CN115073200B - 用于陶瓷反应室与高温合金喷注器的对接密封结构及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了用于陶瓷反应室与高温合金喷注器的对接密封结构及方法，密封结构包括喷注面板、外部托架、转接环和陶瓷反应室，喷注面板、转接环、陶瓷反应室依次设置，陶瓷反应室外壁有凸环，外部托架套设于陶瓷反应室外部并卡设于凸环，转接环与喷注面板、外部托架、和陶瓷反应室分别连接，外部托架与喷注面板连接；密封方法包括通过电子束焊将两个半圆转接环连接，然后依次按照转接环、外部托架安装的顺序与陶瓷反应室进行钎焊，最后将喷注面板通过电子束焊与钎焊好的结构完成装配。解决了无毒单组元发动机喷注器、反应室等关键部件之间可靠连接和密封问题，降低发动机的整机重量，在满足高可靠性的前提下，降低了成本。

Description

用于陶瓷反应室与高温合金喷注器的对接密封结构及方法

技术领域

本申请涉及一种用于陶瓷反应室与高温合金喷注器的对接密封结构及方法，属于无毒单组元液体火箭发动机的技术领域。

背景技术

无毒单组元推进剂，主要涉及二硝酰胺铵(ADN)和硝酸羟胺(HAN),具有比冲和密度比冲高、无毒等优点，是目前一种良好应用前景的高能绿色推进剂。

传统的单组元推力器研制过程中喷注器和推力室、催化床和喷管都是通过电子束焊的方式进行连接，连接可靠，但是增加了研制过程中的催化床、喷管和喷注器等关键部件之间协同设计的费用且无法满足整机轻质化的需求。

SiBCN陶瓷喷管的应用解决了目前单组元推进系统降低重量的需求，如果使得陶瓷发动机机身与高温合金喷注器可靠连接，是需要关注的关键问题之一。因此，本发明提出了一种用于陶瓷反应室与高温合金喷注器对接密封结构及装配方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种用于陶瓷反应室与高温合金喷注器的对接密封结构及方法，解决了目前无毒单组元发动机中高温合金喷注器和陶瓷喷管之间的可靠连接和密封问题。并可有效降低发动机的整机重量，在满足高可靠性的前提下，实现了降低成本的需求。

第一方面，本申请提供了用于陶瓷反应室与高温合金喷注器的对接密封结构，采用如下技术方案：

用于陶瓷反应室与高温合金喷注器的对接密封结构，包括喷注面板、外部托架、转接环和陶瓷反应室，喷注面板位于陶瓷反应室的端部，转接环位于喷注面板和陶瓷反应室之间，陶瓷反应室外壁有凸环，外部托架套设于陶瓷反应室外部并卡设于凸环，转接环与喷注面板、外部托架、和陶瓷反应室分别连接，外部托架与喷注面板连接。

所述外部托架设置有直径依次增大的第一腔室、第二腔室和第三腔室，第一腔室和第二腔室之间为第一分界面，、第二腔室和第三腔室之间为第二分界面，外部托架的第一腔室位置处的内壁与陶瓷反应室外壁抵接，外部托架的第二腔室位置处的内壁与凸环的外壁抵接，外部托架的第三腔室位置处的内壁与转接环的外壁抵接。

所述喷注面板朝向陶瓷反应室的端部开设有环槽，转接环和陶瓷反应室的端部均卡设于环槽内。

所述喷注面板外径为D3，外部托架外径为D6，转接外径为D1、内径为D2，陶瓷反应室的外径为D5，凸环外径为D4；D3-D6≤0.1mm，D6＞D1＞D4＞D5＞D2，D6-D1≥2mm，D1-D2≥3mm，1mm≤D1-D4≤2mm，2mm≤D4-D5≤3mm。

所述转接环的边缘位置均设置半径为R1的圆角；凸环外壁面的两端位置设置半径为R2的圆角；0.5mm≤R1≤1mm，0.5mm≤R2≤1mm。

所述喷注面板与外部托架通过电子束焊相连接；转接环与喷注面板之间、转接环与外部托架之间、转接环与陶瓷反应室之间、陶瓷反应室与外部托架之间均通过钎焊连接。

所述钎焊采用的钎料为CuNiTi钎料。

所述陶瓷反应室由SiBCN的复合材料的陶瓷基材组成；喷注器中喷注面板和外部托架材质为高温合金；转接环为铌环。

所述转接环包括两个半环。

第二方面，本申请提供了用于陶瓷反应室与高温合金喷注器的对接密封方法，采用如下技术方案：

用于陶瓷反应室与高温合金喷注器的对接密封方法，包括以下步骤：

通过电子束焊的方式连接两个半环得到转接环，完成铌合金与铌合金的连接；

将转接环安装于陶瓷反应室的端部，在转接环圆弧四周添加钎料；

在凸环的圆弧四周添加钎料，将外部托架套设于陶瓷反应室外并使外部托架与凸环压紧；

最后将喷注面板安装于转接环的端部并压紧，得到安装体；

将安装体放入焊接炉，完成转接环与外部托架、转接环和陶瓷反应室的连接；

通过电子束焊的方式完成喷注面板和外部托架的连接。

该装配方法首先通过电子束焊将两个半圆转接环连接，然后依次按照转接环、外部托架安装的顺序与陶瓷反应室进行钎焊，最后将喷注面板通过电子束焊与钎焊好的结构完成装配，通过最终达到密封的目的。

