一种航空发动机燃烧室水冷式机匣加强结构的制作方法

本发明专利涉及航空发动机领域，主要涉及一种航空发动机燃烧室水冷式机匣加强结构。

背景技术：

随着航空发动机推力不断提高，燃烧室部件的燃气流量也不断加大，国内现有试验设备已难以满足全流量状态下的燃烧室试验。另外，从经济性角度考虑，在燃烧室部件研制阶段，也往往采用截取燃烧室部分特征结构，即采用扇形燃烧室模拟全环燃烧室进行试验研究。扇形燃烧室两侧机匣的作用是配合法兰和扇形机匣筒体构成完整的燃烧通道，不属于燃烧室特征结构，故无法得到燃烧室内冷却气体的保护。为保证试验安全，两侧机匣通常设计成双层板结构，通过冷却水在双层板中间循环流动达到冷却两侧机匣的目的，为提高对流换热效果，冷却水压力往往数倍于双层板外环境压力。另外，在双层板加工过程中，更是要通过1.5～2倍的冷却水压力来检验双层板的密封效果。所以，在加工和实际工作时，双层板结构均会承受较大的水压力。

目前的双层板结构是通过焊接形成的中空冷却通道，双层板的内、外壁之间没有进行固定连接。在高温、高压的使用环境中，仅依靠四周的焊缝承受水压力，经过长时间工作后，双层板中部易产生“鼓包”状变形，焊缝处也存在受力开裂的风险。加之整个燃烧室机匣的焊接量较大，焊接后存在残余应力，且残余应力分布不均，会导致双层板的强度被削弱，增大了“鼓包”状变形的概率和变形程度。机匣发生“鼓包”状变形后，将直接导致机匣结构强度无法满足设计要求，同时，双层板中间的水冷通道参数也将发生改变，破坏了原有的冷却设计布局，将可能出现机匣局部因冷却不足而导致的超温现象，影响燃烧室机匣的使用安全性。

技术实现要素：

本发明的目的：针对现有航空发动机燃烧室水冷式机匣结构进行改良，提供一种结构简单可靠、工艺性好的水冷式机匣加强结构。该结构设计紧凑，对现有的水冷式机匣结构和冷却设计布局影响较小。通过加强后的水冷式机匣，可有效控制机匣在高温、高压使用环境中的变形，提高机匣的可靠性和使用安全性。

本发明技术方案：一种航空发动机燃烧室水冷式机匣加强结构，包括机匣外壁1、机匣内壁2、导流隔板3，导流隔板3固定连接在机匣内壁2上，在机匣外壁1和机匣内壁2之间形成水冷通道，还包括若干个双层板连接螺栓4和托板螺母5,双层板连接螺栓4的螺帽端通过安装孔a1固定连接在导流隔板3与机匣内壁2形成的整体上，机匣外壁1上设有若干个阶梯孔a2，所述双层板连接螺栓4从阶梯孔a2穿出，所述托板螺母5在机匣外壁1外侧与双层板连接螺栓4拧紧，从而将机匣外壁1与机匣内壁2固定连接。

所述的一种航空发动机燃烧室水冷式机匣加强结构，所述双层板连接螺栓4和托板螺母5构成的螺纹副通过焊接密封。

所述的一种航空发动机燃烧室水冷式机匣加强结构，所述双层板连接螺栓4的螺帽端通过安装孔a1固定连接在导流隔板3上，螺帽端上表面与导流隔板3上表面齐平，机匣外壁1在与导流隔板3接触的部位设有若干个阶梯孔a2。

所述的一种航空发动机燃烧室水冷式机匣加强结构，所述双层板连接螺栓4的螺帽端通过安装孔a1固定连接在机匣内壁2上，螺帽段上表面与导流隔板3上表面齐平。

所述的一种航空发动机燃烧室水冷式机匣加强结构，机匣外壁1上设有若干个阶梯孔a2，所述托板螺母5的主体结构为方台，中间为带内螺纹的盲孔，方台下方为圆形托板法兰，螺母安装到位后，托板法兰卡入机匣外壁1的阶梯孔a2中。

所述的一种航空发动机燃烧室水冷式机匣加强结构，由双层板连接螺栓4和托板螺母5构成的螺纹副“连接点”按照“矩阵式”排布而成，在机匣中部区域应当加密布置。

本发明的有益效果是：

1通过增加双层板连接螺栓与托板螺母，形成螺纹副连接，使双层板内、外壁相互支撑，提高了水冷式机匣双层板结构的承压能力，降低了双层板周边焊缝的应力水平，提高了机匣的可靠性；

2该加强结构可有效控制双层板的变形，使双层板中间的冷却通道型面参数与设计值保持一致，从而保证机匣能按照设计期望得到有效冷却，提高了机匣在使用过程中的安全性；

3在现有水冷式机匣结构上进行结构优化，对现有的机匣结构和冷却设计结果影响较小，降低了技术风险；

4双层板连接螺栓与托板螺母结构简单，新增零件数量少，装配性和工艺性好。加工成本相比于原有水冷式机匣结构无明显增加。双层板连接螺栓与托板螺母的数量、分布方法和螺纹副大小可根据实际需求设计，改进设计的限制少。

