃剂与助燃剂能够相遇充分接触燃烧,上层分别为内圈第一推进剂集液腔室22、第二推进剂集液腔槽道23且分别与第二喷注孔26、第一喷注孔21连通,且内圈壁面上方设有凸台结构24。所述盖板3采用圆板结构,用于流道密封。
本发明还提供了一种全真空电子束焊组合式直流互击头部结构的焊接方法,包括如下步骤:
S1:以法兰壳体1的下腔孔114的上表面为支撑面,将喷注器芯体2装配于法兰壳体1的下腔孔114内,下腔孔114的下表面与喷注器芯体2的下表面平齐,法兰壳体1的中间环板113的上表面与喷注器芯体2上的凸台结构24的上表面平齐,且通过刻线将两个零件对齐;
S2:利用真空电子束焊沿着下腔孔114与喷注器芯体2的圆形对接面焊接,防止喷注器芯体2外圈集液腔内的燃料泄漏,再通过真空电子束焊焊接中间环板113与凸台结构24的对接面,以隔绝喷注器芯体2内圈的集液腔室22与外圈的集液腔槽道23;
S3:以法兰壳体1中心上方台阶孔111的下表面为支撑面,将盖板3装配于法兰壳体1的台阶孔111内,盖板3上表面与台阶孔111上表面平齐并低于控制阀对接面,以避免真空电子束焊焊接后的平面度降低,影响头部与控制阀对接;
S4:通过真空电子束焊焊接盖板3与台阶孔111的对接面,防止上中心腔孔112内的第一推进剂泄漏,完成组合式头部结构。
具体地,所述真空电子束焊的焊缝熔深应通过对接焊缝接头受剪切强度校核计算及强度试验来确定,保证发动机工作时足够的强度安全系数。进一步地,通过全真空电子束焊焊接的焊缝熔深δ均通过对接焊缝接头受剪切强度校核计算确定:
上面对本申请的基本实施例进行了说明,下面结合基本实施例的优选例和/或变化例,对本申请进行更为具体的说明。
实施例2:
如图1~图4所示,本发明提供了一种全真空电子束焊组合式直流互击头部结构,包括法兰壳体1、喷注器芯体2以及盖板3,所述法兰壳体1上设置有中心腔孔11以及下腔孔114,所述中心腔孔11包括上中心腔孔112以及设置在所述上中心腔孔112两端的台阶孔111、中间环板113,所述盖板3匹配安装在所述台阶孔111中且周向与所述台阶孔111通过全真空电子束焊焊接,所述喷注器芯体2上设置有集液腔室22以及集液腔槽道23,所述集液腔槽道23沿所述集液腔室22的周向布置且所述集液腔室22和集液腔槽道23之间延伸出凸台结构24,所述喷注器芯体2匹配安装在所述下腔孔114中且所述凸台结构24延伸到所述中间环板113中,其中,所述喷注器芯体2与所述下腔孔114通过全真空电子束焊焊接,所述凸台结构24与所述中间环板113通过全真空电子束焊焊接,所述中心腔孔11的两侧分别设置有第一推进剂进口流道14、第二推进剂进口流道15,所述喷注器芯体2上设置有第一喷注孔21以及第二喷注孔26,所述第一推进剂进口流道14、上中心腔孔112、第二喷注孔26依次连接用于输送所述第一推进剂,所述第一推进剂为助燃剂,所述第二推进剂进口流道15、集液腔槽道23、第一喷注孔21依次连接用于输送所述可燃剂,即燃料。
进一步地,图1~图4,所述台阶孔111的深度与所述盖板3的厚度相等,所述台阶孔111的内径与所述盖板3的外径相等,所述喷注器芯体2的外径、厚度分别与所述下腔孔114的内径、深度相等;所述凸台结构24的外径、高度分别与所述中间环板113的内径、厚度相等。
具体地,所述法兰壳体1、喷注器芯体2、盖板3采用不锈钢、钛合金或高温合金等。
实施例3:
本发明实例为一种双元200N发动机,其头部结构如图1所示,是一种全真空电子束焊组合式直流互击头部结构,材料均为TC4钛合金,该头部包括法兰壳体1、喷注器芯体2和盖板3,装配后依次通过a、b和c三道真空电子束焊连接。