综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果：

1)本发明有效解决了高温合金喷注器和陶瓷喷管之间的可靠连接和密封问题。通过转接环的设计和转配步骤，提出了铌Nb和高温合金GH3128，Nb和陶瓷SiBCN两步骤的焊接方式，完成了高温合金GH3128和陶瓷SiBCN的连接问题，

2)钎焊过程中通过钎料的填隙作用，可实现陶瓷喷管与转接环的钎焊连接，从而实现三面密封，兼之电子束焊金属接头一般具有的高强度和高气密性，可使得结构具有很好的气密性；

3)通过结构设计，使得金属材料主要承受拉应力，而陶瓷材料主要受压，充分利用的不同材料的优势，扬长避短，有利于连接结构的稳定性；连接方案分两步进行，钎焊过程中催化剂无需装入喷管，而电子束连接中催化剂远离热影响区，可避免高温处理对催化剂的不利影响和安全隐患。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中陶瓷反应室与高温合金喷注器对接密封结构的结构示意图。

图2为本发明结构图局部方法图。

图3为本发明装配方法图。

附图标记说明：：1、喷注面板；2、外部托架；3、转接环；4、陶瓷反应室。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细的描述：

本实施例的陶瓷反应室4与高温合金喷注器的对接密封结构：可以适用于二硝酰胺铵(ADN)和硝酸羟胺(HAN)无毒陶瓷发动机，覆盖推力1N～500N。

本申请实施例公开一种用于陶瓷反应室4与高温合金喷注器的对接密封结构及方法。

参照图1，一种用于陶瓷反应室4与高温合金喷注器的对接密封结构，包括喷注面板1、外部托架2、转接环3和陶瓷反应室4，喷注面板1位于陶瓷反应室4的端部，转接环3位于喷注面板1和陶瓷反应室4之间，陶瓷反应室4外壁有凸环，外部托架2套设于陶瓷反应室4外部并卡设于凸环，转接环3与喷注面板1、外部托架2、和陶瓷反应室4分别连接，外部托架2与喷注面板1连接。通过该密封结构，无毒单组元发动机中高温合金喷注器和陶瓷喷管之间实现了可靠连接和密封。

参照图1和图2，外部托架2设置有直径依次增大的第一腔室、第二腔室和第三腔室，第一腔室和第二腔室之间为第一分界面，、第二腔室和第三腔室之间为第二分界面，外部托架2的第一腔室位置处的内壁与陶瓷反应室4外壁抵接，外部托架2的第二腔室位置处的内壁与凸环的外壁抵接，外部托架2的第三腔室位置处的内壁与转接环3的外壁抵接。喷注面板1朝向陶瓷反应室4的端部开设有环槽，转接环3和陶瓷反应室4的端部均卡设于环槽内。转接环3沿着自身轴线方向的深度为L1，凸环沿着自身轴线方向的深度为L2，环槽沿着喷注面板1轴线方向的深度为L6，L6>L1。转接环3包括两个半环，两个半环之间通过电子束焊的方式连接。

参照图2和图3，喷注面板1与外部托架2通过电子束焊相连接；转接环3与喷注面板1之间、转接环3与外部托架2之间、转接环3与陶瓷反应室4之间、陶瓷反应室4与外部托架2之间均通过钎焊连接。钎焊采用的钎料为CuNiTi钎料。具体的，喷注面板1的左端面与外部毛细管和支撑框架相连接；所述喷注面板1的右端面与外部托架2通过电子束焊相连接；所述喷注面板1的右端面与转接环3的左端面通过钎焊连接；所述外部托架2的端面与转接环3的上端面通过钎焊连接；所述陶瓷反应室4的外端面与转接环3的下端面通过钎焊连接；所述转接环3的右端面和分别与外部托架2的端面和陶瓷反应室4的上端面通过钎焊连接；所述陶瓷反应室4的端面与外部托架2端面通过钎焊连接。

参照图2，喷注面板1外径为D3，外部托架2外径为D6，转接外径为D1、内径为D2，陶瓷反应室4的外径为D5，凸环外径为D4；D3-D6≤0.1mm，D6＞D1＞D4＞D5＞D2，D6-D1≥2mm，D1-D2≥3mm，1mm≤D1-D4≤2mm，2mm≤D4-D5≤3mm。转接环3的边缘位置均设置半径为R1的圆角；凸环外壁面的两端位置设置半径为R2的圆角；0.5mm≤R1≤1mm，0.5mm≤R2≤1mm。

