CN117759794B - 无缝s形摇摆软管及火箭发动机 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种无缝S形摇摆软管及火箭发动机，涉及航空器件技术领域。无缝S形摇摆软管包括：波纹管本体、第一端口连接法兰及第二端口连接法兰，第一端口连接法兰及第二端口连接法兰分别设置于波纹管本体的端口处，波纹管本体包括多个波峰段、过渡段及波谷段，沿波纹管本体的轴线方向，波峰段与波谷段通过过渡段交替连接，其中，过渡段的轴向截面轮廓为S形，波峰段、波谷段及过渡段为一体成型结构；稳定器的两端分别连接于第一端口连接法兰及第二端口连接法兰。本申请提供的无缝S形摇摆软管，具有较好的耐压能力及大位移补偿能力，弹性好，延展性好，疲劳寿命高，且密封性能好，能够有效地避免燃料物质的泄漏。

Description

无缝S形摇摆软管及火箭发动机

技术领域

本申请涉及航空器件技术领域，具体涉及一种无缝S形摇摆软管及火箭发动机。

背景技术

摇摆软管是为液体火箭发动机提供推进剂的输送装置，它在空间中根据程序多次弯曲伸长变形，实现液体火箭发动机的摇摆，摇摆软管是发动机实现摇摆的核心部件。

相关技术中，摇摆软管最常见的波形为U形和Ω形，U形的摇摆软管弹性相对较差，耐压力和疲劳寿命较低，Ω形的摇摆软管的结构较大，因此在火箭发动机中会占用更多的空间。另外，摇摆软管通常为金属材质，现有的摇摆软管成型工艺包括液压成型与膜片焊接成型，普通液压成型的摇摆软管有摇摆幅度径向刚度大，质量重等缺点。膜片焊接成型同样存在安全性风险，承压低，工艺复杂的缺点。

发明内容

为了解决背景技术中存在的至少一个方面的技术问题，本申请提供一种无缝S形摇摆软管，具有较好的耐压能力及大位移补偿能力，弹性好，延展性好，疲劳寿命高，且密封性能好，能够有效地避免燃料物质的泄漏。

本申请第二方面提供一种火箭发动机。

本申请所采用的技术方案为：

本申请第一方面实施例提供一种无缝S形摇摆软管，包括：

波纹管本体、第一端口连接法兰及第二端口连接法兰，所述第一端口连接法兰及所述第二端口连接法兰分别设置于所述波纹管本体的端口处，所述波纹管本体包括多个波峰段、过渡段及波谷段，沿所述波纹管本体的轴线方向，所述波峰段与所述波谷段通过所述过渡段交替连接，其中，所述过渡段的轴向截面轮廓为S形，所述波峰段、所述波谷段及所述过渡段为一体成型结构；

稳定器，所述稳定器的两端分别连接于所述第一端口连接法兰及所述第二端口连接法兰。

根据本申请第一方面实施例提供的无缝S形摇摆软管，通过将波纹管本体的波节侧壁的波形优化为S形，提高了延展性和耐压能力，且波纹管本体为一体成型结构，无拼接缝，密封性能好。具体地，无缝S形摇摆软管包括波纹管本体及稳定器，其中波纹管本体的两个端口位置分别设置有第一端口连接法兰和第二端口连接法兰，波纹管本体包括多个波峰段、过渡段及波谷段，沿波纹管本体的轴线方向，波峰段与波谷段通过过渡段交替连接，其中，过渡段的轴向截面轮廓为S形，无缝S形摇摆软管的S形波纹结构，使其在受力变形时有更多力的作用点，从而使波节受力均匀，减少了应力集中的现象，大大提高了波纹管本体的弹性性能，从而具有较好的弹性和可变形性，这使得其能够适应火箭发动机系统中的热胀冷缩和振动等变形情况，减少了应力集中和疲劳破坏的风险，进一步地，波峰段、波谷段及过渡段为一体成型结构，也即，波峰段、波谷段及过渡段之间的连接没有拼接缝，密封性能好，因此能够有效地防止燃料泄漏。稳定器可以防止波纹管本体结构在受到外部力的影响时发生不稳定或失稳，从而维持整个无缝S形摇摆软管以及火箭发动机的稳定性。综上所述，本申请第一方面实施例提供的无缝S形摇摆软管，具有较好的耐压能力及大位移补偿能力，弹性好，延展性好，疲劳寿命高，且密封性能好，能够有效地避免燃料物质的泄漏。

