CN203273947U - 一种多功能燃气壁面保护镀层 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于燃烧室内壁热防护技术领域，具体涉及一种多功能燃气壁面保护镀层；本实用新型的目的是提供一种适用于低温发动机高压大热流燃烧室的在再生冷却基础上辅以隔热镀层的燃气壁面组合保护镀层，该结构包括冷却通道（1）、镀层（2）、燃烧室内壁（3）、燃烧室外壁（4）、冷却剂进口（7）和冷却剂出口（8），其中所述的燃烧室内壁（3）为U字形合金，其上设有燃烧室外壁（4），燃烧室内壁（3）下端镀有镀层（2）；燃烧室外壁（4）与燃烧室内壁（3）的U型内腔构成冷却通道（1），冷却通道（1）两端设有冷却剂进口（7）和冷却剂出口（8）分别与外界相通。

Description

一种多功能燃气壁面保护镀层

技术领域

本实用新型属于燃烧室内壁热防护技术领域，具体涉及一种多功能燃气壁面保护镀层。

背景技术

目前液体火箭发动机燃烧室内壁热防护通常采用以下冷却或防护技术中的一种或其组合：

1.再生冷却，使用最广泛的一种方法，利用推进剂在喷入燃烧室之前先通过燃烧室壁上的通道进行冷却；

2.排放冷却，利用小部分推进剂通过燃烧室壁上的通道进行冷却后直接排出；

3.膜冷却，通过在喷注器周边处或室壁上的小孔，引入推进剂形成一层薄膜；

4.发汗冷却，通过多孔室壁引入推进剂进行冷却；

5.烧蚀冷却，通过室壁材料的熔化、蒸发和化学反应损耗以消散热量；

6.辐射冷却，热量通过燃烧室外壁表面辐射出去；

7.隔热涂层，通过喷涂或沉积在高温燃气与内壁之间形成高热阻层。

目前常用的热防护技术在低温发动机高压大热流燃烧室上的应用尚存在诸多不足：

1.排放冷却、膜冷却和发汗冷却由于引入冷却的部分推进剂不参与燃烧或燃烧不充分，导致性能损失较大，对于追求高性能的氢氧发动机燃烧室，适用性较差；

2.烧蚀冷却和辐射冷却对于高压大热流燃烧室而言，冷却能力不足；

3.低温发动机高压大热流燃烧室内壁在工作过程中要承受较大的交变高低温差应力和压差应力的耦合作用，工作环境非常恶劣，热防护相当困难，仅采用再生冷却防护已难以满足多次起动以及飞行过载情况下高室压高混合比长时间工作的恶劣工况。多次长时工作后，燃烧室再生冷却通道内壁会出现穿透性裂纹。

4.隔热涂层在航空发动机领域应用较为广泛，但在液体火箭发动机领域，特别是低温发动机上使用尚不普遍。国内在常规液体火箭发动机型号上成功应用过和涂层，但其喷涂温度较高，内应力较大，结合力较差，涂层厚度不易控制。涂层厚度过薄，无法起到有效的耐冲刷和隔热作用。涂层厚度过厚，将会引起热流大幅下降，冷却剂加热温度下降，进而导致燃烧稳定性裕度大幅降低。

5.低温发动机燃烧室工作过程中温度范围变化剧烈，从常温到几十K的低温预冷过程，再到3000多K的高温燃烧过程，燃气壁面隔热涂层温度应力较大，现有涂层极易发生脱落；

6.低温发动机燃烧室在燃气壁面喷涂隔热涂层前，其沟槽内仍有电铸外壁时的填充蜡料，内壁厚度不足一个毫米，如果喷涂过程中存在较高的温度，蜡料受热膨胀会造成内壁变形，甚至可能导致推力室报废。

因此现有的喷涂工艺不适合在低温发动机燃烧室上使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种适用于低温发动机高压大热流燃烧室的在再生冷却基础上辅以隔热镀层的燃气壁面组合保护镀层。

本发明所采用的技术方案是：

一种多功能燃气壁面保护镀层，其中，包括冷却通道、镀层、燃烧室内壁、燃烧室外壁、冷却剂进口和冷却剂出口，其中所述的燃烧室内壁为U字形合金，其上设有燃烧室外壁，燃烧室内壁下端镀有镀层；燃烧室外壁与燃烧室内壁的U型内腔构成冷却通道，冷却通道两端设有冷却剂进口和冷却剂出口分别与外界相通。

所述的一种多功能燃气壁面保护镀层，所述燃烧室内壁采用高热导率的铜合金通过铣槽加工制成，铣槽的深宽比控制在6～9，其底部厚度控制在0.5～1.0mm。

如上所述的一种多功能燃气壁面保护镀层，所述燃烧室外壁采用扩散焊或电铸的方式与燃烧室内壁结合，材料采用高强度合金或电铸镍。

如上所述的一种多功能燃气壁面保护镀层，电镀前，对燃烧室内壁进行抛光处理，抛光深度不大于0.05mm，抛光后内壁光洁度达到3.2μm。同时对燃烧室外壁非电镀面涂胶。

