CN115095448A - 一种含有裙的一体化复材燃烧室壳体及缠绕方法 - Google Patents

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Abstract

一种含有裙的一体化复材燃烧室壳体及方法，包括绝热层、缠裙模、封头和缠绕层；绝热层设置在芯模外表面，封头设置在芯模前后端；缠裙模设置在前封头或后封头外侧；缠绕层设置在绝热层外侧，缠绕层为若干交替分布的纵向丝层和环绕丝层。本发明一体化复合材料裙比金属裙更轻，与壳体之间的结合强度更高，并且能够对封头部位进行补强。

Description

一种含有裙的一体化复材燃烧室壳体及缠绕方法
技术领域
本发明属于复材燃烧室壳体技术领域，具体涉及一种含有裙的一体化复材燃烧室壳体及缠绕方法。
背景技术
裙是火箭发动机与载荷舱段之间或多级火箭的不同级火箭发动机之间的连接段，过去的裙都是采用比强度高的金属制造，为了减重现在也有采用复合材料制造的。在缠绕壳体的制造过程中，一般都是在壳体缠绕基本结束后将预先加工好的裙套在壳体的封头，再在外面用纤维缠绕，固化后使裙壳体紧密结合成一体。裙的加入过程极易对已经缠绕好的纤维造成损伤，并且会改变已经缠绕好的纤维的张力，影响产品质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含有裙的一体化复材燃烧室壳体及缠绕方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种含有裙的一体化复材燃烧室壳体，包括绝热层、缠裙模、封头和缠绕层；绝热层设置在芯模外表面，封头设置在芯模前后端；缠裙模设置在前封头或后封头外侧；缠绕层设置在绝热层外侧，缠绕层为若干交替分布的纵向丝层和环绕丝层。
进一步的，缠裙模的外圆与芯模同轴并固定在芯模的轴上。
进一步的，缠裙模制作成具有一定锥度的整体模或为可分解的拼合式。
进一步的，缠裙模的顶端为贴合缠绕层状或为圆角状。
进一步的，缠绕层与封头接触处的内径为小于等于封头内嵌金属件的最大外径。
进一步的，缠绕层端部嵌入金属环，通过带有张力的含胶纤维与金属环连接处的环向凹槽之间的粘铆作用将金属环固定。
进一步的，一种含有裙的一体化复材燃烧室壳体的缠绕方法，包括以下步骤：
ⅰ.在芯模外筒状铺丝机的铺丝头围绕芯模向右铺纵向丝层，铺丝头掠过封头赤道线后铺丝机的箍缩环向内动作，将筒状丝束压缩与芯模贴紧，然后芯模转动半圈、箍缩环向外动作放开筒状丝束，铺丝头向左铺纵向丝层，并在铺丝头掠过封头赤道线后铺丝机的箍缩环向内动作，将筒状丝束压缩与芯模贴紧，然后芯模转动半圈、箍缩环向外动作放开筒状丝束；
ⅱ.筒状铺丝机的右环绕器自赤道线向左缠绕环绕丝层至左侧封头的赤道线；
ⅲ.在右侧封头和左侧封头的纵向丝层外面粘贴补强材料；铺丝头围绕芯模向右铺纵向丝层，铺丝头掠过右封头赤道线后铺丝机的箍缩环向内动作，将筒状丝束压缩与芯模贴紧，然后芯模转动半圈、箍缩环向外动作放开筒状丝束，铺丝头向左铺纵向丝层，并在铺丝头掠过封头赤道线后铺丝机的箍缩环向内动作，将筒状丝束压缩与芯模贴紧，然后芯模转动半圈、箍缩环向外动作放开筒状丝束；
ⅳ.按照设计重复步骤ⅰ～ⅲ使缠绕厚度复合要求；
ⅴ.在芯模右侧转轴外安装缠裙模，并将缠裙模的左端紧贴封头；
ⅵ.铺丝头围绕芯模向右纵向丝层直至缠裙模的右端；
ⅶ.铺丝机的左环绕器自左赤道线向右缠绕环绕丝层至缠裙模右端挡板；
ⅷ.铺丝头向左纵向丝层至右封头的赤道线；
ⅸ.铺丝机的右环绕器自缠裙模左端向右缠绕环绕丝层至右封头的赤道线；
