專利名稱：小曲率半徑水冷音速喉道及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水冷音速喉道及其制備方法，其應(yīng)用于地面試驗(yàn)設(shè)備，特別是具有高總溫、高總壓等特點(diǎn)的吸氣式發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺，也可為在相似高溫高壓環(huán)境下工作的地面設(shè)備用小喉部噴管提供設(shè)計(jì)參考。
背景技術(shù)：
美國、俄羅斯等世界各國競相開展高超聲速技術(shù)研究，超燃沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)是高超聲速技術(shù)研究要突破的關(guān)鍵技術(shù)，近年來，國內(nèi)也在大力開展適合高超聲速飛行器用超燃沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)的研究，為實(shí)現(xiàn)快速、可靠、廉價(jià)的天地往返提供動力支持。開展地面試驗(yàn)是突破超燃沖壓發(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的有效手段，因此需要建立一系列的超燃沖壓發(fā)動機(jī)地面試驗(yàn)設(shè)備，直連試驗(yàn)臺是其中重要組成部分。直連試驗(yàn)臺需要模擬超燃沖壓發(fā)動機(jī)飛行過程中來流空氣的滯止溫度，采用加熱器直接燃燒加熱空氣是解決該問題的常規(guī)手段。超燃沖壓發(fā)動機(jī)在高馬赫數(shù)下工作時(shí)來流空氣的總溫和總壓很高，為使加熱器在高壓高溫下燃燒穩(wěn)定，并隔離試驗(yàn)臺與發(fā)動機(jī)之間的相互影響，通常需要在加熱器后設(shè)置音速喉道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種具有大擴(kuò)張比、小喉部直徑(Φ30πιπι)等特點(diǎn)的小曲率半徑水冷音速喉道，其能夠在高總溫Ο500Κ)，高總壓(IlMPa)環(huán)境下長期可靠使用，具有較好的工藝性。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種小曲率半徑水冷音速喉道，包括喉道收斂段、喉部13、喉道擴(kuò)散段和喉道卡環(huán) 10，所述喉道收斂段包括收斂段內(nèi)壁3、收斂段外壁2、收斂段法蘭1、收斂段集液環(huán)4和收斂段接管嘴11，所述喉道擴(kuò)散段包括擴(kuò)散段內(nèi)壁5、擴(kuò)散段外壁6、擴(kuò)散段法蘭9、擴(kuò)散段集液環(huán)8和擴(kuò)散段接管嘴7 ；其特殊之處在于所述收斂段內(nèi)壁3的外側(cè)面設(shè)置有多個軸向延伸的收斂段冷卻槽12，所述喉部13 的外側(cè)面設(shè)置有多個軸向延伸的喉部冷卻槽15，所述擴(kuò)散段內(nèi)壁5的外側(cè)面設(shè)置有多個軸向延伸的擴(kuò)散段冷卻槽14，所述擴(kuò)散段接管嘴7、擴(kuò)散段集液環(huán)8、擴(kuò)散段冷卻槽14、喉部冷卻槽15、收斂段冷卻槽12、收斂段集液環(huán)4、收斂段接管嘴11依次構(gòu)成冷卻水通道。上述收斂段外壁2、擴(kuò)散段內(nèi)壁5的材料為不銹鋼lCrl8Ni9Ti。