基于激光选区熔化技术的大尺寸喷注器设计.pdf
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1、收稿日期:修回日期:基金项目:国家装备预研航天科技联合基金()作者简介:孔维鹏()男博士研究领域为液体火箭发动机燃烧装置设计 第 卷第 期 年 月火 箭 推 进 基于激光选区熔化技术的大尺寸喷注器设计孔维鹏谢 恒王晓丽(北京航天动力研究所北京)摘要 为研究激光选区熔化技术应用于大尺寸液体火箭发动机喷注器的可行性及最佳方案按照先喷注单元后大尺寸喷注器的思路开展了设计研究 基于激光选区熔化技术设计了 种不同方案的喷注单元试验件并进行了冷态液流试验对比 通过喷注单元对比试验得出直接采用激光选区熔化技术成型的喷嘴不适合直接用于大尺寸喷注器设计 根据喷注单元对比结果选择了大尺寸喷注器的设计方案生产了大尺
2、寸喷注器并进行了热试验考核 结果表明:采用激光选区熔化技术成型毛坯、机加工关键尺寸的设计方案为大尺寸喷注器的最佳方案关键词 液体火箭发动机激光选区熔化增材制造喷注器同轴直流喷嘴液流试验热试验中图分类号 文献标识码 文章编号()()引言喷注器是液体火箭发动机推力室中组织推进剂雾化、蒸发、混合和燃烧的关键组件直接决定着推力室性能和燃烧稳定性 采用传统工艺制造的喷注器一般包含数十甚至上百个氧化剂喷嘴和燃料喷嘴氧化剂和燃料喷嘴之间采用钎焊连接工艺复杂生产周期较长增材制造技术相对于传统加工工艺具有单件小批量复杂结构快速制造的优势在航空航天领域具有广泛的应用前景其中激光熔化沉积()技术和激光选区熔化()技
3、术是航空航天领域应用的主要工艺 在液体火箭发动机喷注器的增材制造方面国内外研究机构也开展了大量工作 年美国 公司开发了 种不同的合金材料采用 技术对其在 和 发动机中的应用进行了探索相对于传统喷注器的制造过程可以节省 的周期以及 的成本 年 采用 技术制造了液体火箭发动机喷注器并进行了热试验性能与传统工艺制造的喷注器性能一致但制造成本和周期均大幅缩减 年 在 计划中对液氧/甲烷双组元离心式喷注器进行了优化以满足 工艺要求整个喷注器零件减少到 个并成功通过热试车考核 空客公司对 发动机喷注器 制造技术开展了大量研究从喷注单元、缩尺喷注器到全尺喷注器采用循序渐进的研究方式表明 技术在喷注器中的应用
4、已经成熟 年间马歇尔太空飞行中心对增材制造技术在液体火箭发动机喷注器中的应用开展了大量研究其中包括不同推进剂组合、不同喷注方式、不同推力和不同直径的喷注器 年西安航天发动机有限公司开展了液氧/甲烷、液氧/煤油发动机喷注器的增材制造技术研究并进行了多次热试车 北京航天动力研究所开展了推力室单喷嘴 制造技术研究其性能满足要求目前的研究大多集中在单喷嘴或小尺寸的喷注器上而大推力液体火箭发动机对喷注器的一致性及均匀性要求比较严格 直接采用增材制造技术生产的喷注器某些关键尺寸以及粗糙度等可能无法满足使用要求在发动机实际使用中可能会造成喷雾局部不均匀的现象从而影响发动机性能 此外大尺寸喷注器在增材制造过程
5、中可能因内应力过大而存在变形问题不仅会影响推力室装配严重时可能会造成喷嘴或推力室内壁烧蚀 因此开展基于激光选区熔化技术的大尺寸液体火箭发动机喷注器可行性及最佳设计方案研究十分必要本文基于激光选区熔化技术设计了不同方案的喷注单元通过不同方案喷注单元液流试验对比获取 制造产品与传统机加产品之间的流量特性差异选取了大尺寸喷注器的最佳设计方案基于 设计生产了大尺寸喷注器并通过热试验考核对 技术应用于液体火箭发动机大尺寸喷注器设计的可行性进行了研究 喷注器 优化方案传统液体火箭发动机推力室同轴式喷注器结构如图 所示喷注器一般由多个氧化剂喷嘴、多个燃料喷嘴、中底、内底以及集合器组成中底和氧化剂喷嘴、氧化剂
6、喷嘴和燃料喷嘴之间一般采用钎焊连接图 传统工艺喷注器局部结构示意图.钎焊缝的连接强度较低生产过程中属于不可直接检测环节在热试车的启动冲击或复杂振动环境中存在钎焊缝渗漏的风险 中底和氧化剂喷嘴之间的钎焊缝 一旦出现渗漏可能会导致氧化剂和燃料提前混合并产生爆燃后果比较严重 此外钎焊过程相当于对基体材料进行了一次热处第 卷 第 期 孔维鹏等:基于激光选区熔化技术的大尺寸喷注器设计 理对基体材料的性能造成一定影响 将中底与氧化剂喷嘴一体化设计和生产可以避免此风险 技术适合生产复杂结构的零件这为中底与氧化剂喷嘴一体化设计和生产提供了可能 钎焊缝 只起到连接作用无需严格密封因此也可以对钎焊缝 处的结构进行
7、优化 推力室的内底一般采用多孔材料或铜材料难以与喷嘴一体化设计生产通过以上分析基于 技术可以得到 种优化方案:氧化剂喷嘴和中底一体化设计燃料喷嘴和氧化剂喷嘴采用螺纹连接如图 所示燃料喷嘴、氧化剂喷嘴和中底一体化设计如图 所示图 燃料喷嘴与氧化剂喷嘴螺纹连接结构示意图.图 燃料喷嘴与氧化剂喷嘴一体设计结构示意图.喷注单元设计、生产与试验 喷注单元设计根据不同的成型加工方法按照全部机加、部分机加以及全部 成型的思路设计了 种不同方案的喷注单元每组喷注单元分别生产了 个试验件如表 所示所有喷注单元的设计尺寸完全相同 方案喷注单元的氧化剂和燃料喷嘴均采用传统机加工艺作为对比试验的基准结构如图 所示 方
8、案喷注单元的氧化剂喷嘴采用 成型毛坯、机加工内流道的方式燃料喷嘴采用传统机加工艺结构如图 所示 方案喷注单元的氧化剂喷嘴全部采用 成型燃料喷嘴采用传统机加工艺结构如图 所示 方案喷注单元的氧化剂喷嘴和燃料喷嘴采用 一体成型的方式结构如图 所示表 喷注单元设计状态 方案氧化剂喷嘴燃料喷嘴传统机加传统机加 成型毛坯机加工内流道传统机加 成型传统机加 一体成型 一体成型 喷注单元生产与试验氧化剂喷嘴、燃料喷嘴和一体喷嘴的产品照片如图 所示 通过外观对比可以发现 成型的喷嘴表面颜色稍暗粗糙度不及机加喷嘴图 喷注单元产品照片.采用水为介质对以上 组喷注单元的氧化剂路分别进行液流试验 对于燃料路由于、这
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