一种防串腔高温燃气生成装置身部及其加工方法与流程

本发明涉及冲压发动机直连试验技术，具体涉及一种冲压发动机地面直连试验来流模拟系统防串腔高温燃气生成装置身部及其加工方法。

背景技术：

飞行中的冲压发动机，从大气中吸取空气作为氧化剂，与自身携带的燃料燃烧产生推力，其内流和外流工作状况由一定飞行高度的大气参数：静压、静温和飞行速度决定。由该飞行中的大气参数结合发动机进气道临界几何尺寸，计算进气道入口气流的总温、总压、马赫数等参数。

在地面试验过程中，总温模拟往往采用氧化剂与燃料燃烧加热空气的方式产生高温燃气。该燃烧装置一般由喷注器、燃烧室身部、喉部组成，氧化剂、燃料通过喷注器喷注、雾化、混合后，在距离喷注面一定距离的地面开始燃烧，随着马赫数不同，总温不同，马赫数ma8条件下，总温约2450k左右。因此对燃烧室身部的热防护提出了严苛的要求。

现有火箭发动机及高热流密度燃烧装置的燃烧室身部采用波纹板、铣槽式等结构，图1a和1b为波纹板式冷却结构，包括内筒01、外筒02以及设置在内筒01和外筒02之间的波纹板03,波纹板03与内筒01和外筒02采用钎焊连接,钎焊连接处形成钎焊面04；图2a和2b为铣槽式冷却结构，包括内筒01、外筒02和多个肋板05，每个肋板05的外端面、内端面分别与外筒02内壁、内筒01外壁采用钎焊连接，钎焊连接处形成钎焊面04，多个肋板05沿圆周方向均布。

上述燃烧室身部均采用钎焊连接，钎焊连接时可能由于钎料敷设的均匀性等问题，导致焊接质量检测性差，出现因虚焊、钎料流动导致串腔等风险，使结构件在局部冷却不到位的地方易出现烧蚀，甚至带来灾难性问题。而且钎焊缝隙的公差与钎料的特性、设计人员、加工人员的经验密切相关，以及整体加工需要钎焊炉、真空箱等外围设备，系统配套复杂，费用昂贵，良品率必须通过大量的试验验证才能逐步提高。

地面试验用高温燃气生成装置燃烧室身部与火箭发动机燃烧室身部功能相同，但要求不同，地面试验设施要求多次使用，而火箭发动机有重量要求，只保证单次满足使用要求即可。因此地面燃烧装置在身部加工过程中需要保证每条焊缝可靠焊接，每个冷却通道必须能够承压且冷却到位，才能保证试验台长寿命、可重复使用，而且需要保证成本可控与生产周期。

技术实现要素：

为了解决现有地面试验用高温燃气生成装置身部采用钎焊连接方式，存在焊接质量、焊接可靠性低，成本较高的技术问题，本发明提供了一种防串腔高温燃气生成装置身部及其加工方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种防串腔高温燃气生成装置身部，其特征在于：包括筒状结构的身部本体、沿轴向开设在身部本体外壁且圆周均布的多个凹槽以及采用焊接方式焊接在身部本体外壁且覆盖在每个凹槽上的条形盖板；

位于相邻两条形盖板之间的空隙采用焊接方式填满。

进一步地，所述条形盖板的截面为梯形。

同时，本发明还提供了一种防串腔高温燃气生成装置身部的加工方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)加工圆柱形锻压件，对锻压件进行轴向钻孔加工，形成筒状结构；

