一种火箭发动机螺旋管的固定装置、火箭发动机换热器的制作方法

1.本实用新型属于运载火箭发动机技术领域，具体涉及一种火箭发动机螺旋管的固定装置、火箭发动机换热器。


背景技术：

2.作为火箭发动机的重要组成部分，火箭发动机换热器利用燃气作为热源与增压介质进行热交换，提升增压介质的温度，增强对贮箱的增压效果。
3.国内外火箭发动机换热器主要包括铣槽式换热器和管式换热器两种形式。其中，铣槽式换热器的加工工艺性和后期优化调整能力较差，而管式换热器具有结构简单、可优化调节、换热性能优良等特点，广泛应用于国内外火箭发动机换热器中。
4.管式换热器的管束在固定时，常因为震动剧烈而造成管束固定不牢固，甚至造成管束发生形变。另外，现有的火箭发动机管式换热器存在管束排列不紧密、换热结构高度较大、换热结构难以实现通用性等问题，影响了换热效率和发动机整体的性能。
5.亟需设计一种换热器结构，使得管束被固定牢固过程中可以避免管束发生变形，同时，可以增加换热面积，提高换热效率。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种火箭发动机螺旋管的固定装置、火箭发动机换热器，使得管束在被固定牢固的同时，可以增加换热面积，提高换热效率，进而提高火箭发动机的性能。
7.本实用新型的一个方面提供了一种火箭发动机螺旋管的固定装置，包含上固定板、下固定板、多个连接件和多个支撑件；所述上固定板和所述下固定板分别对应地设有多个第一固定通孔和第二固定通孔，多个所述连接件均匀排布在所述上固定板和所述下固定板之间，且所述连接件两端分别贯穿所述第一固定通孔和所述第二固定通孔后与所述上固定板和所述下固定板固定连接；
8.所述连接件沿其长度方向依次设置有多个第三固定通孔，多个所述支撑件分别贯穿多个所述第三固定通孔后形成多个支撑通道，所述支撑通道用于支撑火箭发动机的螺旋管束。
9.进一步的，所述上固定板和所述下固定板彼此面对地设置。
10.进一步的，所述上固定板包含上板和侧板，所述侧板位于所述上板宽度方向的两侧，所述侧板的一端与所述上板固定连接，另一端向所述下固定板侧延伸。
11.进一步的，所述上固定板的表面还设有孔道，所述孔道与所述第一固定通孔间隔排布；所述下固定板的表面还设有孔道，所述孔道与所述第二固定通孔间隔排布；所述孔道用于高温介质的流通。
12.进一步的，沿第一固定通孔排布的长度方向，所述侧板的宽度逐渐减小。
13.进一步的，所述第一固定通孔和所述第二固定通孔一一对应，且所述第一固定通
孔和所述第二固定通孔均为弯弧通孔。
14.进一步的，所述连接件为带有弯弧的长条板，且两端分别为与所述第一固定通孔和所述第二固定通孔匹配设置的结构。
15.进一步的，所述支撑件为铜铆钉，且所述铜铆钉一端贯穿所述第三固定通孔后向所述火箭发动机螺旋管中心一侧延伸，另一端端面与所述连接件远离所述火箭发动机螺旋管中心一侧的端面贴紧。
16.本实用新型的再一个方面提供了一种火箭发动机换热器，包含两端相通内部设有流道的外壳、介质流道结构和固定装置，其中，
17.所述介质流道结构至少包含位于所述外壳内沿所述流道径向方向依次排布的第一火箭发动机螺旋管和第二螺旋管束；
18.所述固定装置沿所述外壳内壁周向排布且用于将所述第一火箭发动机螺旋管和所述第二螺旋管束固定在所述外壳内。
19.进一步的，所述固定装置的数量为a个，其中，a≥2。
20.与现有技术相比，本实用新型的实施例至少具有以下之一的优点：
21.第一、通过上固定板和下固定板分别对应地设有多个第一固定通孔和第二固定通孔，多个连接件均匀排布在上固定板和下固定板之间，且连接件两端分别贯穿第一固定通孔和第二固定通孔后与上固定板和下固定板固定连接，不仅保证连接件与上固定板和下固定板固定牢固，而且通过多个连接件与上固定板和下固定板固定连接，使得三者构成的结构更加稳定。螺旋管束在相邻的连接件之间的支撑通道贯穿的同时，连接件起到限位作用，可以有效减少螺旋管发生的径向晃动(螺旋管位于相邻连接件之间)。
22.第二、通过连接件沿其长度方向依次设置有多个第三固定通孔，且多个支撑件贯穿第三固定通孔用于支撑火箭发动机的螺旋管束，使螺旋管束可以可靠地抵接在支撑件上以对螺旋管束进行支撑，防止螺旋管束沿重力方向发生形变。