本发明的有益效果是：

1.通过在再生冷却通道的燃气壁面上电镀超薄耐高温镀层，在高温燃气与壁面之间形成高热阻层，可以有效降低燃气壁面基体温度，克服了现有再生冷却能力的不足；

2.燃气壁面镀层具有耐高温、抗氧化、抗热蚀、抗冲刷和抗外物损伤的多重功能，克服了现有再生冷却通道铜合金燃气壁面许用温度低，抗氧化、热蚀、冲刷和外物损伤能力差的不足，可以有效地提高燃气内壁的循环使用寿命。已通过多台产品、多次长程热试车验证了燃气壁面镀层的热防护效果的可靠性和延长使用寿命的有效性；

3.所采用镀层实现了在复杂曲率燃气内壁型面上的分段变厚度超薄均匀电镀，克服了现有涂层厚度不易控制的不足，可以在达到隔热效果的同时，保证冷却剂的整体加温效果，因而对燃烧效率及稳定性无影响。已通过多台产品、多次长程热试车验证了燃气壁面镀层的工艺稳定性，以及对燃烧效率及稳定性的无关性；

4.所采用镀层结合力好，内应力小，克服了现有涂层内应力较大，结合力较差的不足，可以耐长时冲刷，从而可适应低温发动机从低温到高温的瞬变过程，满足多次重复使用的需要。已通过多次高室压高混合比的极限工况热试车验证了燃气壁面镀层对低温发动机高压大热流恶劣工况的适应能力；

附图说明

图1是一种多功能燃气壁面保护镀层剖面图；

图2是一种多功能燃气壁面保护镀层示意图。

图中：1.冷却通道；2.镀层；3.燃烧室内壁；4.燃烧室外壁；5.燃气入口；6.燃气出口；7.冷却剂进口；8.冷却剂出口；9.燃烧室。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提供的一种多功能燃气壁面保护镀层进行介绍：

如图1所示，一种多功能燃气壁面保护镀层，其中，包括冷却通道1、镀层2、燃烧室内壁3、燃烧室外壁4、冷却剂进口7和冷却剂出口8，其中所述的燃烧室内壁3为U字形合金，其上设有燃烧室外壁4，燃烧室内壁3下端镀有镀层2；燃烧室外壁4与燃烧室内壁3的U型内腔构成冷却通道1，冷却通道1两端设有冷却剂刘入口7和冷却剂流出口8分别与外界相通；

其中燃烧室内壁3采用高热导率的铜合金通过铣槽加工制成，铣槽的深宽比控制在6～9，其底部厚度控制在0.5～1.0mm。燃烧室外壁4采用扩散焊或电铸的方式与燃烧室内壁3结合，材料采用高强度合金或电铸镍，其厚度由燃烧室9的具体工作压力而定。

燃烧室外壁4采用扩散焊或电铸的方式与燃烧室内壁3结合，材料采用高强度合金或电铸镍。

电镀前，需要对燃烧室内壁3进行抛光处理，抛光深度不大于0.05mm，抛光后内壁光洁度达到3.2μm。同时对燃烧室外壁4非电镀面涂胶，以实施有效的绝缘保护。

镀层2在电镀过程温度要控制在常温，采用预电镀和正式电镀的两步法进行电镀处理：即先在一个镀槽中用大电流冲击电镀，使内表面沉积一薄层结合力较好的镍层，保证镀层的连接强度；然后迅速转移到另一个镀槽中用小电流、长时间电镀，保证镀层厚度的均匀性和精确控制。根据燃烧室9内壁各段曲率半径的不同，将阳极进行分段绝缘，使电流分布趋于均匀，以达到均匀电镀。

如图2所示，本实用新型多功能燃气壁面保护镀层主要由再生冷却通道1和镀层2组成，主要应用于低温发动机高压大热流燃烧室9。工作过程中，燃气由燃气入口5进入，由燃气出口6喷出，冷却剂由冷却剂入口7流入，由冷却剂出口8流出。通过冷却剂和燃气之间强烈的热交换，将热量带走，同时通过镀层2阻隔部分热量，以保持燃烧室内壁3工作在材料的许用温度范围之内。

Claims (4)

1.一种多功能燃气壁面保护镀层，其特征在于：包括截面为U型的燃烧室内壁（3），燃烧室内壁（3）上设有燃烧室外壁（4），燃烧室内壁（3）下端镀有镀层（2）；燃烧室外壁（4）与燃烧室内壁（3）构成的内腔为冷却通道（1），冷却通道（1）两端设有冷却剂进口（7）和冷却剂出口（8）分别与外界相通。

2.根据权利要求1所述的一种多功能燃气壁面保护镀层，其特征在于：所述燃烧室内壁（3）采用高热导率的铜合金通过铣槽加工制成，铣槽的深宽比控制在6～9，其底部厚度控制在0.5～1.0mm。

3.根据权利要求1所述的一种多功能燃气壁面保护镀层，其特征在于：所述燃烧室外壁（4）采用扩散焊或电铸的方式与燃烧室内壁（3）结合，材料采用高强度合金或电铸镍。

4.根据权利要求1所述的一种多功能燃气壁面保护镀层，其特征在于：电镀前，对所述燃烧室内壁（3）进行抛光处理，抛光深度不大于0.05mm，抛光后内壁光洁度达到3.2μm，同时对燃烧室外壁（4）非电镀面涂胶。

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