2)加工筒状结构外径，根据待加工凹槽的数量，对筒状结构的外圆进行分度，并在分度位置铣凹槽；

3)根据待加工凹槽的数量和长宽尺寸，加工相应数量和长宽尺寸的条形盖板，以及根据身部所需外径与加工后的筒状结构外径之差，加工条形盖板的相应高度尺寸；

4)将条形盖板焊接在相应的凹槽上；

5)分多次焊接相邻条形盖板间的空隙，直至焊料填满所有盖板间的空隙，形成圆柱状身部胚料；

6)焊接完成后对身部胚料进行退火处理；

7)退火完成后对身部胚料的外圆和内圆进行机加至要求尺寸，得到身部。

进一步地，步骤2)中，所述凹槽为偶数个，所述铣凹槽采用对称加工铣槽工艺。

进一步地，所述对称加工铣槽工艺具体如下：

a)按进给量铣a槽，再铣与a槽对称的a＇槽；接着再铣与a槽相邻的b槽，再铣与b槽对称的b＇槽；依次类推，直至完成整圈凹槽的加工；

b)增加进给量，重复执行步骤a)；

c)重复执行步骤b)，直至达到要求的凹槽11槽深。

进一步地，步骤a)和步骤b)中，所述进给量小于等于0.2mm，且越靠近筒状结构中心，进给量越小。

进一步地，步骤3)中，采用线切割的方法加工条形盖板，所述条形盖板的截面为梯形。

进一步地，步骤4)具体为：将条形盖板的端部通过点焊方式固定在相应的凹槽上，且条形盖板的安装次序采用与步骤a)凹槽加工次序相同的方法。

进一步地，步骤5)具体如下：

5.1)对任意两相邻条形盖板间的空隙ⅰ进行打底焊接，再对与空隙ⅰ对称的空隙ⅰ＇进行打底焊接；接着再对与空隙ⅰ相邻的空隙ⅱ进行打底焊接，再对与空隙ⅱ对称的空隙ⅱ＇进行打底焊接；依次类推，直至完成整圈空隙的打底焊接；

5.2)重复利用步骤5.1)的步骤，直至相邻条形盖板间的空隙达到要求的填满厚度，形成圆柱状身部胚料。

进一步地，步骤1)中，所述锻压件外径大于身部所需外径2～3mm，轴向长度大于身部所需长度的20mm或者20mm以上；

步骤3)和步骤4)之间还包括步骤a)：在筒状结构中穿设实心棒料；步骤5)中，每次焊接的焊缝厚度小于等于1mm。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明身部及加工方法采用普通焊接技术，避免了现有钎焊连接方式，可有效减少因钎焊带来的焊接质量问题，同时简化加工配套设施，降低加工成本，提高了加工件整体强度和刚度，缩短加工周期。

2、本发明在身部本体上开设凹槽，条形盖板以焊接方式覆盖在凹槽上，能够有效避免钎焊质量带来的串腔烧蚀风险，并简化焊接工艺，降低生产成本，提升身部生产的良品率，且焊接质量和焊接可靠性高。

3、本发明凹槽加工采用对称的铣槽加工工艺，可有效控制加工过程中的残余应力与变形量，同时保证加工过程结构件整体的刚性，防止加工过程中原料变形造成加工失败。

附图说明

图1a是现有燃烧室身部采用波纹板式冷却结构示意图；

图1b为图1a的局部剖视图；

图2a为现有燃烧室身部采用铣槽式冷却结构示意图；

图2b为图2a的局部剖视图；

图3是本发明防串腔高温燃气生成装置身部的横向剖面结构示意图(未示出条形盖板间焊接结构)；

图4是本发明防串腔高温燃气生成装置身部的横向半剖结构示意图(未示出条形盖板间焊接结构、身部本体示出一半凹槽)；

图5是图4的局部放大示意图；

图6是本发明防串腔高温燃气生成装置身部的加工方法中铣凹槽工艺图；

图7是本发明防串腔高温燃气生成装置身部的加工方法中条形盖板焊接工艺图；

图中，附图标记如下：

01-内筒，02-外筒，03-波纹板，04-钎焊面，05-肋板；

1-身部本体，11-凹槽，2-条形盖板。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图3至图5所示，本发明防串腔高温燃气生成装置身部，包括筒状结构的身部本体1和多个条形盖板2，身部本体1外壁沿轴向开设周均布的多个凹槽11，条形盖板2的下底面宽度大于凹槽11的宽度，多个条形盖板2分别采用焊接方式焊接在身部本体1外壁且覆盖在多个凹槽11上，且多个条形盖板2沿圆周方向均布；位于相邻两条形盖板2间的空隙采用焊接方式填满。

本发明身部最终结构为铣槽式夹层水冷结构，结合本行业公知，根据燃烧室温度t、热流密度h、冷却水流量qh计算得到铣槽的肋高lh1、肋宽lk1、槽深dh1(槽深和肋高的尺寸相同)、槽宽dk1，内壁厚度为d，同时根据高温燃气总流量qm，燃气停留时间t，特征长度l*，特征速度v*等参数计算得到燃烧室内径фd1，肋顶圆直径фd2，根据强度计算得到燃烧室外径фd3。

肋个数sl＝pi*фd2/(lh1+dk1)，式中，pi为圆周率，即π；

槽个数sc＝肋个数sl。

为了解决地面试验用高温燃气生成装置身部的焊接质量、焊接可靠性、低成本生产、可维修性、可更换性等问题，本发明提出的一种高可靠性、低成本的燃烧室身部加工方法。该方法能够有效避免钎焊质量带来的串腔烧蚀的风险，可简化焊接工艺，降低生产成本，提升身部生产的良品率。