如图2所示,法兰壳体1为头部的整体结构件,包括中心腔孔11、控制阀对接面12、控制阀紧固接口13、第一推进剂进口流道14、第二推进剂进口流道15、声腔16、身部对接槽道17;其中心腔孔11由上至下依次为台阶孔111、上中心腔孔112、中间环板113、下腔孔114,上中心腔孔112与第一推进剂进口流道14相通,下腔孔114与与第二推进剂进口流道15相通。台阶孔111、下腔孔114分别用来装配盖板3和喷注器芯体2。第一推进剂进口流道14、第二推进剂进口流道15直径通过工作流量计算确定,应尽量减小流道内推进剂流速,以降低阀前水击压力。
如图3所示,喷注器芯体2为双层圆板结构,其中下层分布多个第一喷注孔21、多个第二喷注孔26;上层分别为内圈圆形集液腔室22和外圈燃料集液腔槽道23,且内圈壁面上方设有凸台结构24,喷注器芯体2圆板外径与法兰下腔孔114孔径相等,凸台结构24外径与中间环板113内径相等,凸台结构24高度与中间环板113高度相等,喷注器芯体2高度(不计凸台高度)与法兰下腔孔114孔深相等。上层集液腔室22深度和形状尺寸通过数值仿真方法迭代计算优化确定,以获得均匀性好、流阻低的流量分配效果;下层喷注孔孔径和数量根据喷注压降计算确定,以获得优良的雾化混合效果。
如图4所示,盖板3采用圆板结构,用于流道密封,盖板3直径和高度分别与法兰台阶孔111孔径和深度相等。
参照附图1-4,头部法兰壳体1、喷注器芯体2和盖板3之间的装配和焊接方法及过程如下:
首先,以法兰壳体1的下腔孔114上表面为支撑面,将喷注器芯体2装配于法兰壳体1的下腔孔114内,下腔孔114下表面与喷注器芯体2的喷注器芯体下表面25平齐,法兰壳体的中间环板113的上表面与喷注器芯体的凸台结构24上表面平齐,且通过刻线将两个零件对齐;先利用a道真空电子束焊沿着下腔孔114与喷注器芯体2的圆形对接面A焊接,防止喷注器芯体2外圈集液腔槽道23内的第二推进剂泄漏,再通过b道真空电子束焊焊接中间环板113与凸台结构24的对接面B,以隔绝喷注器芯体2的内圈第一推进剂与外圈的第二推进剂;完成后第一推进剂进口流道14与芯体内圈集液腔室22相通,第二推进剂进口流道15与集液腔槽道23相通互串。
其次,以法兰壳体1中心上方台阶孔111的下表面为支撑面,将盖板3装配于法兰壳体的台阶孔内,盖板3上表面与台阶孔111上表面平齐并低于控制阀对接面12,以避免真空电子束焊焊接后的平面度降低,影响头部与控制阀对接;最后通过c道真空电子束焊焊接盖板与法兰台阶孔的对接面C,防止上中心腔孔内的推进剂泄漏,完成组合式头部结构。
本发明中的a、b和c三道真空电子束焊的焊缝熔深皆通过对接焊缝接头受剪切强度校核计算来确定,均取0.5~1.0㎜,并经过强度试验考核,保证强度安全系数大于2。
在本申请的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改,这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下,本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种全真空电子束焊组合式直流互击头部结构,其特征在于,包括法兰壳体(1)、喷注器芯体(2)以及盖板(3);
所述法兰壳体(1)的一端通过全真空电子束焊焊接的方式连接所述盖板(3)用以将通过所述法兰壳体(1)的第一推进剂与外部隔开,所述法兰壳体(1)的另一端通过全真空电子束焊焊接的方式与所述喷注器芯体(2)的上端、下端连接分别用以将所述第一推进剂和第二推进剂隔开、第二推进剂与外部隔开,其中,当所述第一推进剂为可燃剂时,所述第二推进剂为助燃剂;当所述第一推进剂为助燃剂时,所述第二推进剂为可燃剂。
2.根据权利要求1所述的全真空电子束焊组合式直流互击头部结构,其特征在于,所述法兰壳体(1)上设置有中心腔孔(11)以及下腔孔(114);