一種小曲率半徑水冷音速喉道的制備方法，其特殊之處在于包括以下步驟1加工收斂段內(nèi)壁3、收斂段外壁2、收斂段法蘭1、收斂段集液環(huán)4、擴(kuò)散段內(nèi)壁 5、擴(kuò)散段外壁6、擴(kuò)散段法蘭9、擴(kuò)散段集液環(huán)8 ；2在收斂段內(nèi)壁3上銑收斂段冷卻槽，并將收斂段冷卻槽銑至略靠近對接位置處；在擴(kuò)散段內(nèi)壁5上銑擴(kuò)散段冷卻槽，并將擴(kuò)散段冷卻槽銑至略靠近對接位置處；3將收斂段內(nèi)壁與收斂段外壁通過釬焊連在一起；將擴(kuò)散段內(nèi)壁與擴(kuò)散段外壁通過釬焊連在一起；4將喉管收斂段與喉管擴(kuò)散段在喉部位置對接后，在喉部內(nèi)安裝一個加強(qiáng)襯環(huán)， 再將喉管收斂段與喉管擴(kuò)散段采用電子束焊接在一起；5喉部再銑加工喉部冷卻槽15 ；6將喉部卡環(huán)、收斂段法蘭、擴(kuò)散段法蘭、收斂段集液環(huán)和擴(kuò)散段集液環(huán)焊上，車去加強(qiáng)襯環(huán)，形成音速喉道。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是1、高溫高壓環(huán)境下可靠熱防護(hù)。音速喉道在最高總溫2500K，最高總壓IlMPa的氣流環(huán)境下工作，喉部直徑小，熱流密度大。由于音速喉道工作在高溫高壓環(huán)境下，喉部的熱流密度較大，為保證喉部可靠冷卻，將喉部壁厚減薄為0. 8mm。為避免喉部強(qiáng)度及剛度過低，音速喉道采用內(nèi)壁銑槽夾層水冷方案，通過在喉部位置設(shè)置肋條，將內(nèi)壁受到的壓力通過肋條傳遞至外壁，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。同時(shí)肋效應(yīng)也能進(jìn)一步改善喉部的冷卻效果，提高熱防護(hù)性能。采用上述冷卻措施能夠提高熱防護(hù)性能，防止內(nèi)壁燒蝕破壞。2、長期可靠使用。盡管音速喉道內(nèi)壁的最薄厚度為0.8mm，但通過在喉部內(nèi)壁外表面設(shè)置肋條，提高產(chǎn)品整體強(qiáng)度，使其能夠長期可靠使用；3、工藝易實(shí)現(xiàn)。音速喉道喉部直徑為30mm，具有大擴(kuò)張比的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得喉部曲率半徑較小，喉部銑槽并保證喉部壁厚為0. 8mm的工藝及釬焊實(shí)現(xiàn)困難。本發(fā)明通過合理的材料選擇和加工工藝流程，降低了加工難度。另外，本發(fā)明通過冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，內(nèi)壁材料可以選用導(dǎo)熱率一般的材料，如不銹鋼lCrl8Ni9Ti，降低加工工藝的難度，節(jié)省加工成本，提高產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性。


圖1是本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明收斂段內(nèi)壁銑槽結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明擴(kuò)散段內(nèi)壁銑槽結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明裝配結(jié)構(gòu)示意圖；圖5時(shí)本發(fā)明裝配后的喉部銑槽結(jié)構(gòu)示意圖。其中1-收斂段法蘭，2-收斂段外壁，3-收斂段內(nèi)壁，4-收斂段集液環(huán)，5-擴(kuò)散段內(nèi)壁，6-擴(kuò)散段外壁，7-擴(kuò)散段接管嘴，8-擴(kuò)散段集液環(huán)，9-擴(kuò)散段法蘭，10-喉道卡環(huán)， 11-斂段接管嘴，12-收斂段冷卻槽，13-喉部，14-擴(kuò)散段冷卻槽，15-喉部冷卻槽。