CN113790109B - 一种适用于复合材料发动机的支板喷注器连接及密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于复合材料发动机的支板喷注器连接及密封结构；用于解决现有发动机支板喷注器无法适应复杂环境和结构体材料不同的问题。本发明包括燃烧室壳体、支板喷注器、密封垫、压环、螺母和供油嘴，其中支板喷注器包括定位台、圆柱段、固定螺纹段、转接螺纹段；燃烧室壳体从内向外依次包括定位槽、通孔、密封槽和限位台；支板喷注器依次穿过定位槽、通孔、密封槽和限位台；定位台位于定位槽内；圆柱段穿过通孔和密封槽,限位台内设置有压环的主体，压环的密封端设置在密封槽内，密封槽内还设置有密封垫，密封垫与压环的密封端接触；固定螺纹段用于和螺母配合连接；所述转接螺纹段用于连接供油嘴。

Description

一种适用于复合材料发动机的支板喷注器连接及密封结构

技术领域

本发明涉及一种发动机配件，具体涉及一种适用于复合材料发动机的支板喷注器连接及密封结构。

背景技术

RBCC发动机作为火箭发动机和冲压发动机的有机组合，是临近空间远程、高速、机动飞行器的理想动力装置。RBCC发动机能够满足低成本、高性能、可重复使用天地往返运输系统动力需求，是未来液体动力系统重要战略发展方向之一。

飞行器要求发动机具有多次起动加速、高速巡航和间断滑行的工作能力，整个飞行过程，发动机始终处于2000～3000K量级富氧气流总温环境。为了适应这种模式，发动机采用被动热防护，基于防热承载一体化的设计要求，燃烧室壳体采用超高温陶瓷基复合材料。由于支板喷注器特殊的功能需求，支板喷注器采用特种耐高温合金材料。

基于上述背景的RBCC发动机，其结构设计通常面临以下矛盾：

(1)结构体材料需求不同

一方面，基于飞行器轨道需求，发动机需要多次起动加速、高速巡航和间断滑行的工作能力，由于无法利用介质进行主动冷却，发动机燃烧室壳体采用超高温陶瓷基复合材料；另一方面，基于发动机工作要求，支板喷注器需要确保高精度的燃油喷注控制，对结构精度要求较高，采用特种耐高温合金材料。

(2)发动机工作环境复杂

支板喷注器处于发动机燃烧室的高温富氧区域，需要一种可靠的连接及密封方案，适应高温富氧燃气环境，满足异种材料结构复杂的变形匹配要求。

基于当前的工艺水平，陶瓷基复合材料的燃烧室壳体与合金材料的支板喷注器无法通过焊接实现连接及密封。而机械连接需要解决异种材料的变形不协调问题，同时需要解决高温富氧环境下密封材料的氧化失效问题，进而使得连接结构过于复杂，且效果不易保证。

鉴于RBCC发动机及其它采用复合材料热结构的发动机极度复杂的工作环境，急需一种可靠的发动机支板喷注器连接方法。

发明内容

本发明的目的是解决现有陶瓷基复合材料的燃烧室壳体与合金材料的支板喷注器无法实现有效连接及密封的技术问题，提供了一种适用于复合材料发动机的支板喷注器连接及密封结构。

本发明的技术解决方案是：

一种适用于复合材料发动机的支板喷注器连接及密封结构，其特殊之处在于：包括燃烧室壳体、支板喷注器、密封垫、压环、螺母和供油嘴；

所述支板喷注器包括定位台、一端设置在定位台上的圆柱段、与圆柱段另一端连接的固定螺纹段以及与固定螺纹段另一端连接的转接螺纹段，所述圆柱段、固定螺纹段、转接螺纹段三者的中心线同轴；所述定位台、圆柱段、固定螺纹段、转接螺纹段内部设置有连通的喷注孔；

所述燃烧室壳体上从内向外依次设置有定位槽、通孔、密封槽和限位台，所述通孔、密封槽和限位台三者的中心线位于同一轴线；所述定位槽的中心线与通孔的中心线为偏心设置，或/和所述定位槽的断面为矩形；

