小曲率半径水冷音速喉道及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种小曲率半径水冷音速喉道及其制备方法，喉道包括喉道收敛段、喉部、喉道扩散段和喉道卡环；喉道收敛段包括收敛段内壁、收敛段外壁、收敛段法兰、收敛段集液环和收敛段接管嘴，制备方法包括加工收敛段内外壁、扩散段内外壁、扩散段法兰、扩散段集液环，铣槽、钎焊、电子束焊接等步骤。本发明专利技术解决了加热器在高压高温下燃烧稳定性问题，并隔离试验台与发动机之间的相互影响，在高温高压的气流环境下具有良好的热防护性能，较高的强度，能够长期可靠工作，并且具有较好的工艺性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种水冷音速喉道及其制备方法，其应用于地面试验设备，特别是具有高总温、高总压等特点的吸气式发动机试验台，也可为在相似高温高压环境下工作的地面设备用小喉部喷管提供设计参考。
技术介绍
美国、俄罗斯等世界各国竞相开展高超声速技术研究，超燃冲压发动机技术是高超声速技术研究要突破的关键技术，近年来，国内也在大力开展适合高超声速飞行器用超燃冲压发动机技术的研究，为实现快速、可靠、廉价的天地往返提供动力支持。开展地面试验是突破超燃冲压发动机关键技术的有效手段，因此需要建立一系列的超燃冲压发动机地面试验设备，直连试验台是其中重要组成部分。直连试验台需要模拟超燃冲压发动机飞行过程中来流空气的滞止温度，采用加热器直接燃烧加热空气是解决该问题的常规手段。超燃冲压发动机在高马赫数下工作时来流空气的总温和总压很高，为使加热器在高压高温下燃烧稳定，并隔离试验台与发动机之间的相互影响，通常需要在加热器后设置音速喉道。
技术实现思路
本专利技术提出一种具有大扩张比、小喉部直径(Φ30πιπι)等特点的小曲率半径水冷音速喉道，其能够在高总温Ο500Κ)，高总压(IlMPa)环境下长期可靠使用，具有较好的工艺性。本专利技术的技术解决方案是一种小曲率半径水冷音速喉道，包括喉道收敛段、喉部13、喉道扩散段和喉道卡环 10，所述喉道收敛段包括收敛段内壁3、收敛段外壁2、收敛段法兰1、收敛段集液环4和收敛段接管嘴11，所述喉道扩散段包括扩散段内壁5、扩散段外壁6、扩散段法兰9、扩散段集液环8和扩散段接管嘴7 ；其特殊之处在于所述收敛段内壁3的外侧面设置有多个轴向延伸的收敛段冷却槽12，所述喉部13 的外侧面设置有多个轴向延伸的喉部冷却槽15，所述扩散段内壁5的外侧面设置有多个轴向延伸的扩散段冷却槽14，所述扩散段接管嘴7、扩散段集液环8、扩散段冷却槽14、喉部冷却槽15、收敛段冷却槽12、收敛段集液环4、收敛段接管嘴11依次构成冷却水通道。上述收敛段外壁2、扩散段内壁5的材料为不锈钢lCrl8Ni9Ti。一种小曲率半径水冷音速喉道的制备方法，其特殊之处在于包括以下步骤1加工收敛段内壁3、收敛段外壁2、收敛段法兰1、收敛段集液环4、扩散段内壁 5、扩散段外壁6、扩散段法兰9、扩散段集液环8 ；2在收敛段内壁3上铣收敛段冷却槽，并将收敛段冷却槽铣至略靠近对接位置处；在扩散段内壁5上铣扩散段冷却槽，并将扩散段冷却槽铣至略靠近对接位置处；3将收敛段内壁与收敛段外壁通过钎焊连在一起；将扩散段内壁与扩散段外壁通过钎焊连在一起；4将喉管收敛段与喉管扩散段在喉部位置对接后，在喉部内安装一个加强衬环， 再将喉管收敛段与喉管扩散段采用电子束焊接在一起；5喉部再铣加工喉部冷却槽15 ；6将喉部卡环、收敛段法兰、扩散段法兰、收敛段集液环和扩散段集液环焊上，车去加强衬环，形成音速喉道。本专利技术与现有技术相比的有益效果是1、高温高压环境下可靠热防护。音速喉道在最高总温2500K，最高总压IlMPa的气流环境下工作，喉部直径小，热流密度大。由于音速喉道工作在高温高压环境下，喉部的热流密度较大，为保证喉部可靠冷却，将喉部壁厚减薄为0. 8mm。为避免喉部强度及刚度过低，音速喉道采用内壁铣槽夹层水冷方案，通过在喉部位置设置肋条，将内壁受到的压力通过肋条传递至外壁，提高结构强度。同时肋效应也能进一步改善喉部的冷却效果，提高热防护性能。