CN114483382A - 一种3d打印一体化喷管延伸段 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种3D打印一体化喷管延伸段，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。喷管基体采用一体化设计打印成型，喷管基体、进口集合器盖、出口集合器盖、底座通过焊接连接。本发明内外壁及部分进、出口集合器采用一体化成型，省去内外壁扩散焊工艺及部分零件间的焊接过程，简化传统铣槽式再生冷却喷管延伸段生产流程，大幅减少零件个数和焊缝数目，提高了结构可靠性。

Description

一种3D打印一体化喷管延伸段
技术领域
本发明属于液体火箭发动机领域，涉及一种3D打印一体化喷管延伸段。
背景技术
中等推力液体火箭发动机喷管延伸段，冷却方式通常有排放冷却和再生冷却，常用的结构形式有管束结构和铣槽结构。管束结构由多根矩形截面管焊接而成，根据单根管子宽度是否变化又可分为螺旋管束结构和纵向管束结构，管束结构涉及到单根管子的生产、成型、装配等，工艺流程复杂、生产成本高。铣槽结构内、外壁通过机加工成型，首先通过铣加工方式在内壁外表面加工能够提升冷却效率的肋，再通过扩散焊等工艺将内外壁连接起来形成带肋的封闭冷却通道，内外壁连接是依靠肋的上表面与外壁内表面接触区域实现连接，铣槽结构通常有上百根肋，并且各个肋条宽度一般仅有1-2mm，扩散焊工艺对内外壁的机加工及装配精度要求较高，内外壁连接的可靠性取决于上百根肋条与外壁面之间的扩散焊连接，焊接质量的检测也是一项严峻的挑战，工艺较复杂，且易出现内外壁未连接缺陷和肋条变形。另外，扩散焊工艺焊接时会使用气体对内外壁加压，内外壁往往会产生凹陷变形，造成通道高度变低，高度过低易造成堵塞或通道流阻增大等问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种3D打印一体化喷管延伸段。
本发明解决技术的方案是：
一种3D打印一体化喷管延伸段，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轴向设计有沟槽，所述沟槽作为冷却通道，沟槽外壁在靠近小端的位置设置有开口，作为冷却通道进口，沟槽外壁在靠近大端的位置设置有开口，作为冷却通道出口；
喷管基体小端一侧有进口集合器，进口集合器上设计有多个径向孔，径向孔底部沿周向设计有进口集合器内腔，所述进口集合器内腔用于连通冷却通道进口与径向孔；
喷管基体大端一侧设计有环向凹槽和出口集合器，出口集合器上设计有多个斜向孔，所述环向凹槽位于斜向孔底部，用于连通冷却通道出口与斜向孔；
上述喷管基体设计完成后通过3D打印成型，进口集合器盖焊接在进口集合器外侧，形成封闭环形腔作为进口集合器外腔；出口集合器盖焊接在出口集合器外侧，形成封闭环形腔作为出口集合器外腔；喷管基体焊接在底座上，喷管基体大端环向凹槽与底座形成出口集合器内腔。
径向孔形状为水滴形。
进口集合器内腔和进口集合器外腔通过进口集合器颈部连接，进口集合器颈部随喷管基体一体化设计并通过3D打印成型；
进口集合器颈部采用尖顶形自支撑设计，避免冗余支撑结构的使用，省去了3D打印后处理环节去除支撑的工作。
出口集合器内腔和出口集合器外腔通过出口集合器颈部连接，出口集合器颈部随喷管基体一体化设计并通过3D打印成型；
出口集合器颈部采用尖顶形自支撑设计，避免冗余支撑结构的使用，省去了3D打印后处理环节去除支撑的工作。
喷管延伸段配套发动机前可确保各条冷却通道通畅无堵塞，避免因冷却通道堵塞而使冷却通道内冷却剂流量不足，最终造成喷管内壁面局部冷却不足出现烧蚀或者烧穿等情况。
底座安装前冷却通道出口的敞口区域作为检查窗口，在进口集合器外腔通入流体介质，在检查窗口处观察每个冷却通道出口是否有流体介质流出，若某个冷却通道出口无流体介质流出或流体介质流动不畅，则说明该条冷却通道存在堵塞情况，需要进行排堵处理；
确保所有的冷却通道无堵塞后，将底座与喷管基体焊接，完成喷管延伸段的生产。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明内外壁及部分进、出口集合器采用一体化成型，省去内外壁扩散焊工艺及部分零件间的焊接过程，简化传统铣槽式再生冷却喷管延伸段生产流程，零件个数由10个以上减少到4个，减少了60％以上，焊缝数目由三百来条(含肋与外壁的连接)减少到6条，减少了98％以上，随着通常作为不可检不可测项目的焊缝的数目大幅减少，产品可靠性有了极大提高。