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，一種小曲率半徑水冷音速喉道，包括喉道收斂段、喉部13、喉道擴(kuò)散段和喉道卡環(huán)10，所述喉道收斂段包括收斂段內(nèi)壁3、收斂段外壁2、收斂段法蘭1)收斂段集液環(huán)4)收斂段接管嘴11，所述喉道擴(kuò)散段包括擴(kuò)散段內(nèi)壁5、擴(kuò)散段外壁6、擴(kuò)散段法蘭 9、擴(kuò)散段集液環(huán)8和擴(kuò)散段接管嘴7 ；如圖2所示，收斂段內(nèi)壁3的外側(cè)面設(shè)置有多個軸向延伸的收斂段冷卻槽12，如圖5所示喉部13的外側(cè)面設(shè)置有多個軸向延伸的喉部冷卻槽15，如圖3所示，擴(kuò)散段內(nèi)壁 5的外側(cè)面設(shè)置有多個軸向延伸的擴(kuò)散段冷卻槽14，擴(kuò)散段接管嘴7、擴(kuò)散段集液環(huán)8、擴(kuò)散段冷卻槽14、喉部冷卻槽15、收斂段冷卻槽12、收斂段集液環(huán)4、收斂段接管嘴11依次構(gòu)成冷卻水通道。收斂段外壁2、擴(kuò)散段內(nèi)壁5的材料為不銹鋼lCrl8Ni9Ti。本發(fā)明還提供了一種小曲率半徑水冷音速喉道的制備方法，包括以下步驟1加工收斂段內(nèi)壁3、收斂段外壁2、收斂段法蘭1、收斂段集液環(huán)4、擴(kuò)散段內(nèi)壁 5、擴(kuò)散段外壁6、擴(kuò)散段法蘭9、擴(kuò)散段集液環(huán)8 ；2在收斂段內(nèi)壁3上銑收斂段冷卻槽，并將收斂段冷卻槽銑至略靠近對接位置處；在擴(kuò)散段內(nèi)壁5上銑擴(kuò)散段冷卻槽，并將擴(kuò)散段冷卻槽銑至略靠近對接位置處；3將收斂段內(nèi)壁與收斂段外壁通過釬焊連在一起；將擴(kuò)散段內(nèi)壁與擴(kuò)散段外壁通過釬焊連在一起；4將喉管收斂段與喉管擴(kuò)散段在喉部位置對接后，在喉部內(nèi)安裝一個加強(qiáng)襯環(huán)， 再將喉管收斂段與喉管擴(kuò)散段采用電子束焊接在一起；5喉部再銑加工喉部冷卻槽15 ；6將喉部卡環(huán)、收斂段法蘭、擴(kuò)散段法蘭、收斂段集液環(huán)和擴(kuò)散段集液環(huán)焊上，車去加強(qiáng)襯環(huán)，形成音速喉道。如圖2、圖3所示，內(nèi)壁上銑冷卻槽時(shí)將冷卻槽銑至兩段對接位置略前，這樣有利于后續(xù)的收斂段內(nèi)壁和擴(kuò)散段內(nèi)壁對接位置的電子束焊；然后將內(nèi)壁與外壁通過釬焊連在一起；如圖4所示，釬焊后收斂段與擴(kuò)散段在喉部位置采用電子束焊接。由于音速喉道兩端直徑大，中間直徑小，為了減小由此帶來的焊接變形，解決搬運(yùn)和喉部銑槽過程中喉部發(fā)生扭曲變形的問題，防止電子束焊時(shí)產(chǎn)生焊漏，保證焊接質(zhì)量，采取的措施主要有(1)收斂段與擴(kuò)散段在對接電子焊后焊接法蘭；( 在焊接時(shí)及后續(xù)加工過程中喉部內(nèi)安裝一個厚度為3mm左右的加強(qiáng)襯環(huán)，并采用工裝對其進(jìn)行保護(hù)；C3)電子束焊接后，喉部再加工銑槽，結(jié)果如圖5所示。最后將喉部卡環(huán)、兩端的法蘭焊上，車去加強(qiáng)襯環(huán)，形成最終產(chǎn)品，如圖1所示。音速喉道冷卻過程工作原理如下根據(jù)傳熱計(jì)算結(jié)果在內(nèi)壁上銑出一定數(shù)量的冷卻槽，以保證冷卻水有足夠的流速帶走的熱量，降低壁面溫度，避免燒蝕。然后將內(nèi)壁與外壁通過釬焊連接，內(nèi)外壁形成夾層冷卻通道。冷卻水通過接管嘴進(jìn)入集液腔，使得冷卻水進(jìn)入冷卻通道前壓力和速度均衡。冷卻水進(jìn)入冷卻通道降低內(nèi)壁面溫度，最后進(jìn)入由另一個集液腔，從接管嘴流出。為了進(jìn)一步提高冷卻效果，冷卻水采用逆流冷卻，即由擴(kuò)散段接管嘴流入，收斂段接管嘴流出。