ⅹⅰ.重复ⅵ～ⅸ；
ⅹⅱ.最后一层纵向丝层自缠裙模左端向右缠绕至左封头并扭转180°停止；然后右侧环绕器自缠裙模右端挡板向左缠绕环绕丝层至左侧封头的赤道线，最后在左侧封头根部剪断铺丝头的上的所有纱线；
ⅹⅲ.放入固化炉加热固化后，去除缠裙模和芯模，最后再对裙进行机械加工，得到带有裙的一体化复材燃烧室。
进一步的，缠绕层与封头接触处的内径为小于等于封头内嵌金属件的最大外径时，装上缠裙模后铺丝头向左铺丝，然后右侧环绕头向左进行环绕，当进行到赤道线后，近似圆柱面的铺丝在环向纱的作用下向轴线方向收缩并与封头和缠裙模贴紧，控制环绕头在此范围左右往复缠绕将空间填充，环向纱在绕到赤道线后即行对凹槽部位的缠绕，然后向上填充，在进行裙的铺缠中加入轴向的铺丝。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
1、本发明整体重量更轻，一体化复合材料裙免除了为了将裙与壳体链接而专门做的缠绕，复材裙要比金属裙更轻；
2、裙与壳体结合强度更高，因为裙与壳体是一次性缠绕成型，所用的材料相同，结合力强；
3、对壳体封头处的强度有较大的增强作用，可以根据需要单独对封头处加强铺缠，可以免除传统的贴补强材料。
附图说明
图1为一种含有裙的一体化复材燃烧室壳体的缠绕方法示意图
图2为一种含有裙的一体化复材燃烧室壳体示意图
图3为一种含有裙与壳体连接处的缠绕方法放大示意图
图4为具有赤道线补强作用的大圆角裙根部缠绕示意图
图5为具有赤道线补强作用的大圆角裙示意图
图6为有封头补强铺缠的作用的一体化裙示意图
图7为有封头补强铺缠的作用的一体化裙的铺缠工艺示意图
图8为有封头补强铺缠的作用并包含裙端金属环的一体化裙示意图
其中：01——绝热层、02——封头法兰、03——缠裙模、04——裙、05——封头、06——纵向丝、07——纵向丝、08——环绕丝、09——纵向丝、10——纵向丝、11——纵向丝、12——环绕丝、13——环绕丝、14——环绕丝、15——纵向丝、16——环绕丝、17——纵向丝、18——环绕丝、19——补强材料、20——赤道线、21——传统壳体缠绕部分、22——一体化缠绕复合裙、23——被压进封头处的向右轴向纱、24——环向纱、25——被压进封头处的向右铺的轴向纱、26——向左铺的轴向纱、27——环向纱、28——向右铺的轴向纱、30——金属环。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1至图8，一体化复材燃烧室壳体的缠绕方法,
使用具有环绕功能的筒状铺丝机，并制作缠裙模，通过纵向铺丝和环向缠绕在芯模或附有绝热层和前后封头的芯模上进行纤维缠绕，燃烧室承压壳体的缠绕完成后，在前封头或后封头外加入与芯模同轴的缠裙模，继续通过纵向铺丝和环向缠绕制作出外径与壳体外径相同的管状裙，固化后脱模，就得到了与复材燃烧室一体化的裙。
缠裙模固定在芯模的轴上，缠裙模的外圆与芯模同轴。
缠裙模制作成具有一定锥度的整体模。
缠裙模为可分解的拼合式。
带有裙的一体化复材燃烧室的缠绕工艺步骤：
ⅰ.在芯模外筒状铺丝机的铺丝头围绕芯模向右铺纵向丝06，铺丝头掠过封头赤道线后铺丝机的箍缩环向内动作，将筒状丝束压缩与芯模贴紧，然后芯模转动半圈、箍缩环向外动作放开筒状丝束，铺丝头向左铺纵向丝07，并在铺丝头掠过封头赤道线后铺丝机的箍缩环向内动作，将筒状丝束压缩与芯模贴紧，然后芯模转动半圈、箍缩环向外动作放开筒状丝束；
ⅱ.筒状铺丝机的右环绕器自赤道线向左缠绕环绕丝08至左侧封头的赤道线；