23.第三、由于介质流道结构至少包含位于外壳内沿流道径向方向依次排布的第一火箭发动机螺旋管数和第二火箭发动机的螺旋管数，而第一螺旋管束和第二螺旋管束的双排设置，可以增加了热交换的面积，进而可以提高换热效率。另外，固定装置沿外壳内壁周向排布且通过位于相邻连接件及对应支撑件组成的支撑通道将第一螺旋管束和第二螺旋管束固定在外壳内，使得第一螺旋管束和第二螺旋管束固定牢固，避免第一螺旋管束和第二螺旋管束因剧烈震动或管束自身重力而发生形变，改善换热器的换热效率。
24.应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本实用新型所欲主张的范围。
附图说明
25.下面的附图是本实用新型的说明书的一部分，其绘示了本实用新型的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本实用新型的原理。
26.附图1换热器示意图；
27.附图2集液环流道示意图；
28.附图3为三个螺旋管束及固定装置示意图；
29.附图4支撑结构示意图。
30.附图标记说明：
31.1入口法兰
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
2过渡环
32.3筒体
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
4高温波纹管
33.5出口法兰
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
6介质入口三通
34.7集液环
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
8螺旋管束
35.9介质出口三通
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
10介质调节路
36.11下固定板
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
12铜铆钉
37.13连接件
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
14上固定板
具体实施方式
38.现详细说明本实用新型的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本实用新型的限制，而应理解为是对本实用新型的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
39.在不背离本实用新型的范围或精神的情况下，可对本实用新型说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本实用新型的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本技术说明书和实施例仅是示例性的。
40.本实用新型的一个方面提供了一种火箭发动机螺旋管的固定装置。如图3和图4所示，包含上固定板14、下固定板11、多个连接件13和支撑件。上固定板14和下固定板11分别对应地设有多个第一固定通孔和第二固定通孔，多个连接件13均匀排布在上固定板14和下固定板11之间，且连接件13两端分别通过贯穿第一固定通孔和第二固定通孔后与上固定板14和下固定板11固定连接。
41.连接件13沿其长度方向依次设置有多个第三固定通孔，支撑件贯穿第三固定通孔并与相邻支撑件及对应的连接件够成支撑通道，支撑通道用于支撑火箭发动机螺旋管束。
42.通过使发动机螺旋管束顺次穿过支撑通道获得支撑，可以减少发动机螺旋管束受到的震动及损伤保证发动机螺旋管束的结构稳定。
43.值得一提的是，为了方便固定连接件13，保证连接件13、上固定板14及下固定板11之间连接时组成的结构更加稳定，例如，上固定板14和下固定板11彼此面对地设置。为了方便上固定板14、下固定板11与连接件13连接，例如，上固定板14和下固定板11的形状相同，大小相等。本技术的固定装置，通过将上固定板14和下固定板11的形状相同，大小相等，可以方便上固定板14和下固定板11的加工和安装。