權(quán)利要求
1.一種小曲率半徑水冷音速喉道，包括喉道收斂段、喉部(13)、喉道擴(kuò)散段和喉道卡環(huán)(10)，所述喉道收斂段包括收斂段內(nèi)壁(3)、收斂段外壁O)、收斂段法蘭(1)、收斂段集液環(huán)(4)和收斂段接管嘴(11)，所述喉道擴(kuò)散段包括擴(kuò)散段內(nèi)壁( 、擴(kuò)散段外壁(6)、擴(kuò)散段法蘭(9)、擴(kuò)散段集液環(huán)(8)和擴(kuò)散段接管嘴(7)；其特征在于所述收斂段內(nèi)壁(3)的外側(cè)面設(shè)置有多個軸向延伸的收斂段冷卻槽(12)，所述喉部 (13)的外側(cè)面設(shè)置有多個軸向延伸的喉部冷卻槽(15)，所述擴(kuò)散段內(nèi)壁( 的外側(cè)面設(shè)置有多個軸向延伸的擴(kuò)散段冷卻槽(14)，所述擴(kuò)散段接管嘴(7)、擴(kuò)散段集液環(huán)(8)、擴(kuò)散段冷卻槽(14)、喉部冷卻槽(15)、收斂段冷卻槽(12)、收斂段集液環(huán)G)、收斂段接管嘴(11) 依次構(gòu)成冷卻水通道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小曲率半徑水冷音速喉道，其特征在于所述收斂段外壁 O)、擴(kuò)散段內(nèi)壁(5)的材料為不銹鋼lCrl8Ni9Ti。
3.一種小曲率半徑水冷音速喉道的制備方法，其特征在于包括以下步驟1加工收斂段內(nèi)壁C3)、收斂段外壁( 、收斂段法蘭(1)、收斂段集液環(huán)(4)、擴(kuò)散段內(nèi)壁(5)、擴(kuò)散段外壁(6)、擴(kuò)散段法蘭(9)、擴(kuò)散段集液環(huán)(8)；2在收斂段內(nèi)壁C3)上銑收斂段冷卻槽，并將收斂段冷卻槽銑至略靠近對接位置處; 在擴(kuò)散段內(nèi)壁( 上銑擴(kuò)散段冷卻槽，并將擴(kuò)散段冷卻槽銑至略靠近對接位置處；3將收斂段內(nèi)壁與收斂段外壁通過釬焊連在一起；將擴(kuò)散段內(nèi)壁與擴(kuò)散段外壁通過釬焊連在一起；4將喉管收斂段與喉管擴(kuò)散段在喉部位置對接后，在喉部內(nèi)安裝一個加強(qiáng)襯環(huán)，再將喉管收斂段與喉管擴(kuò)散段采用電子束焊接在一起；5喉部再銑加工喉部冷卻槽(15)；6將喉部卡環(huán)、收斂段法蘭、擴(kuò)散段法蘭、收斂段集液環(huán)和擴(kuò)散段集液環(huán)焊上，車去加強(qiáng)襯環(huán)，形成音速喉道。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種小曲率半徑水冷音速喉道及其制備方法，喉道包括喉道收斂段、喉部、喉道擴(kuò)散段和喉道卡環(huán)；喉道收斂段包括收斂段內(nèi)壁、收斂段外壁、收斂段法蘭、收斂段集液環(huán)和收斂段接管嘴，制備方法包括加工收斂段內(nèi)外壁、擴(kuò)散段內(nèi)外壁、擴(kuò)散段法蘭、擴(kuò)散段集液環(huán)，銑槽、釬焊、電子束焊接等步驟。本發(fā)明解決了加熱器在高壓高溫下燃燒穩(wěn)定性問題，并隔離試驗(yàn)臺與發(fā)動機(jī)之間的相互影響，在高溫高壓的氣流環(huán)境下具有良好的熱防護(hù)性能，較高的強(qiáng)度，能夠長期可靠工作，并且具有較好的工藝性。
文檔編號G01M15/02GK102539158SQ20111045689
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月23日
發(fā)明者李小平, 李 榮, 高強(qiáng) 申請人:中國航天科技集團(tuán)公司第六研究院第十一研究所