ⅲ.在右侧封头和左侧封头的纵向丝07外面粘贴补强材料19；铺丝头围绕芯模向右铺纵向丝09，铺丝头掠过右封头赤道线后铺丝机的箍缩环向内动作，将筒状丝束压缩与芯模贴紧，然后芯模转动半圈、箍缩环向外动作放开筒状丝束，铺丝头向左铺纵向丝10，并在铺丝头掠过封头赤道线后铺丝机的箍缩环向内动作，将筒状丝束压缩与芯模贴紧，然后芯模转动半圈、箍缩环向外动作放开筒状丝束；
ⅳ.按照设计重复步骤ⅰ～ⅲ使缠绕厚度复合要求；
ⅴ.在芯模右侧转轴外安装缠裙模03，并将缠裙模03的左端紧贴封头；
ⅵ.铺丝头围绕芯模向右纵向丝11直至缠裙模03的右端；
ⅶ.铺丝机的左环绕器自左赤道线向右缠绕环绕丝12至缠裙模右端挡板；
ⅷ.铺丝头向左纵向丝13至右封头的赤道线附近；
ⅸ.铺丝机的右环绕器自缠裙模左端向右缠绕环绕丝12至右封头的赤道线附近；
ⅹⅰ.重复ⅵ～ⅸ；
ⅹⅱ.最后一层纵向丝17自缠裙模03左端向右缠绕至左封头并扭转180°左右停止；然后右侧环绕器自缠裙模右端挡板向左缠绕环绕丝21至左侧封头的赤道线，最后在左侧封头根部剪断铺丝头的上的所有纱线；
ⅹⅲ.放入固化炉加热固化后，去除缠裙模03和芯模，最后再对裙进行机械加工，带有裙的一体化复材燃烧室就完成了。
可以将裙内侧与封头接触处的内径减小，使接触面积增大。
将将裙内侧与封头接触处的内径减小至小于等于封头内嵌金属件的最大外径，使接触面积增大。
将裙边的厚度增大，增加裙端与在和之间的接触面积，降低压强。
在裙端嵌入金属环，金属环上制作有连接孔。
实施例1：
请参阅图1～3。本发明一种含有裙的一体化复材燃烧室壳体的缠绕方法，使用具有环绕功能的筒状铺丝机，并采用聚四氟乙烯制作外圆与芯模同轴的缠裙模，先通过纵向铺丝和环向缠绕在芯模或附有绝热层和前后封头的芯模上进行纤维缠绕，待燃烧室承压壳体的缠绕完成后，再在前封头或后封头外加入缠裙模，继续通过纵向铺丝和环向缠绕制作出外径与壳体外径相同的管状裙，固化后脱模，就得到了与复材燃烧室一体化的复合材料裙。为便于脱模，缠裙模采用聚四氟乙烯制作成具有一定锥度的整体模。也可以采用金属制作可分解的拼合式缠裙模。带有裙的一体化复材燃烧室的缠绕工艺步骤如下：
ⅰ.在芯模外筒状铺丝机的铺丝头围绕芯模向右铺纵向丝06，铺丝头掠过封头赤道线后铺丝机的箍缩环向内动作，将筒状丝束压缩与芯模贴紧，然后芯模转动半圈、箍缩环向外动作放开筒状丝束，铺丝头向左铺纵向丝07，并在铺丝头掠过封头赤道线后铺丝机的箍缩环向内动作，将筒状丝束压缩与芯模贴紧，然后芯模转动半圈、箍缩环向外动作放开筒状丝束；
ⅱ.筒状铺丝机的右环绕器自赤道线向左缠绕环绕丝08至左侧封头的赤道线；
ⅲ.在右侧封头和左侧封头的纵向丝07外面粘贴补强材料19；铺丝头围绕芯模向右铺纵向丝09，铺丝头掠过右封头赤道线后铺丝机的箍缩环向内动作，将筒状丝束压缩与芯模贴紧，然后芯模转动半圈、箍缩环向外动作放开筒状丝束，铺丝头向左铺纵向丝10，并在铺丝头掠过封头赤道线后铺丝机的箍缩环向内动作，将筒状丝束压缩与芯模贴紧，然后芯模转动半圈、箍缩环向外动作放开筒状丝束；
ⅳ.按照设计重复步骤ⅰ～ⅲ使缠绕厚度复合要求；
ⅴ.在芯模右侧转轴外安装缠裙模，并将缠裙模的左端紧贴封头；
ⅵ.铺丝头围绕芯模向右纵向丝11直至缠裙模的右端；
ⅶ.铺丝机的左环绕器自左赤道线向右缠绕环绕丝12至缠裙模右端挡板；
ⅷ.铺丝头向左纵向丝13至右封头的赤道线附近；
ⅸ.铺丝机的右环绕器自缠裙模左端向右缠绕环绕丝12至右封头的赤道线附近；
ⅹⅰ.重复ⅵ～ⅸ；
ⅹⅱ.最后一层纵向丝17自缠裙模左端向右铺缠至左封头并扭转180°停止；然后右侧环绕器自缠裙模右端挡板向左缠绕环绕丝21至左侧封头的赤道线，最后在左侧封头根部剪断铺丝头的上的所有纱线；