本申请提供的技术方案还包括下述附加技术特征：

根据本申请的一个实施例，所述波纹管本体的深波系数值K为1.3~1.9，所述波纹管本体的壁厚与内径之间的比值范围为0.006~0.05。

根据本申请的一个实施例，所述波纹管本体的管壁包括GH4169高温合金层、镍合金层及纳米复合层中的至少一者。

根据本申请的一个实施例，至少存在一个所述波峰段的波峰圆弧半径与其他的所述波峰段的波峰圆弧半径不相同。

根据本申请的一个实施例，至少存在一个所述波谷段的波谷圆弧半径与其他的所述波谷段的波谷圆弧半径不相同。

根据本申请的一个实施例，所述波峰段的波峰圆弧半径与所述波谷段的波谷圆弧半径不相同。

根据本申请的一个实施例，所述稳定器包括第一转杆及第二转杆，所述第一转杆的第一端铰接于所述第一端口连接法兰，所述第二转杆的第一端铰接于所述第二端口连接法兰，所述第一转杆的第二端铰接于所述第二转杆的第二端。

根据本申请的一个实施例，所述波纹管本体采用多波一次成型工艺成型。

根据本申请的一个实施例，所述波纹管本体还包括铠装套环，所述铠装套环套设于所述波谷段。

本申请第二方面实施例提供一种火箭发动机，包括如上所述第一方面任一实施例中的无缝S形摇摆软管。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的无缝S形摇摆软管的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的无缝S形摇摆软管的S波形外轮廓结构示意图。

其中，

1、无缝S形摇摆软管；11、波纹管本体；111、波峰段；112、过渡段；113、波谷段；12、第一端口连接法兰；13、第二端口连接法兰；14、稳定器；141、第一转杆；142、第二转杆；15、铠装套环。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及各实施例中的特征可以相互结合。

另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

如图1至图2所示，本申请第一方面实施例提供一种无缝S形摇摆软管1，包括波纹管本体11、第一端口连接法兰12、第二端口连接法兰13及稳定器14，第一端口连接法兰12及第二端口连接法兰13分别设置于波纹管本体11的端口处，波纹管本体11包括多个波峰段111、过渡段112及波谷段113，沿波纹管本体11的轴线方向，波峰段111与波谷段113通过过渡段112交替连接，其中，过渡段112的轴向截面轮廓为S形，波峰段111、波谷段113及过渡段112为一体成型结构；稳定器14的两端分别连接于第一端口连接法兰12及第二端口连接法兰13。

摇摆软管在火箭发动机中是一个关键部件，它的主要作用是通过摆动改变气焰方向，从而调整火箭的飞行姿态。这种设计使得火箭发动机结构更加紧凑，火箭总体构型更加优化，可以为火箭巧妙地节省空间，为研制更大推力的液体火箭发动机奠定了坚实的基础。

波纹管本体11是具有多个横向波纹的圆柱形薄壁折皱的壳体，波纹管本体11具有弹性，在压力、轴向力、横向力或弯矩作用下能产生位移。其中，波峰段111是指波纹管本体11上的凸起部分，波谷段113是指波纹管本体11上的凹陷部分，相邻的两个波谷段113之间为一个波节，在波纹管本体11的设计中，波峰段111以及波谷段113的形状和大小会影响到波纹管本体11的刚度、位移和承压能力，过渡段112是指波峰段111及波谷段113之间的连接部分，截面是S状的弧形结构。

本申请实施例中，波峰段111、波谷段113及过渡段112一体成型，具体地，可以采用多波一次成型工艺以一次性加工出波峰段111、波谷段113以及过渡段112，也可以采用激光切割、铣削等减材的方式在管坯上切割出波峰段111、波谷段113以及过渡段112，另外，还可以使用3D打印这样增材的方式制造无缝S形摇摆软管1中的波纹管本体11。

在波纹管本体11的端口处设置第一端口连接法兰12及第二端口连接法兰13，一方面可以方便波纹管本体11连接两个管道、设备或机械部件。这种连接方式便于拆卸和维修，节省了时间和工作量。第一端口连接法兰12及第二端口连接法兰13还可以连接不同尺寸的管道或设备，提高了波纹管本体11与其他部件适配的灵活性和适用性。第一端口连接法兰12及第二端口连接法兰13还可以起到支撑和固定的作用。

