CN114439652B - 一种热防护增强型3d打印喷管延伸段 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热防护增强型3D打印喷管延伸段，包括喷管基体、进口集合器盖、出口集合器盖和底座，喷管基体、进口集合器盖、出口集合器盖、底座分别通过3D打印成型。本发明内外壁及部分进、出口集合器采用一体化成型，利用3D打印优势冷却通道进出口区域采用埋入式设计，冷却通道肋直接延伸到端面，冷却通道进口更靠近小端端面，冷却通道出口更靠近大端端面，延伸到端面的肋充分保证了端面的结构强度，冷却通道进出口与端面的距离可以减小到1mm以内，使得冷却剂流经喷管延伸段端面尖角的区域，对该区域进行较为充分的冷却。

Description

一种热防护增强型3D打印喷管延伸段

技术领域

本发明属于液体火箭发动机领域，涉及一种热防护增强型3D打印喷管延伸段。

背景技术

液体火箭发动机推力室通常分为上、下两段，上段为短喷管推力室，下段为喷管延伸段，上、下段通过法兰连接，受限于生产工艺，传统喷管延伸段小端法兰内型面尖角肉厚较厚、热阻较大，不能进行较为充分的冷却，热试车时尤其是高工况下存在烧蚀风险，工程上常将该区域称为“死肉”区。

传统机械加工在法兰端面不易加工出径向肋，即使加工出径向肋，径向肋与轴向肋的连接仍是比较大的技术难题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，充分利用3D打印技术容易成型复杂腔体结构的优势，提出一种热防护增强型3D打印喷管延伸段。

本发明解决技术的方案是：

一种热防护增强型3D打印喷管延伸段，包括喷管基体、进口集合器盖、出口集合器盖和底座，喷管基体、进口集合器盖、出口集合器盖、底座分别通过3D打印成型；

喷管基体壁面内里沿周向均匀布置有若干条轴向肋，相邻两条肋之间留有通道称为冷却通道；

喷管基体小端沿周向设计有进口集合器内腔；轴向肋在靠近喷管小端端面的位置由轴向转变为径向，越过喷管外壁后又折返回轴向，嵌入进口集合器内腔；冷却通道与进口集合器内腔的交界面为冷却通道进口，冷却通道与喷管小端端面的距离t1与喷管内壁壁厚b相当，为0.8-1.2mm；

喷管基体大端沿周向设计有环向凹槽，冷却通道与环向凹槽的交界面为冷却通道出口；肋在靠近喷管大端端面的位置由轴向转变为径向，越过喷管外壁后与出口端面齐平；冷却通道与喷管大端端面的距离t2为喷管内壁壁厚b的1.5-3倍；

轴向肋的宽度取1.2-2.5mm。

进口集合器径向孔底以喷管外壁为底部。

进口集合器内腔沿周向贯穿径向孔底部上侧，采用尖顶型自支撑设计，冷却通道进口处肋的端面构成了尖顶的一侧面，所述侧面与径向夹角为50°，一端连接喷管外壁，一端连接集合器内腔对侧面。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明喷管基体壁面内里的轴向肋在靠近端面的位置转变为径向，引导冷却剂流路(冷却通道)充分靠近端面,冷却通道与端面之间的距离减小至常规机械加工产品的1/3-1/2，上述距离减小即结构肉厚减小，结构热阻也相应减小，有助于提高端面换热能力，降低法兰尖角“死肉”区温度，增强热防护水平；

(2)本发明端面沿周向均匀分布的若干条径向肋，有助于增强端面结构强度，保证冷却通道充分靠近端面的情况下端面仍有足够的强度；

(3)本发明沿周向贯通的进口集合器内腔小型化处理，减小了进口集合器内腔体积，避免3D打印时沿打印方向截面面积变化剧烈、热应力不均匀从而造成对应区域喷管内壁产生鼓起等缺陷。

(4)本发明进口集合器内腔采用尖顶型自支撑设计，冷却通道进口位于尖顶一侧，自支撑设计有效避免了沿周向贯通的进口集合器内腔在3D打印成型过程中产生塌陷等缺陷。

附图说明

图1是一种热防护增强型3D打印喷管延伸段结构形式图；

图2是喷管延伸段小端局部结构形式图，其中(a)为二维剖视图，(b)为三维剖视图；

图3是喷管延伸段大端局部结构形式图，其中(a)二维剖视图为，(b)为三维剖视图；

其中：1——沟槽喷管基体，2——进口集合器盖，3——出口集合器盖，4——底座，11——冷却通道进口，12——进口集合器内腔，13——喷管内壁，14——肋，15——喷管外壁，16——小端端面，17——冷却通道出口，18——大端端面，19——出口集合器内腔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