所述定位台位于定位槽中且两者周向配合；

所述圆柱段穿过通孔和密封槽，所述限位台内设置有压环的主体，压环的密封端设置在密封槽内，密封槽内还设置有密封垫，密封垫与压环的密封端相对应，实现对接密封；

所述螺母安装固定螺纹段上，用于锁紧压环；

所述转接螺纹段用于连接供油嘴。

进一步地，所述密封垫为梯形截面，所述压环与密封垫接触的端面具有与梯形截面的锐角相对应的楔角。

进一步地，所述楔角为45°，所述梯形截面的锐角亦为45°。

进一步地，所述定位台与定位槽两者接触端面上涂抹有高温密封胶，防止发动机内的高温富氧气体与密封垫接触。

进一步地，所述定位台位于燃烧室壳体内部一侧设置有强化块。

进一步地，所述密封槽的高度、通孔的高度、压环的厚度三者之和大于圆柱段的长度，圆柱段的长度大于通孔的高度与密封垫的厚度之和。

本发明的有益效果具体如下：

(1)本发明中定位槽和定位台通过周向配合，实现了支板喷注器的定位，并防止支板喷注器的转动。

(2)本发明中定位槽与定位台通过端面接触配合，对燃烧室壳体内侧高温富氧气体进行隔离，有效避免高温富氧气体与密封垫的接触，防止密封垫的氧化失效，实现了“内侧热密封”。

(3)本发明中梯形截面的柔性石墨密封垫和带楔角密封压环的配合，对轴向和径向结构热变形进行补偿，可实现“轴径双向密封”。

(4)本发明中圆柱段一部分与通孔配合密封，圆柱段的另一部分与密封垫紧密配合形成密封结构。使圆柱段与通孔和密封垫整体配合实现了“外侧气密封”。

(5)本发明中螺母连接在支板喷注器上为密封垫提供预紧力。在螺母的轴向挤压作用下，对密封垫产生轴向和径向压紧力，实现双向气密封。

(6)本发明中通过将支板喷注器的一部分置于发动机内侧，且在位于发动机外部的支板喷注器上设置有固定连接用的固定螺纹段和供油转接嘴连接用的转接螺纹段，减少发动机散发出的热量对连接结构的影响，并且利用尽量少的空间，实现了支板安装、定位、固定和供油转接嘴的集成。

附图说明

图1是本发明一种适用于复合材料发动机的支板喷注器连接及密封结构实施例的示意图；

图2是本发明实施例中安装接口的结构示意图；

图3是本发明实施例中支板喷注器的结构示意图。

附图标记具体如下：

1.燃烧室壳体，2.支板喷注器，3.密封垫，4.压环，5.螺母，6.供油嘴，7.定位槽，8.通孔，9.密封槽，10.限位台，11.定位台，12.圆柱段，13.固定螺纹段，14.转接螺纹段，15.强化块。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明作详细说明。

如图1-3所示的一种适用于复合材料发动机的支板喷注器连接及密封结构，包括燃烧室壳体1、支板喷注器2、密封垫3、压环4、螺母5和供油嘴6。

燃烧室壳体1上从内向外依次设置有定位槽7、通孔8、密封槽9和限位台10。

通孔8、密封槽9和限位台10三者的中心线位于同一轴线；定位槽7的断面为矩形，且定位槽7的中心线与通孔8的中心线为偏心设置。在其他实施例中，定位槽7的端面形状也可以是圆形，但定位槽7的中心线与通孔8的中心线为偏心设置；或者定位槽7中心线与通孔8的中心线位于同一轴线上，定位槽7内表面切割有多个任意形状的平面且平面之间具有高度差。

支板喷注器2包括定位台11、圆柱段12、固定螺纹段13、转接螺纹段14；定位台11连接圆柱段12的一端，圆柱段12的另一端连接固定螺纹段13的一端，固定螺纹段13的另一端连接转接螺纹段14。支板喷注器2内设置有通道用于燃油的输送。

支板喷注器2内向外依次穿过定位槽7、通孔8、密封槽9和限位台10并最终贯穿燃烧室壳体1。

定位台11位于定位槽7中且两者周向配合，定位台11的形状与定位槽7保持一致，定位槽7的尺寸略大于定位台11的尺寸，以防止定位台11在热膨胀的作用下破坏定位槽7。定位槽7和定位台11通过周向配合，实现了支板喷注器2的定位，并防止支板喷注器2的转动。

定位台11与定位槽7通过端面接触配合，两者的接触端面涂抹有高温密封胶，对燃烧室壳体1内侧高温富氧气体进行隔离，有效避免高温富氧气体与密封垫3的接触，防止密封垫3的氧化失效，实现了“内侧热密封”。

圆柱段12穿过通孔8和密封槽9，且在密封槽9处与压环4形成了密封垫3的安装空间。

压环4主体设置在限位台10内部，压环4的密封端位于密封槽9内。在密封槽9内，压环4的密封端与耐高温柔性石墨材料的密封垫3相对应，实现对接密封，密封垫3为梯形截面结构。压环4与密封垫3接触的端面具有45°楔角，该楔角正好与密封垫3梯形截面的锐角相配合，该锐角亦为45°。压环4用以压缩密封垫3，且限位台10约束压环4的轴向位移以此控制压环4压缩密封垫3的压缩量。