附图说明

图1为目前燃烧室水冷式机匣结构示意图，描述机匣外壁1、机匣内壁2、导流隔板3、进水嘴6和出水嘴7的相对位置关系，以及冷却水流动方向；

图2为水冷式机匣加强结构原理图，描述由机匣外壁1、机匣内壁2、导流隔板3、双层板连接螺栓4和托板螺母5组成的水冷式机匣加强结构的原理；

图3为水冷式机匣加强结构分解图，描述机匣外壁1、机匣内壁2、导流隔板3、双层板连接螺栓4和托板螺母5的装配关系；

图4为螺纹副“连接点”在水冷式机匣上分布示意图，描述由双层板连接螺栓4和托板螺母5组成的螺纹副“连接点”在水冷式机匣表面的分布方案；

图5为双层板连接螺栓4结构示意图，描述双层板连接螺栓4的具体结构及组成要素；

图6为托板螺母5结构示意图，描述托板螺母5的具体结构及组成要素。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例子详细介绍本发明。

参阅图1，现有燃烧室水冷式机匣包括机匣外壁1、机匣内壁2、导流隔板3、进水嘴6和出水嘴7。机匣外壁1和机匣内壁2沿四周进行焊接，形成空腔；导流隔板3间隔分布，与机匣内壁2通过焊接或整体成型形成一个整体，并形成“n字形”的水冷通道；进水嘴6和出水嘴7分别固定在机匣外壁1的右下角和左上角。燃烧室工作时，冷却水从进水嘴6进入冷却空腔，沿“n字形”水冷通道流动，最终从出水嘴7流出，通过冷却水的连续流动换热，达到冷却机匣的目的。

参阅图2，燃烧室水冷式机匣加强结构包括机匣外壁1、机匣内壁2、导流隔板3、双层板连接螺栓4和托板螺母5。与现有燃烧室水冷式机匣相比，在机匣内壁2和导流隔板3形成的整体上增加了孔深为h1、孔径为d1的安装孔a1，并在机匣外壁1上的对应位置增加了大/小孔径分别为d3/d4、大孔孔深为h2的阶梯孔a2。安装孔a1用于固定安装双层板连接螺栓4。双层板连接螺栓4从阶梯孔a2穿出，托板螺母5在机匣外壁1外侧与双层板连接螺栓4拧紧形成螺纹副，并通过焊接与机匣外壁1连接、密封，使机匣外壁1与机匣内壁2相互连接和支撑。为保证螺纹副有足够的预紧力，螺纹副直径一般选取5～8mm，且至少有3～5扣完整螺纹连接。

另外，安装孔a1孔深h1和阶梯孔a2大孔孔深h2选值时，一方面要满足双层板连接螺栓4和托板螺母5的装配定位，另一方面也要保证双层板连接螺栓4和托板螺母5的焊接强度。

参阅图3，燃烧室水冷式机匣加强结构包括机匣外壁1、机匣内壁2、导流隔板3、双层板连接螺栓4和托板螺母5。在组装过程中，首先将双层板连接螺栓4螺帽端平稳放置在安装孔a1内，并在螺帽周边进行焊接，使其固定在由机匣内壁2和导流隔板3组成的整体上；再将机匣外壁1和机匣内壁2通过四边焊接成为双层板结构，并使双层板连接螺栓4从机匣外壁1上的阶梯孔a2穿出；最后将托板螺母5从外侧与双层板连接螺栓4拧紧，并在托板螺母5的托板法兰周边焊接密封。

参阅图4，燃烧室水冷式机匣加强结构是由多个如图2所示的螺纹副“连接点”按照“矩阵式”排布而成。“矩阵式”排布的行数n1、行间距c1、列数n2和列间距c2应统筹兼顾焊接变形量、制造难度和双层板变形量等因素，针对变形量较大的机匣中部区域，应当加密布置。

另外，结合开设安装孔a1的实际需要，可在导流隔板3上对应位置将隔板宽度b拓宽为直径d6的螺栓安装座，d6取值不易过大，以减小对原冷却设计的影响。螺栓安装座与导流隔板之间通过转接圆角进行过渡，转接圆角半径r≮2mm。

参阅图5，双层板连接螺栓4为“t”字形，螺帽直径d2与螺纹直径m1相匹配，一般可选取8～12mm。为保证双层板连接螺栓4顺利装配，螺帽直径d2和安装孔a1孔径d1要匹配设计。为了不影响机匣外壁1与机匣内壁2的装配，螺帽上表面不能超过导流隔板3上表面。

参阅图6，托板螺母5主体结构为下方带圆形托板法兰、边长为l的方台，便于装配操作。方台中间开有带内螺纹的盲孔，螺纹直径m2＝双层板连接螺栓4螺纹直径m1。为保证托板螺母5顺利装配，托板法兰直径d5和阶梯孔a2孔径d3要匹配设计。