(2)非性能结构进行3D打印适应性调整，如进口集合器径向孔采用水滴形设计，连接进口集合器内外腔的颈部及连接出口集合器内外腔的颈部分别采用尖顶形自支撑设计，即沿打印方向截面渐变过渡，避免冗余支撑结构的使用，省去了3D打印后处理环节去除支撑的工作。
(3)在喷管延伸段大端预留检查窗口，喷管基体一体化打印完成后，通过出流试验在冷却腔封闭前提前排除可能的冷却通道堵塞问题，出流试验合格后，焊接底座完成喷管延伸段的生产，有效避免通道阻塞问题。
附图说明
图1是一种3D打印一体化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；
图3是喷管延伸段大端局部结构形式图；
其中：1——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——进口集合器颈部，17——进口集合器外腔，18——径向孔,19——冷却通道，13——喷管内壁，14——肋，15——喷管外壁，110——冷却通道出口，111——出口集合器内腔，112——出口集合器颈部，113——斜向孔，114——出口集合器外腔。
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打印优势，设计一种一体化打印喷管延伸段，尽可能地减少喷管延伸段零件个数和焊缝数目。
通过结构一体化设计，使喷管延伸段内外壁(包括内外壁之间到的肋)及部分进、出集合器整体打印成型，局部结构进行3D打印适应性调整，对于非性能结构采用水滴形、自支撑等设计，减少3D打印后需要去除大量支撑的问题，尤其是结构内腔狭小空间支撑的去除。
如图1-3所示，本发明一种3D打印一体化喷管延伸段结构形式，包括喷管基体1、进口集合器盖2、出口集合器盖3、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壁面内里沿轴向设计有沟槽，所述沟槽作为冷却通道19，沟槽外壁在靠近小端的位置设置有开口，作为冷却通道进口11，沟槽外壁在靠近大端的位置设置有开口，作为冷却通道出口110。
喷管基体1小端一侧有进口集合器，进口集合器上设计有多个径向孔18，径向孔底部沿周向设计有进口集合器内腔12，所述进口集合器内腔12用于连通冷却通道进口11与径向孔18。
喷管基体1大端一侧设计有环向凹槽和出口集合器，出口集合器上设计有多个斜向孔113，所述环向凹槽位于斜向孔底部，用于连通冷却通道出口110与斜向孔113。
上述喷管基体1设计完成后通过3D打印成型，进口集合器盖2焊接在进口集合器外侧，形成封闭环形腔作为进口集合器外腔17；出口集合器盖3焊接在出口集合器外侧，形成封闭环形腔作为出口集合器外腔114；喷管基体1焊接在底座4上，喷管基体1大端环向凹槽与底座4形成出口集合器内腔111。
上述喷管基体1设计完成后通过3D打印成型，进口集合器盖2焊接在进口集合器外侧，形成封闭环形腔作为进口集合器外腔17；出口集合器盖3焊接在出口集合器外侧，形成封闭环形腔作为出口集合器外腔114；喷管基体1焊接在底座4上，喷管基体1下部环向凹槽与底座4形成出口集合器内腔111。
进口集合器内腔12和进口集合器外腔17通过进口集合器颈部16连接，进口集合器颈部16随喷管基体1一体化设计并通过3D打印成型。出口集合器内腔111和出口集合器外腔114通过出口集合器颈部112连接，出口集合器颈部112随喷管基体1一体化设计并通过3D打印成型。
本发明中，冷却通道进口11上壁面距离喷管基体小端端面5mm，冷却通道出口110下壁面距离喷管基体大端端面5mm。
工作时，冷却剂首先进入进口集合器外腔17，通过沿圆周方向的多个径向孔18进入进口集合器内腔12，再通过多条冷却通道进口11流入冷却通道，对喷管内壁进行冷却，两条冷却通道之间的壁面称为肋，冷却通道19是由多条肋14分割的独立腔道，肋14有助于增强换热效果，冷却剂冷却完喷管内壁后流入出口集合器内腔111，后经多个斜向孔113进入出口集合器外腔114。
喷管延伸段基体1采用一体化设计，喷管内壁13、肋14、喷管外壁15、进出口集合器部分结构及集合器与基体连接的颈部一体打印成型，省去内外壁扩散焊工艺及部分零件间的焊接过程，简化传统铣槽式再生冷却喷管延伸段生产流程，大幅减少零件个数和焊缝数目，提高了结构可靠性。