进一步地，还可以在第一端口连接法兰12、第二端口连接法兰13与波纹管本体11的端口连接处加上密封圈，然后用螺栓紧固连接，可以实现连接处的密封。第一端口连接法兰12及第二端口连接法兰13还可以以焊接的方式连接在波纹管本体11的端口处，以提高连接的稳固性。

另外，在无缝S形摇摆软管1中，多个波纹管本体11还可以首尾相连组合成组，相邻的两个波纹管本体11的连接处可以设置中间过渡法兰。

根据本申请第一方面实施例提供的无缝S形摇摆软管1，通过将波纹管本体11的波节侧壁的波形优化为S形，提高了延展性和耐压能力，且波纹管本体11为一体成型结构，无拼接缝，密封性能好。具体地，无缝S形摇摆软管1包括波纹管本体11及稳定器14，其中波纹管本体11的两个端口位置分别设置有第一端口连接法兰12和第二端口连接法兰13，波纹管本体11包括多个波峰段111、过渡段112及波谷段113，沿波纹管本体11的轴线方向，波峰段111与波谷段113通过过渡段112交替连接，其中，过渡段112的轴向截面轮廓为S形，无缝S形摇摆软管1的S形波纹结构，其在受力变形时有更多力的作用点，从而使波节受力均匀，减少了应力集中的现象，大大提高了波纹管本体11的弹性性能，从而具有较好的弹性和可变形性，这使得其能够适应火箭发动机系统中的热胀冷缩和振动等变形情况，减少了应力集中和疲劳破坏的风险，进一步地，波峰段111、波谷段113及过渡段112为一体成型结构，也即，波峰段111、波谷段113及过渡段112之间的连接没有拼接缝，密封性能好，因此能够有效地防止燃料泄漏。稳定器14可以防止波纹管本体11结构在受到外部力的影响时发生不稳定或失稳，从而维持整个无缝S形摇摆软管1以及火箭发动机的稳定性。综上所述，本申请第一方面实施例提供的无缝S形摇摆软管1，具有较好的耐压能力及大位移补偿能力，弹性好，延展性好，疲劳寿命高，且密封性能好，能够有效地避免燃料物质的泄漏。

另外，无缝S形摇摆软管1的波纹结构使其具有较小的弯曲半径和较高的挠度能力，能够更好地适应空间有限的安装环境。无缝S形摇摆软管1通常由无缝的管材制成，依靠波纹侧壳的弹性变形来保持一定的可压缩性或可拉伸性，同时保证可靠的密封。

在本申请的一些实施例中，波纹管本体11的深波系数值K为1.3~1.9，波纹管本体11的壁厚与内径之间的比值范围为0.006~0.05。波纹管本体11的这些参数的设定对波纹管的性能有重要影响，其中，深波系数值K是波纹管本体11的外径与内径之比，它是决定波纹管本体11的几何形状的一个重要参数，在内径确定的情况下，K值越大，波纹的高度就越高，K值影响着波纹管本体11的性能和波纹管本体11的成型工艺，波纹管本体11的成形难度随着K值的增加而增加。壁厚与内径之间的比值决定了波纹管本体11的刚度、位移和承压能力，当这个比值在0.006~0.05的范围内时，可以保证波纹管本体11有足够的强度和柔韧性，以满足火箭发动机中各种复杂的工作条件的需求。

进一步地，以上这些参数的设定使得波纹管本体11具有优秀的抗疲劳性能，可以在长时间的工作条件下保持其性能。

在本申请的一些实施例中，波纹管本体11的管壁包括GH4169高温合金层、镍合金层及纳米复合层中的至少一者。其中，GH4169是一种沉淀强化镍基高温合金，在-253～650℃温度范围内具有良好的综合性能，650℃以下的屈服强度居变形高温合金的首位，并具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能，以及良好的加工性能、焊接性能。镍基合金是一种复杂的合金，被广泛地应用于制造各种高温部件，镍基合金的相对使用温度在所有普通合金系中也是最高的。纳米复合层可以提供更好的耐磨性、耐腐蚀性和热稳定性。因此，基于上述材料的应用，波纹管本体11可以在各种压力和外力的作用下都能保持其形状和功能，同时也提高了波纹管本体11的耐磨性、耐腐蚀性和热稳定性，对于维持火箭发动机的稳定性具有极高的意义。