44.需要注意的是，为了方便上、下固定板与外壳固定(以上固定板14结构进行举例说明，下固定板可与之类似)，上固定板14包含上板和侧板，侧板位于上板宽度方向的两侧，侧板的一端与上板固定14连接，另一端向下固定板11侧延伸。上板与位于两侧的侧板形成一个凹槽结构。例如，凹槽结构的一端的端面可以与外壳(两端相通内部设有流道的结构)的内壁焊接，通过凹槽结构一端的端面与外壳内壁连接时，增加了两者的接触面积。在焊接时，可以通过增加焊接面积保证上固定板14与外壳连接1更加紧密，固定更加牢固。
45.另外，为了保证高温介质快速流通的同时，增加热交换的面积，例如，上固定板14的表面还设有孔道，孔道与第一固定通孔间隔排布。下固定板的表面还设有孔道，孔道与所述第二固定通孔间隔排布。孔道的设置使得部分高温介质经孔道后快速与螺旋管束8接触，
完成热交换。此外，孔道不仅可以使得高温介质快速完成热交换，提高热交换效率，而且还可以减少上、下固定板的重量，方便安装。
46.另外，为了方便安装螺旋管束8，例如，侧板沿第一固定通孔排布的长度方向(图4中s1箭头指向方向)，宽度逐渐减小。此设计还可以根据实际情况调节螺旋管束8(螺旋管束8为多排结构)的高度，方便螺旋管束8与固定装置的安装。
47.特别需要指出的是，为了使得连接件13与上、下固定板之间固定更加牢固，减少组成部件发生形变的机率，例如，第一固定通孔和第二固定通孔一一对应，且第一固定通孔和第二固定通孔均为弯弧通孔。连接件13为带有弯弧的长条板，且两端分别为与第一固定通孔和第二固定通孔匹配设置的结构。通过连接件13两端与过弯弧通孔匹配设置，可以增加两者的接触面积，进而使得两者焊接更加牢固。另外，在实际应用时，弯弧的长条板的横截面可以为半圆形结构，距离较近的两个相邻半圆管的凹部向彼此靠近侧下凹，螺旋管束位于距离较近的两个相邻半圆管之间的支撑通道中，两个的相邻半圆管之间通过其中间隔设置的多个支撑件，形成用以支撑发动机螺旋管的多个支撑通道。当螺旋管束因震动产生晃动时，凹部外侧迅速与螺旋管束贴紧，有效保护螺旋管束结构稳定，避免其发生形变，从而方便螺旋管束的安全使用。
48.另外，为了方便支撑件与连接件13连接，同时防止连接件13被腐蚀以及防止支撑件磕伤螺旋管束，例如，支撑件为铜铆钉12，且铜铆钉12一端贯穿第三固定通孔后向火箭发动机螺旋管束中心一侧延伸，并抵接在相邻的连接件13的表面(远离相邻连接件的一侧的表面)上，另一端端面与连接件13远离火箭发动机螺旋管束中心一侧的端面贴紧，本实施方式中，铜铆钉12与连接件采用铆接连接。
49.本实用新型的再一个方面提供了一种火箭发动机换热器，如图1、图2、图3和图4所示，该换热器包含两端相通内部设有流道的外壳、介质流道结构和固定装置。
50.介质流道结构至少包含位于外壳内沿流道径向方向依次排布的第一螺旋管束和第二螺旋管束。固定装置沿外壳内壁周向排布且用于将第一螺旋管束和第二螺旋管束固定在外壳内。
51.以下给出发动机换热器的一种组装方式，但本技术的保护范围并不以此为限。在第一螺旋管束上端与下端分别放置上固定板和下固定板。连接件13一端由上固定板的第一固定通孔进入且贯穿第一固定通孔后，进入下固定板上的第二固定通孔后，使得沿径向方向第一螺旋管束的内、外侧分别设有连接件，通过焊接的方式将内、外侧的连接件两端与第一、第二固定通孔外壁焊接。随后将支撑件一端由第一螺旋管束一侧进入第三固定通孔(沿径向方向由外向内)，支撑件依次贯穿两个相邻的第三固定通孔并与相邻支撑件及对应的连接件够成支撑通道，支撑通道用于支撑第一螺旋管束。将第二螺旋管束放置在第一螺旋管束内(第一螺旋管束和第二螺旋管束为单独的组件，本实施例中第二螺旋管束套设在第一螺旋管束外侧，且径向方向上，两者彼此靠近一侧之间存在间隙)，且第一螺旋管束和第二螺旋管束且两者沿径向方向依次排布设置，通过与固定第一螺旋管束的方式相同，将连接件贯穿第一、第二固定通孔，支撑架贯穿第三固定通孔形成支撑通道，将第二螺旋管束固定在支撑通道内，之后上、下固定板与外壳内壁焊接固定，进而将第一螺旋管束和第二螺旋管束固定在外壳内。