为适应3D打印自成型需要，连接进口集合器外腔17与进口集合器内腔12的径向孔18采用水滴形设计，如图2中的A向视图所示。进口集合器颈部16、出口集合器颈部112采用尖顶形自支撑设计，避免支撑结构的使用，以及后续去支撑环节可能将多余物引入狭小的冷却通道。
冷却通道19尺寸通常较小，高度一般为2mm左右，宽度一般为1.5mm左右，通道堵塞冷却剂无法流通会造成冷却失效，进而喷管内壁烧蚀。喷管延伸段配套发动机前应确保各条冷却通道通畅无堵塞，冷却通道进出口区域结构较复杂，存在结构遮挡，部分通道无法通过无损检测查看通道是否堵塞，因此设计了底座4，底座4安装前冷却通道出口的敞口区域可以作为检查窗口，在进口集合器外腔17通入流体介质，在检查窗口观察每个冷却通道出口是否有流体介质流出，若某个冷却通道出口无流体介质流出或流体介质流动不畅，则说明该条通道存在堵塞情况，需要进行排堵处理，确保所有的冷却通道无堵塞后，安装底座4，将其与沟槽喷管基体1焊接，完成喷管延伸段的生产。
火箭一级用中等推力液体火箭发动机，喷管面积比适中，喷管延伸段尺寸较小，在常规3D打印设备允许的尺寸范围内，通过一体化设计，可大幅减少喷管延伸段零件个数和焊缝数目，简化结构复杂度、提高结构可靠性。
本发明设计的一种3D打印一体化喷管延伸段，结构形式简单、可靠性高，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 (6)

1.一种3D打印一体化喷管延伸段，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)壁面内里沿轴向设计有沟槽，所述沟槽作为冷却通道(19)，沟槽外壁在靠近小端的位置设置有开口，作为冷却通道进口(11)，沟槽外壁在靠近大端的位置设置有开口，作为冷却通道出口(110)；
喷管基体(1)小端一侧有进口集合器，进口集合器上设计有多个径向孔(18)，径向孔底部沿周向设计有进口集合器内腔(12)，所述进口集合器内腔(12)用于连通冷却通道进口(11)与径向孔(18)；
喷管基体(1)大端一侧设计有环向凹槽和出口集合器，出口集合器上设计有多个斜向孔(113)，所述环向凹槽位于斜向孔底部，用于连通冷却通道出口(110)与斜向孔(113)；
上述喷管基体(1)设计完成后通过3D打印成型，进口集合器盖(2)焊接在进口集合器外侧，形成封闭环形腔作为进口集合器外腔(17)；出口集合器盖(3)焊接在出口集合器外侧，形成封闭环形腔作为出口集合器外腔(114)；喷管基体(1)焊接在底座(4)上，喷管基体(1)大端环向凹槽与底座(4)形成出口集合器内腔(111)。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印一体化喷管延伸段，其特征在于：径向孔(18)形状为水滴形。
3.根据权利要求1所述的一种3D打印一体化喷管延伸段，其特征在于：进口集合器内腔(12)和进口集合器外腔(17)通过进口集合器颈部(16)连接，进口集合器颈部(16)随喷管基体(1)一体化设计并通过3D打印成型；
进口集合器颈部(16)采用尖顶形自支撑设计，避免冗余支撑结构的使用，省去了3D打印后处理环节去除支撑的工作。
4.根据权利要求1所述的一种3D打印一体化喷管延伸段，其特征在于：出口集合器内腔(111)和出口集合器外腔(114)通过出口集合器颈部(112)连接，出口集合器颈部(112)随喷管基体(1)一体化设计并通过3D打印成型；
出口集合器颈部(112)采用尖顶形自支撑设计，避免冗余支撑结构的使用，省去了3D打印后处理环节去除支撑的工作。
5.根据权利要求1所述的一种3D打印一体化喷管延伸段，其特征在于：喷管延伸段配套发动机前可确保各条冷却通道通畅无堵塞，避免因冷却通道堵塞而使冷却通道内冷却剂流量不足，最终造成喷管内壁面局部冷却不足出现烧蚀或者烧穿等情况。
6.根据权利要求5所述的一种3D打印一体化喷管延伸段，其特征在于：底座(4)安装前冷却通道出口的敞口区域作为检查窗口，在进口集合器外腔(17)通入流体介质，在检查窗口处观察每个冷却通道出口是否有流体介质流出，若某个冷却通道出口无流体介质流出或流体介质流动不畅，则说明该条冷却通道存在堵塞情况，需要进行排堵处理；
确保所有的冷却通道无堵塞后，将底座(4)与喷管基体(1)焊接，完成喷管延伸段的生产。
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