本发明充分利用3D打印技术优势，设计一种热防护增强型3D打印喷管延伸段，冷却通道进出口区域采用埋入式设计，减小冷却通道与端面之间的距离，在保证端面有足够强度的前提下提高了小端尖角“死肉区”及大端端面热防护水平。

如图1-3所示，本发明提出一种热防护增强型3D打印喷管延伸段，包括喷管基体1、进口集合器盖2、出口集合器盖3和底座4，喷管基体1、进口集合器盖2、出口集合器盖3、底座4分别通过3D打印成型。

喷管基体1壁面内里沿周向均匀布置的轴向肋14在靠近喷管小端端面16的位置由轴向转变为径向，越过喷管外壁15后又折返回内壁轴向，肋14在靠近喷管大端端面18的位置由轴向转变为径向，越过喷管外壁15后与出口端面齐平，冷却通道进出口区域采用埋入式设计，冷却通道在进出口区域充分靠近端面，减小该部分结构热阻，有助于降低小端尖角“死肉区”及大端端面温度。图中13为喷管内壁。

冷却通道与喷管小端端面16的距离t1与喷管内壁壁厚b相当，通常取0.8-1.2mm，冷却通道与喷管大端端面18的距离t2通常取为喷管内壁壁厚b的1.5-3倍，肋14的宽度通常取1.2-2.5mm。

冷却剂从进口集合器内腔12进入冷却通道进口11，冷却剂沿冷却通道对小端端面及尖角“死肉”区冷却后折返回轴向对喷管内壁进行冷却，冷却剂流至大端对大端端面冷却后从冷却通道出口17流出进入出口集合器外腔19。

传统机械加工在法兰端面不易加工出径向肋，即使加工出径向肋，径向肋与轴向肋的连接仍是比较大的技术难题，因此限制了冷却通道与端面的距离，传统机加产品该距离一般在5mm左右。本发明利用3D打印技术容易成型复杂腔体结构的优势，冷却通道进出口区域采用埋入式设计，冷却通道与端面之间的距离减小至常规机械加工产品的1/3-1/2，上述距离减小即结构肉厚减小，结构热阻也相应减小，有助于提高端面换热能力，降低法兰尖角“死肉”区温度，增强热防护水平。

本发明设计的一种热防护增强型3D打印喷管延伸段，充分利用3D打印优势，对冷却通道进出口区域进行了优化，在保证结构强度的前提下提高了热防护水平，可以应用在航天推进领域。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种热防护增强型3D打印喷管延伸段，其特征在于：包括喷管基体(1)、进口集合器盖(2)、出口集合器盖(3)和底座(4)，喷管基体(1)、进口集合器盖(2)、出口集合器盖(3)、底座(4)分别通过3D打印成型；

喷管基体(1)壁面内侧沿周向均匀布置有若干条轴向肋(14)，相邻两条肋之间留有通道称为冷却通道；

喷管基体(1)小端沿周向设计有进口集合器内腔(12)；轴向肋(14)在靠近喷管小端端面(16)的位置由轴向转变为径向，越过喷管外壁(15)后又折返回轴向，嵌入进口集合器内腔(12)；冷却通道与进口集合器内腔(12)的交界面为冷却通道进口(11)，冷却通道与喷管小端端面(16)的距离t1与喷管内壁壁厚b相当，为0.8-1.2mm；

喷管基体(1)大端沿周向设计有环向凹槽，冷却通道与环向凹槽的交界面为冷却通道出口(17)；肋(14)在靠近喷管大端端面(18)的位置由轴向转变为径向，越过喷管外壁(15)后与出口端面齐平；冷却通道与喷管大端端面(18)的距离t2为喷管内壁壁厚b的1.5-3倍；

轴向肋(14)的宽度取1.2-2.5mm。

2.根据权利要求1所述的一种热防护增强型3D打印喷管延伸段，其特征在于：进口集合器径向孔底以喷管外壁(15)为底部。

3.根据权利要求2所述的一种热防护增强型3D打印喷管延伸段，其特征在于：进口集合器内腔(12)沿周向贯穿径向孔底部上侧，采用尖顶型自支撑设计，冷却通道进口处肋的端面构成了尖顶的一侧面，所述侧面与径向夹角为50°，一端连接喷管外壁(15)，一端连接进口集合器内腔(12)对侧面。

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