采用上述冷却措施能够提高热防护性能，防止内壁烧蚀破坏。2、长期可靠使用。尽管音速喉道内壁的最薄厚度为0.8mm，但通过在喉部内壁外表面设置肋条，提高产品整体强度，使其能够长期可靠使用；3、工艺易实现。音速喉道喉部直径为30mm，具有大扩张比的结构特点，使得喉部曲率半径较小，喉部铣槽并保证喉部壁厚为0. 8mm的工艺及钎焊实现困难。本专利技术通过合理的材料选择和加工工艺流程，降低了加工难度。另外，本专利技术通过冷却结构的设计，内壁材料可以选用导热率一般的材料，如不锈钢lCrl8Ni9Ti，降低加工工艺的难度，节省加工成本，提高产品的经济性。附图说明图1是本专利技术总体结构示意图；图2是本专利技术收敛段内壁铣槽结构示意图；图3是本专利技术扩散段内壁铣槽结构示意图；图4是本专利技术装配结构示意图；图5时本专利技术装配后的喉部铣槽结构示意图。其中1-收敛段法兰，2-收敛段外壁，3-收敛段内壁，4-收敛段集液环，5-扩散段内壁，6-扩散段外壁，7-扩散段接管嘴，8-扩散段集液环，9-扩散段法兰，10-喉道卡环， 11-敛段接管嘴，12-收敛段冷却槽，13-喉部，14-扩散段冷却槽，15-喉部冷却槽。具体实施例方式如图1所示，一种小曲率半径水冷音速喉道，包括喉道收敛段、喉部13、喉道扩散段和喉道卡环10，所述喉道收敛段包括收敛段内壁3、收敛段外壁2、收敛段法兰1)收敛段集液环4)收敛段接管嘴11，所述喉道扩散段包括扩散段内壁5、扩散段外壁6、扩散段法兰 9、扩散段集液环8和扩散段接管嘴7 ；如图2所示，收敛段内壁3的外侧面设置有多个轴向延伸的收敛段冷却槽12，如图5所示喉部13的外侧面设置有多个轴向延伸的喉部冷却槽15，如图3所示，扩散段内壁 5的外侧面设置有多个轴向延伸的扩散段冷却槽14，扩散段接管嘴7、扩散段集液环8、扩散段冷却槽14、喉部冷却槽15、收敛段冷却槽12、收敛段集液环4、收敛段接管嘴11依次构成冷却水通道。收敛段外壁2、扩散段内壁5的材料为不锈钢lCrl8Ni9Ti。本专利技术还提供了一种小曲率半径水冷音速喉道的制备方法，包括以下步骤1加工收敛段内壁3、收敛段外壁2、收敛段法兰1、收敛段集液环4、扩散段内壁 5、扩散段外壁6、扩散段法兰9、扩散段集液环8 ；2在收敛段内壁3上铣收敛段冷却槽，并将收敛段冷却槽铣至略靠近对接位置处；在扩散段内壁5上铣扩散段冷却槽，并将扩散段冷却槽铣至略靠近对接位置处；3将收敛段内壁与收敛段外壁通过钎焊连在一起；将扩散段内壁与扩散段外壁通过钎焊连在一起；4将喉管收敛段与喉管扩散段在喉部位置对接后，在喉部内安装一个加强衬环， 再将喉管收敛段与喉管扩散段采用电子束焊接在一起；5喉部再铣加工喉部冷却槽15 ；6将喉部卡环、收敛段法兰、扩散段法兰、收敛段集液环和扩散段集液环焊上，车去加强衬环，形成音速喉道。如图2、图3所示，内壁上铣冷却槽时将冷却槽铣至两段对接位置略前，这样有利于后续的收敛段内壁和扩散段内壁对接位置的电子束焊；然后将内壁与外壁通过钎焊连在一起；如图4所示，钎焊后收敛段与扩散段在喉部位置采用电子束焊接。由于音速喉道两端直径大，中间直径小，为了减小由此带来的焊接变形，解决搬运和喉部铣槽过程中喉部发生扭曲变形的问题，防止电子束焊时产生焊漏，保证焊接质量，采取的措施主要有(1)收敛段与扩散段在对接电子焊后焊接法兰；( 在焊接时及后续加工过程中喉部内安装一个厚度为3mm左右的加强衬环，并采用工装对其进行保护；C3)电子束焊接后，喉部再加工铣槽，结果如图5所示。最后将喉部卡环、两端的法兰焊上，车去加强衬环，形成最终产品，如图1所示。音速喉道冷却过程工作原理如下根据传热计算结果在内壁上铣出一定数量的冷却槽，以保证冷却水有足够的流速带走的热量，降低壁面温度，避免烧蚀。然后将内壁与外壁通过钎焊连接，内外壁形成夹层冷却通道。冷却水通过接管嘴进入集本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高强，李荣，李小平，
申请(专利权)人：中国航天科技集团公司第六研究院第十一研究所，
类型：发明
国别省市：