本发明防串腔高温燃气生成装置身部的详细加工流程如下：

1)为了保证组织密度，通过锻压成型工艺，加工外廓为圆柱形的锻压件，其外径需大于фd2，同时保证加工余量2mm～3mm，轴向长度余量不得少于20mm；

2)对锻压件沿轴向进行钻孔加工，形成筒状结构，钻孔直径фd需小于фd1；同时需要保证加工余量不少于20mm，如果锻压件的外径小于20mm，则可忽略此步骤的保证加工余量；

3)车削筒状结构锻压件外径至фd2，根据待加工凹槽11的数量，对筒状结构的外圆进行分度，做好分度线；

4)在每个分度线位置铣凹槽11，采用小于фdk1的铣刀沿轴向走刀；

凹槽11为偶数个，铣凹槽11时采用对称式加工铣槽工艺，具体为：

a)如图6所示，先铣一刀形成a槽，调整到a槽对面位置(与a槽对称位置)，再铣一刀形成槽a＇槽，接着沿顺时针前进一个槽铣一刀，形成b槽，再调整到b槽对面位置(与b槽对称位置)，再铣一刀形成槽b＇；依次类推，绕着周向逐槽加工，直至完成周向整圈凹槽11加工；

b)铣刀沿径向增加给进量，重复执行步骤a)；

c)重复执行步骤b)，随着周向圈数增加，槽深增加，直至达到要求的凹槽11槽深фd2-2*dh1为止，见图6所示；

铣槽(凹槽)加工按照一定的进给量逐渐加工，铣完一圈后调整进给量在走一圈，重复加工直至达到要求，每次沿径向的进给量不大于0.2mm，越靠近筒状结构中心，进给量越小。

5)根据待加工凹槽11的数量和长宽尺寸，加工相应数量和长宽尺寸的条形盖板2，以及根据身部所需外径与精加工后的筒状结构外径之差，加工条形盖板2的相应高度尺寸；采用线切割的方法加工成条形盖板2，本实施例条形盖板2采用截面为类梯形结构，其中条形盖板2的上顶圆弧直径大于фd3，加工余量不小于0.5mm，条形盖板2下底圆弧直径为фd2，直接到位；

6)将条形盖板2焊接在铣槽后的锻压件上，即将条形盖板2一一对应并采用焊接方式覆盖在每个凹槽11上，条形盖板2焊接时采用与铣槽加工次序一致的方法(对称安装工艺)，即焊接完成一根条形盖板2焊缝后，沿圆周转动至对面位置处进行条形盖板2焊接，再沿顺时针(或者逆时针)前进进行下一组对称的两个条形盖板2的焊接。

本实施例采用氩弧焊焊接的方式，焊接时首次在条形盖板2的两个端面和中间分段点焊连接，先固定好每根条形盖板2；本实施例焊接条形盖板时，首先采用电焊固定盖板，然后逐条对称焊接，同时控制焊接的高度，采用多次焊接成型，可以保证热变形均匀；

7)如图7所示，对每两根条形盖板2中间焊缝处进行分段打底焊接，焊接一条焊缝、对称焊接另一条焊缝，这样沿周向逐条焊接；具体为：任意两相邻条形盖板2间的空隙ⅰ进行打底焊接，再对与空隙ⅰ对称的空隙ⅰ＇进行打底焊接；接着再对与空隙ⅰ相邻的空隙ⅱ进行打底焊接，再对与空隙ⅱ对称的空隙ⅱ＇进行打底焊接；依次类推，直至完成整圈空隙的打底焊接；控制每次焊缝的厚度不超过1mm，分多次填满需要焊接的焊缝处即可，即相邻条形盖板2间的空隙达到要求的填满厚度，形成圆柱状身部胚料。

8)焊接完成后对身部胚料进行退火处理；

9)退火完成后对身部胚料的外圆和内圆进行机加至要求尺寸，得到身部；

10)将内圆加工至фd1，整体酸洗、钝化；

11)最后焊接前后两个端面法兰，酸洗、钝化最后的焊缝；

12)对焊缝处进行水压强度试验，压力不低于2mpa。

本实施例在焊接过程中，可在筒状结构锻压件钻孔中心穿一直径略小于фd的实心棒料，锻压件可在该棒料上旋转，可以避免因焊接导致的变形。

本实施例加工方法采用普通氩弧焊接技术，回避了现有钎焊连接方式，可有效减少因钎焊带来的焊接质量问题，同时，降低了加工成本，简化了加工配套设施，提高了加工件整体强度和刚度。

现有钎焊工艺，随着加工件尺寸的增加，需要的真空钎焊炉子就越大，成本大幅增加；而本实施例加工方法所制备的身部不受尺寸限制。以及采用本实施例方法加工获得的防串腔高温燃气生成装置身部，整体质量可靠、工艺良好、成本低、良品率高、能够满足使用要求。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。