陶瓷反应室4由SiBCN的复合材料的陶瓷基材组成，喷注器中喷注面板1和外部托架2由高温合金GH3128材料组成，转接环3由铌Nb环组成。

本实施例还公开了用于陶瓷反应室4与高温合金喷注器的对接密封方法，包括以下步骤：

通过电子束焊的方式连接两个半环得到转接环3，完成铌合金与铌合金的连接；

将转接环3安装于陶瓷反应室4的端部，在转接环3圆弧四周添加钎料；

在凸环的圆弧四周添加钎料，将外部托架2套设于陶瓷反应室4外并使外部托架2与凸环压紧；

最后将喷注面板1安装于转接环3的端部并压紧，得到安装体；

将安装体放入焊接炉，完成转接环3与外部托架2、转接环3和陶瓷反应室4的连接；

通过电子束焊的方式完成喷注面板1和外部托架2的连接。

本申请的实施原理为：通过设置上述密封结构，以及转接环3、外部托架2的材质，并按照转接环3、外部托架2安装的顺序与陶瓷反应室4进行钎焊，最后将喷注面板1通过电子束焊与钎焊好的结构完成装配，实现了陶瓷反应室4与高温合金喷注器之间的可靠密封。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.用于陶瓷反应室与高温合金喷注器的对接密封结构，其特征在于：包括喷注面板(1)、外部托架(2)、转接环(3)和陶瓷反应室(4)，

喷注面板(1)位于陶瓷反应室(4)的端部，转接环(3)位于喷注面板(1)和陶瓷反应室(4)之间，

陶瓷反应室(4)外壁有凸环，外部托架(2)套设于陶瓷反应室(4)外部并卡设于凸环，转接环(3)与喷注面板(1)、外部托架(2)、和陶瓷反应室(4)分别连接，外部托架(2)与喷注面板(1)连接；

所述外部托架(2)设置有直径依次增大的第一腔室、第二腔室和第三腔室，第一腔室和第二腔室之间为第一分界面，第二腔室和第三腔室之间为第二分界面，外部托架(2)的第一腔室位置处的内壁与陶瓷反应室(4)外壁抵接，外部托架(2)的第二腔室位置处的内壁与凸环的外壁抵接，外部托架(2)的第三腔室位置处的内壁与转接环(3)的外壁抵接；

转接环外径D1大于凸环外径D4；

所述喷注面板(1)与外部托架(2)通过电子束焊相连接；转接环(3)与喷注面板(1)之间、转接环(3)与外部托架(2)之间、转接环(3)与陶瓷反应室(4)之间、陶瓷反应室(4)与外部托架(2)之间均通过钎焊连接；

陶瓷反应室(4)由SiBCN的复合材料的陶瓷基材组成；喷注器中喷注面板(1)和外部托架(2)材质为高温合金；转接环(3)为铌环。

2.根据权利要求1所述的用于陶瓷反应室与高温合金喷注器的对接密封结构，其特征在于：所述喷注面板(1)朝向陶瓷反应室(4)的端部开设有环槽，转接环(3)和陶瓷反应室(4)的端部均卡设于环槽内。

3.根据权利要求1所述的用于陶瓷反应室与高温合金喷注器的对接密封结构，其特征在于：所述喷注面板(1)外径为D3，外部托架(2)外径为D6，转接环外径为D1、内径为D2，陶瓷反应室(4)的外径为D5，凸环外径为D4；D3-D6≤0.1mm，D6＞D1＞D4＞D5＞D2，D6-D1≥2mm，D1-D2≥3mm，1mm≤D1-D4≤2mm，2mm≤D4-D5≤3mm。

4.根据权利要求1所述的用于陶瓷反应室与高温合金喷注器的对接密封结构，其特征在于：所述转接环(3)的边缘位置均设置半径为R1的圆角；凸环外壁面的两端位置设置半径为R2的圆角；0.5mm≤R1≤1mm，0.5mm≤R2≤1mm。

5.根据权利要求1所述的用于陶瓷反应室与高温合金喷注器的对接密封结构，其特征在于：所述钎焊采用的钎料为CuNiTi钎料。

6.根据权利要求1所述的用于陶瓷反应室与高温合金喷注器的对接密封结构，其特征在于：所述转接环(3)包括两个半环。

7.权利要求1-6任一所述的用于陶瓷反应室与高温合金喷注器的对接密封结构的对接密封方法，其特征在于：包括以下步骤：

通过电子束焊的方式连接两个半环得到转接环(3)，完成铌合金与铌合金的连接；

将转接环(3)安装于陶瓷反应室(4)的端部，在转接环(3)圆弧四周添加钎料；

在凸环的圆弧四周添加钎料，将外部托架(2)套设于陶瓷反应室(4)外并使外部托架(2)与凸环压紧；

最后将喷注面板(1)安装于转接环(3)的端部并压紧，得到安装体；

将安装体放入焊接炉，完成转接环(3)与外部托架(2)、转接环(3)和陶瓷反应室(4)的连接；

通过电子束焊的方式完成喷注面板(1)和外部托架(2)的连接。

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