进一步地，波纹管本体11的管壁可以是单层，也可以是多层。多层结构时，所有层的材料可以完全相同，例如，波纹管本体11的管壁每一层都是GH4169高温合金层；也可以是上述几种复合层的组合，例如，波纹管本体11的管壁同时包括GH4169高温合金层、镍合金层及纳米复合层，充分发挥耐磨性、耐腐蚀性和热稳定性的效果。

在本申请的一些实施例中，至少存在一个波峰段111的波峰圆弧半径与其他的波峰段111的波峰圆弧半径不相同。波纹管本体11中，不同的波峰圆弧半径会改善液体燃料在腔道中的流动特性，具体来说，波峰圆弧半径的改变会改变液体燃料在腔道中的流速分布，从而提高液体燃料的输送效率；波峰圆弧半径的改变也会改变液体燃料在腔道中的压力分布，从而提高液体燃料的输送压力，保证燃料输送充足，为火箭发送机提供强劲动力；波峰圆弧半径的改变一定程度上会改变液体燃料在腔道中的湍流程度，从而提高液体燃料的混合效果和传热效率，改善波纹管本体11中的流体动力学性能；从结构上讲，不同的波峰圆弧半径会提供不同的弹性和柔韧性，使得波纹管本体11能够更好地适应火箭发动机中各种工况和环境条件。综上，通过改变波峰圆弧半径，可以根据具体的应用需求来优化波纹管本体11的流体动力学性能，在不改变其他设计参数的情况下，实现对波纹管本体11性能的精细调控。

在本申请的一些实施例中，至少存在一个波谷段113的波谷圆弧半径与其他的波谷段113的波谷圆弧半径不相同。不同的波谷圆弧半径产生的技术效果可以参考上述波峰圆弧半径的相关描述，此处不再赘述。

如图2所示，在本申请的一些实施例中，波峰段111的波峰圆弧半径与波谷段113的波谷圆弧半径不相同。波纹管本体11上由于存在波峰与波谷设计，使液体燃料流动时由于管内外截面连续不断地突变形成强烈湍流，即使在流速很小的情况下，液体燃料在管内外均可形成强烈扰动，增加液体燃料的流动性；当波纹管本体11中存在高低波纹交叉间隔设置的整体结构时，可以显著提高波纹管本体11的使用寿命；不同的波峰圆弧半径和波谷圆弧半径还会改善波纹管本体11的流体动力学性能，显著增强波纹管本体11的弹性和柔韧性。

如图1所示，在本申请的一些实施例中，稳定器14包括第一转杆141及第二转杆142，第一转杆141的第一端铰接于第一端口连接法兰12，第二转杆142的第一端铰接于第二端口连接法兰13，第一转杆141的第二端铰接于第二转杆142的第二端。当波纹管本体11弯曲时，第一转杆141和第二转杆142会绕铰接点转动，转动过程中，会对波纹管本体11的弯曲运动产生维稳控制的作用，避免弯曲速度过快，弯曲幅度过大，另外，第一转杆141及第二转杆142组成的稳定器14可以吸收由于波纹管本体11弯曲产生的振动，从而减少振动对管道或其他机械设备的影响，还可以补偿由于波纹管本体11弯曲产生的位移，提高耐压性能，从而提高波纹管本体11的使用寿命。

在本申请的一些实施例中，波纹管本体11采用多波一次成型工艺成型。通过纯净水给无缝管坯的内部增压，采用多波一次成型工艺同时形成多个具有S形特征的波节，这样的波纹管本体11可以具备液压成型波纹管抗高压冲击的特点，同时又具备膜片焊接方式成型的波纹管补偿量大，灵敏度高的特点，进一步地，可以减轻无缝S形摇摆软管1的整体质量，增加安全性能，提高疲劳寿命。

如图2所示，在本申请的一些实施例中，波纹管本体11还包括铠装套环15，铠装套环15套设于波谷段113。铠装套环15可以增强波纹管本体11的结构强度，使其能够承受更大的压力和应力；保护波纹管本体11的波谷段113免受磨损，从而延长其使用寿命；铠装套环15还可以吸收和分散波纹管本体11在运行过程中产生的振动和噪音，从而提高其运行的稳定性和舒适性；在波纹管本体11弯曲时，铠装套环15可以防止其过度弯曲，避免结构损坏。