ⅹⅲ.放入固化炉加热固化后，去除缠裙模和芯模，最后再对裙进行机械加工，带有裙的一体化复材燃烧室就完成了。
实施例2：
请参阅图4。这是本发明一种含有裙的一体化复材燃烧室壳体的结构型式，特意将缠裙模顶端做成圆角，将裙内侧与封头接触处的内径减小，使裙与封头的接触面积增大。在B处通过反复的轴向铺丝和环向缠绕最终使外表面依旧保持平整。这要做的好处主要是裙与封头的接触面积增大，即使在发动机工作中B处出现封头与裙连接处出现分层开裂，也不会影响裙的正常使用。如果裙承受压力，较大的裙与封头的接触面积仍能承担载荷的作用力；如果是承受拉力，因裙最外侧和最内侧等不封轴向纱是直接从壳体的另一端连续的铺上过来的，有足够的抗拉强度去承受所受到的拉力。由于裙的缠绕过程中轴向纱和环向纱始终都是带有恒定的张力，使得裙在封头赤道线A处和附近的B处的部分能够承担很大的环向张力，对封头端的补强作用显著。其缠绕方法基本与实施例1相同，无须赘述。
实施例3：
请参阅图5、6、7。这是本发明一种含有裙的一体化复材燃烧室壳体的另一种结构型式，不仅特意将缠裙模顶端B处做成大圆角，还进一步在C处将裙内侧与封头接触处的内径减小至小于等于封头内嵌金属件的最大外径，使接触面积增大。在C处的缠绕方法是通过在轴向纱上面缠绕足量的环向纱使其厚度增大直径变大的，环向纱因受轴向纱的包裹，固化后不会裸露在外、不会散落，由于裙C处的的缠绕过程中轴向纱和环向纱始终都是带有恒定的张力，整体固化后能承受较大的环向张力，对提高封头部位的壳体强度作用显著。本例中还将裙边D处的厚度增大，以增加裙端与在和之间的接触面积，降低压强，提高使用中的可靠性。缠绕方法详见图7，装上缠裙模后铺丝头向左铺丝11，然后右侧环绕头向左进行环绕，当进行到图6所示的A处赤道线后，近似圆柱面的铺丝11在环向纱12的作用下向轴线方向收缩并与风投和缠裙模贴紧，控制环绕头在此范围左右往复缠绕将空间填充。为防止环向纱滑移，环向纱在绕到赤道线后即行对凹槽部位的缠绕，然后向上填充。固化后这些环向丝将能够在封头处承担围绕壳体轴线环向张力，起到对封头的补强作用。需要强调说明的是，传统的纤维缠绕机在封头处是无法做环向缠绕的，所以需要在封头处加入其它成片的材料进行补强。为了保证裙由一定的抗拉强度，在进行裙的铺缠中加入一些轴向的铺丝，如图中的轴向纱28和轴向纱26。图6、7的缠裙模采用拼合式结构，以便固化后能方便的将缠裙模与产品分离。
实施例4：
请参阅图8，本例采用拼合式模具并在裙端嵌入金属环30，通过带有张力的含胶纤维与金属环连接处的环向凹槽之间的粘铆作用将金属环30与复材裙体牢固的结合成一体。先进行轴向铺丝和对壳体圆柱段进行环向缠绕，然后在封头处装上缠裙模，铺一层轴向纱后即行缠绕，借助环向纱较大的张力将呈圆柱面状的轴向纱强行勒入封头与缠裙模之间的空间并用环向丝进行填充。
以上所述，仅为本发明最典型的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。试图所画的纤维层的数量和薄厚并非实际数量和厚度，所列数据也仅为描述本发明的工作原理，不表示是必须的数值。任何熟悉纤维缠和铺丝技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的等效变化或替换，都应涵盖在本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种含有裙的一体化复材燃烧室壳体，其特征在于，包括绝热层(01)、缠裙模(03)、封头(05)和缠绕层；绝热层(01)设置在芯模外表面，封头(05)设置在芯模前后端；缠裙模(03)设置在前封头或后封头外侧；缠绕层设置在绝热层(01)外侧，缠绕层为若干交替分布的纵向丝层和环绕丝层。