梯形截面结构的柔性石墨密封垫3在带楔角密封压环4的配合下，对轴向和径向结构热变形进行补偿，实现“轴径双向密封”。

圆柱段12一部分与通孔8配合，另一部分与密封垫3紧密配合形成密封结构。圆柱段与通孔8和密封垫3整体配合实现了“外侧气密封”。

密封槽9的高度加通孔8的高度加压环4的厚度之和大于圆柱段12的长度，圆柱段12的长度大于通孔8的高度加密封垫3的厚度之和。

支板喷注器2顶部入口处从上到下依次为所述转接螺纹段14和固定螺纹段13，固定螺纹段13用于螺母5的连接，螺母5连接在固定螺纹段13上可以为密封垫3提供预紧力，在螺母5的轴向挤压作用下，对密封垫3产生轴向和径向压紧力，实现双向气密封。

转接螺纹段14用于供油嘴6的连接，通过油嘴6的拆卸，减小支板喷注器2的尺寸，方便支板喷注器2拆卸、安装和维护。

定位台11位于燃烧室壳体1内部一侧设置有强化块15，强化块15用于支撑支板喷注器2，且防止发动机内部气流载荷过大损坏支板喷注器2。

本发明中通过将支板喷注器2的一部分置于发动机内侧，且在位于发动机外部的支板喷注器2上设置有固定连接用的固定螺纹段13和供油嘴6连接用的转接螺纹段14，减少发动机散发出的热量对连接结构的影响，并且利用尽量少的空间，实现了支板安装、定位、固定和供油转接嘴的集成。

Claims (6)

1.一种适用于复合材料发动机的支板喷注器连接及密封结构，所述复合材料发动机为RBCC发动机，其特征在于：包括燃烧室壳体(1)、支板喷注器(2)、密封垫(3)、压环(4)、螺母(5)和供油嘴(6)；

所述支板喷注器(2)包括定位台(11)、一端设置在定位台(11)上的圆柱段(12)、与圆柱段(12)另一端连接的固定螺纹段(13)以及与固定螺纹段(13)另一端连接的转接螺纹段(14)，所述圆柱段(12)、固定螺纹段(13)、转接螺纹段(14)三者的中心线同轴；所述定位台(11)、圆柱段(12)、固定螺纹段(13)、转接螺纹段(14)内部设置有连通的喷注孔；

所述燃烧室壳体(1)上从内向外依次设置有定位槽(7)、通孔(8)、密封槽(9)和限位台(10)，所述通孔(8)、密封槽(9)和限位台(10)三者的中心线位于同一轴线；所述定位槽(7)的中心线与通孔(8)的中心线为偏心设置，或/和所述定位槽(7)的断面为矩形；

所述定位台(11)位于定位槽(7)中且两者周向配合；

所述圆柱段(12)穿过通孔(8)和密封槽(9)，所述限位台(10)内设置有压环(4)的主体，压环(4)的密封端设置在密封槽(9)内，密封槽(9)内还设置有密封垫(3)，密封垫(3)与压环(4)的密封端相对应，实现对接密封；

所述螺母(5)安装固定螺纹段(13)上，用于锁紧压环(4)；

所述转接螺纹段(14)用于连接供油嘴(6)。

2.根据权利要求1所述的一种适用于复合材料发动机的支板喷注器连接及密封结构，其特征在于：所述密封垫(3)为梯形截面，所述压环(4)与密封垫(3)接触的端面具有与梯形截面的锐角相对应的楔角。

3.根据权利要求2所述的一种适用于复合材料发动机的支板喷注器连接及密封结构，其特征在于：所述楔角为45°，所述梯形截面的锐角亦为45°。

4.根据权利要求2所述的一种适用于复合材料发动机的支板喷注器连接及密封结构，其特征在于：所述定位台(11)与定位槽(7)两者接触端面上涂抹有高温密封胶。

5.根据权利要求3所述的一种适用于复合材料发动机的支板喷注器连接及密封结构，其特征在于：所述定位台(11)位于燃烧室壳体(1)内部一侧设置有强化块(15)。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种适用于复合材料发动机的支板喷注器连接及密封结构，其特征在于：所述密封槽(9)的高度、通孔(8)的高度、压环(4)的厚度三者之和大于圆柱段(12)的长度，圆柱段(12)的长度大于通孔(8)的高度与密封垫(3)的厚度之和。

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