52.经过大量的实验仿真，固定装置的数量为a个，当满足a≥2时，可以方便对第一螺
旋管束和第二螺旋管束的固定。以a为4个进行举例说明，4个固定装置周向等角度地设置在外壳内，即4个固定装置之间的连线将外壳所形成地圆柱体周向四等分。
53.具体的说，外壳包含入口法兰1、过渡环2、筒体3、高温波纹管4和出口法兰5。其中，过渡环2和筒体3主要起承压作用，高温波纹管4用于协调装配偏差和热变形。过渡环2(两端相通的圆柱体结构)包含上过渡环和下过渡环。入口法兰1的下端与上过渡环的上端连接，上过渡环的下端与筒体3的上端连接，筒体3的下端与下过渡环的上端连接，下过渡环的下端与高温波纹管4的上端连接，高温波纹管4的下端与出口法兰5连接。
54.在本实施例中，介质流道结构包含位于外壳内沿流道径向方向依次排布的第一螺旋管束、第二螺旋管束(紧密排列的同心螺旋管束)以及沿外壳外侧周向等间隔排布且与外壳固定连接的集液环7，集液环7包含第一集液环和第二集液环。
55.第一螺旋管束和第二螺旋管束的入口端与第一集液环的入口端连接，第一集液环的出口端与位于第一集液环外侧的介质入口三通6连接。第一螺旋管束和第二螺旋管束的出口端与第二集液环的入口端连接，第二集液环的出口端与位于第二集液环外侧的介质出口三通9连接。
56.第一集液环位于下过渡环与筒体的下端连接的过渡部位，第二集液环位于上过渡环与筒体的上端连接的过渡部位，且所述第一集液环和第二集液环之间还设有介质调节路10。
57.固定装置用于将第一螺旋管束和第二螺旋管束固定在外壳内侧。
58.如图2所示，集液环7连接至过渡环2，形成半环形集液环流道。应用时，增压介质自介质入口三通6进入集液环7，再分流至螺旋管束8(第一螺旋管束、第二螺旋管束)中，通过螺旋管束与高温燃气换热后，再集中至第二集液环中，由介质出口三通9引出至贮箱增压。
59.如图1所示，介质调节路10连接介质入口三通6和介质出口三通9的另一个接口，使得自介质入口三通6进入的增压介质一分为二，一路进入螺旋管束获得较高的温度，一路进入介质调节路10保持较低的温度，通过冷热掺混达到调节换热器出口参数的效果。介质调节路10内置节流圈，通过调整节流圈大小可实现不同的冷热掺混效果和换热器出口参数。
60.具体的说，本技术的固定装置，通过将上固定板14和下固定板分别对应地设有多个第一固定通孔和第二固定通孔，多个连接件13均匀排布在上固定板和下固定板之间，且连接件13两端分别贯穿第一固定通孔和第二固定通孔后与上固定板和下固定板固定连接，不仅保证连接件13与上固定板和下固定板固定牢固，而且通过多个连接件13与上固定板和下固定板使得三者构成的结构更加稳定。此外，螺旋管束8通过在相邻的连接件13之间贯穿，同时，连接件13及相应位置的支撑件可以对螺旋管束8起到限位作用，减少螺旋管束8发生径向晃动(螺旋管束位于相邻连接件以及间隔设置的支撑件的支撑通道内)。
61.此外，在本技术的固定装置中，通过连接件13沿其长度方向依次设置有多个第三固定通孔，支撑件贯穿第三固定通孔且用于支撑火箭发动机的螺旋管束，螺旋管束抵接在支撑件上以对螺旋管束8进行支撑，防止螺旋管束8沿重力方向发生形变。
62.由于介质流道结构至少包含位于外壳内沿流道径向方向依次排布的第一螺旋管束和第二螺旋管束，而第一螺旋管束和第二螺旋管束的双排设置，可以增加了热交换的面积，进而可以提高换热效率，从而有利于换热器的应用。另外，固定装置沿外壳内壁周向排布且用于将第一螺旋管束和第二螺旋管束固定在外壳内，使得第一螺旋管束和第二螺旋管
束固定牢固，避免因剧烈震动而发生形变。
63.本实用新型可以满足蒸气发生器和换热器等中螺旋管束的要求，对螺旋管束进行支撑保护，既可以使螺旋管束布置更加紧凑，还可以提高的抗振特性，保证螺旋管束的稳定可靠。
64.以上实施例可以彼此组合，且具有相应的技术效果。
65.以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。