本申请第二方面实施例提供一种火箭发动机，包括上述第一方面任一实施例中的无缝S形摇摆软管1。

本申请第一方面实施例中的无缝S形摇摆软管1是火箭发动机中的关键部件，尤其是在液体火箭发动机中，无缝S形摇摆软管1通常安装在火箭发动机与喷管之间，并且在某些设计中，它被安装在涡轮泵的后端。无缝S形摇摆软管1能为火箭发动机输送燃料，利用其软性连接以支持喷管摆动，这种摆动可以改变推力矢量，从而调整火箭的飞行姿态。在某些设计中，将无缝S形摇摆软管1设计在涡轮泵的后端，不仅用最小的摆动实现了推力矢量的变化，火箭发动机结构还更加紧凑，火箭总体构型更加优化，可以为火箭巧妙地节省空间。

根据本申请第二方面实施例提供的火箭发动机，其中的无缝S形摇摆软管1具有较好的延展性和耐压能力，密封性能好。具体地，无缝S形摇摆软管1包括波纹管本体11及稳定器14，其中波纹管本体11的两个端口位置分别设置有第一端口连接法兰12和第二端口连接法兰13，波纹管本体11包括多个波峰段111、过渡段112及波谷段113，沿波纹管本体11的轴线方向，波峰段111与波谷段113通过过渡段112交替连接，其中，过渡段112的轴向截面轮廓为S形，无缝S形摇摆软管1的S形波纹结构，使其在受力变形时有更多力的作用点，从而使波节受力均匀，减少了应力集中的现象，大大提高了波纹管本体11的弹性性能，从而具有较好的弹性和可变形性，这使得其能够适应火箭发动机系统中的热胀冷缩和振动等变形情况，减少了应力集中和疲劳破坏的风险，进一步地，波峰段111、波谷段113及过渡段112为一体成型结构，也即，波峰段111、波谷段113及过渡段112之间的连接没有拼接缝，密封性能好，因此能够有效地防止燃料泄漏。稳定器14可以防止波纹管本体11结构在受到外部力的影响时发生不稳定或失稳，从而维持整个无缝S形摇摆软管1以及火箭发动机的稳定性。综上所述，本申请第二方面实施例提供的火箭发动机稳定性能好，使用寿命长。

本申请中未述及的地方采用或借鉴已有技术即可实现。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种无缝S形摇摆软管，其特征在于，包括：

波纹管本体、第一端口连接法兰及第二端口连接法兰，所述第一端口连接法兰及所述第二端口连接法兰分别设置于所述波纹管本体的端口处，所述波纹管本体包括多个波峰段、过渡段及波谷段，沿所述波纹管本体的轴线方向，所述波峰段与所述波谷段通过所述过渡段交替连接，其中，所述过渡段的轴向截面轮廓为S形，所述波峰段、所述波谷段及所述过渡段为一体成型结构，所述波纹管本体采用多波一次成型工艺成型；

稳定器，所述稳定器的两端分别连接于所述第一端口连接法兰及所述第二端口连接法兰，所述稳定器包括第一转杆及第二转杆，所述第一转杆的第一端铰接于所述第一端口连接法兰，所述第二转杆的第一端铰接于所述第二端口连接法兰，所述第一转杆的第二端铰接于所述第二转杆的第二端；

其中，所述波纹管本体的波深系数值K为1.3~1.9，所述波纹管本体的壁厚与内径之间的比值范围为0.006~0.05；

至少存在一个所述波峰段的波峰圆弧半径与其他的所述波峰段的波峰圆弧半径不相同；所述波峰段的波峰圆弧半径与所述波谷段的波谷圆弧半径不相同，至少存在一个所述波谷段的波谷圆弧半径与其他的所述波谷段的波谷圆弧半径不相同，不同的波峰圆弧半径和波谷圆弧半径会改善液体燃料在腔道内的流动特性。

2.根据权利要求1所述的无缝S形摇摆软管，其特征在于，所述波纹管本体的管壁包括GH4169高温合金层、镍合金层及纳米复合层中的至少一者。

3.根据权利要求1或2所述的无缝S形摇摆软管，其特征在于，所述波纹管本体还包括铠装套环，所述铠装套环套设于所述波谷段。

4.一种火箭发动机，其特征在于，包括如权利要求1至3中任一项所述的无缝S形摇摆软管。