所述中心腔孔(11)包括上中心腔孔(112)以及设置在所述上中心腔孔(112)两端的台阶孔(111)、中间环板(113);
所述盖板(3)匹配安装在所述台阶孔(111)中且周向与所述台阶孔(111)通过全真空电子束焊焊接;
所述喷注器芯体(2)上设置有集液腔室(22)以及集液腔槽道(23),所述集液腔槽道(23)沿所述集液腔室(22)的周向布置且所述集液腔室(22)和集液腔槽道(23)之间延伸出凸台结构(24);
所述喷注器芯体(2)匹配安装在所述下腔孔(114)中且所述凸台结构(24)延伸到所述中间环板(113)中,其中,所述喷注器芯体(2)与所述下腔孔(114)通过全真空电子束焊焊接,所述凸台结构(24)与所述中间环板(113)通过全真空电子束焊焊接;
所述中心腔孔(11)的两侧分别设置有第一推进剂进口流道(14)、第二推进剂进口流道(15),所述喷注器芯体(2)上设置有第一喷注孔(21)以及第二喷注孔(26),所述第一推进剂进口流道(14)、上中心腔孔(112)、第二喷注孔(26)依次连接用于输送所述第一推进剂,所述第二推进剂进口流道(15)、集液腔槽道(23)、第一喷注孔(21)依次连接用于输送所述第二推进剂。
3.根据权利要求2所述的全真空电子束焊组合式直流互击头部结构,其特征在于,所述台阶孔(111)的深度与所述盖板(3)的厚度相等;
所述台阶孔(111)的内径与所述盖板(3)的外径相等;
所述喷注器芯体(2)的外径、厚度分别与所述下腔孔(114)的内径、深度相等;所述凸台结构(24)的外径、高度分别与所述中间环板(113)的内径、厚度相等。
4.根据权利要求1所述的全真空电子束焊组合式直流互击头部结构,其特征在于,所述助燃剂采用四氧化二氮、绿色四氧化二氮或红烟硝酸;
所述可燃剂采用一甲基肼、无水肼或偏二甲肼。
5.根据权利要求1所述的全真空电子束焊组合式直流互击头部结构,其特征在于,所述法兰壳体(1)、喷注器芯体(2)、盖板(3)采用不锈钢、钛合金或高温合金。
7.根据权利要求6所述的全真空电子束焊组合式直流互击头部结构,其特征在于,所述焊缝熔深δ设计值满足所述安全系数n>2。
8.一种全真空电子束焊组合式直流互击头部结构的焊接方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1:以法兰壳体(1)的下腔孔(114)的上表面为支撑面,将喷注器芯体(2)装配于法兰壳体(1)的下腔孔(114)内;
S2:利用真空电子束焊沿着下腔孔(114)与喷注器芯体(2)的圆形对接面焊接,防止喷注器芯体(2)外圈集液腔内的第二推进剂泄漏,再通过真空电子束焊焊接中间环板(113)与凸台结构(24)的对接面,以隔绝喷注器芯体(2)内圈的集液腔室(22)与外圈的集液腔槽道(23);
S3:以法兰壳体(1)中心上方台阶孔(111)的下表面为支撑面,将盖板(3)装配于法兰壳体(1)的台阶孔(111)内;
S4:通过真空电子束焊焊接盖板(3)与台阶孔(111)的对接面,防止上中心腔孔(112)内的第一推进剂泄漏。
9.根据权利要求8所述的全真空电子束焊组合式直流互击头部结构的焊接方法,其特征在于,所述真空电子束焊的焊缝熔深通过对接焊缝接头受剪切强度校核计算及强度试验来确定,保证发动机工作时足够的强度安全系数。
10.根据权利要求8所述的全真空电子束焊组合式直流互击头部结构的焊接方法,其特征在于,所述下腔孔(114)的下表面与喷注器芯体(2)的下表面平齐,法兰壳体(1)的中间环板(113)的上表面与喷注器芯体(2)上的凸台结构(24)的上表面平齐,且通过刻线将两个零件对齐;
所述盖板(3)上表面与台阶孔(111)上表面平齐并低于控制阀对接面。
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