2.根据权利要求1所述的一种含有裙的一体化复材燃烧室壳体，其特征在于，缠裙模固定在芯模的轴上，缠裙模(03)的外圆与芯模同轴。
3.根据权利要求1所述的一种含有裙的一体化复材燃烧室壳体，其特征在于，缠裙模(03)为有锥度的整体模或为可分解的拼合式模。
4.根据权利要求1所述的一种含有裙的一体化复材燃烧室壳体，其特征在于，缠裙模(03)的顶端为贴合缠绕层状或为圆角状。
5.根据权利要求1所述的一种含有裙的一体化复材燃烧室壳体，其特征在于，缠绕层与封头接触处的内径为小于等于封头内嵌金属件的最大外径。
6.根据权利要求1所述的一种含有裙的一体化复材燃烧室壳体，其特征在于，缠绕层端部嵌入金属环(30)，通过带有张力的含胶纤维与金属环连接处的环向凹槽之间的粘铆作用将金属环(30)固定。
7.一种含有裙的一体化复材燃烧室壳体的缠绕方法，其特征在于，基于权利要求1至6任意一项所述的含有裙的一体化复材燃烧室壳体，包括以下步骤：
ⅰ.在芯模外筒状铺丝机的铺丝头围绕芯模向右铺纵向丝层(06)，铺丝头掠过封头赤道线后铺丝机的箍缩环向内动作，将筒状丝束压缩与芯模贴紧，然后芯模转动半圈、箍缩环向外动作放开筒状丝束，铺丝头向左铺纵向丝层(07)，并在铺丝头掠过封头赤道线后铺丝机的箍缩环向内动作，将筒状丝束压缩与芯模贴紧，然后芯模转动半圈、箍缩环向外动作放开筒状丝束；
ⅱ.筒状铺丝机的右环绕器自赤道线向左缠绕环绕丝层(08)至左侧封头的赤道线；
ⅲ.在右侧封头和左侧封头的纵向丝层(07)外面粘贴补强材料(19)；铺丝头围绕芯模向右铺纵向丝层(09)，铺丝头掠过右封头赤道线后铺丝机的箍缩环向内动作，将筒状丝束压缩与芯模贴紧，然后芯模转动半圈、箍缩环向外动作放开筒状丝束，铺丝头向左铺纵向丝层(10)，并在铺丝头掠过封头赤道线后铺丝机的箍缩环向内动作，将筒状丝束压缩与芯模贴紧，然后芯模转动半圈、箍缩环向外动作放开筒状丝束；
ⅳ.按照设计重复步骤ⅰ～ⅲ使缠绕厚度复合要求；
ⅴ.在芯模右侧转轴外安装缠裙模(03)，并将缠裙模(03)的左端紧贴封头；
ⅵ.铺丝头围绕芯模向右纵向丝层(11)直至缠裙模(03)的右端；
ⅶ.铺丝机的左环绕器自左赤道线向右缠绕环绕丝层(12)至缠裙模右端挡板；
ⅷ.铺丝头向左纵向丝层(13)至右封头的赤道线；
ⅸ.铺丝机的右环绕器自缠裙模左端向右缠绕环绕丝层(12)至右封头的赤道线；
ⅹⅰ.重复ⅵ～ⅸ；
ⅹⅱ.最后一层纵向丝层(17)自缠裙模(03)左端向右缠绕至左封头并扭转(180)°停止；然后右侧环绕器自缠裙模右端挡板向左缠绕环绕丝层(21)至左侧封头的赤道线，最后在左侧封头根部剪断铺丝头的上的所有纱线；
ⅹⅲ.放入固化炉加热固化后，去除缠裙模(03)和芯模，最后再对裙进行机械加工，得到带有裙的一体化复材燃烧室。
8.根据权利要求7所述的一种含有裙的一体化复材燃烧室壳体的缠绕方法，其特征在于，缠绕层与封头接触处的内径为小于等于封头内嵌金属件的最大外径时，装上缠裙模后铺丝头向左铺丝，然后右侧环绕头向左进行环绕，当进行到赤道线后，近似圆柱面的铺丝在环向纱的作用下向轴线方向收缩并与风投和缠裙模贴紧，控制环绕头在此范围左右往复缠绕将空间填充，环向纱在绕到赤道线后即行对凹槽部位的缠绕，然后向上填充，在进行裙的铺缠中加入轴向的铺丝。
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