一种具有卡槽结构的高超声速风洞喷管及其制造方法与流程

1.本发明涉及火箭喷气推进装置技术领域，特别涉及一种具有卡槽结构的高超声速风洞喷管及其制造方法。


背景技术：

2.高超声速风洞是进行高超声速飞行器空气动力外形性能实验的关键设备，而喷管型线决定了实验区域流场的品质，是整个风洞系统中最关键的部件之一。传统风洞喷管通常由铜内壁与钢外壁组成，铜内壁与钢外壁通常采用钎焊或扩散连接方案进行连接。风洞喷管使用的铜合金通常不可通过热处理进行强化，因此在经过扩散连接或钎焊过程后，内壁铜合金均为软态，屈服强度和抗拉强度相比原材料的变形强化状态大大降低。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种具有卡槽结构的高超声速风洞喷管，该具有卡槽结构的高超声速风洞喷管采用卡接的方式，使得所述喷管内壁可保持原材料的锻造或旋压变形后的强化状态，提高所述喷管内壁的受力能力和使用寿命，省去扩散连接或钎焊的高温过程，大大缩短了所述风洞喷管的制造周期，降低制造成本。
4.本发明的目的还在于提供一种高超声速风洞喷管的制造方法。
5.为实现本发明目的，本发明采用如下技术方案：根据本发明的一个方面，提供了一种具有卡槽结构的高超声速风洞喷管。所述具有卡槽结构的高超声速风洞喷管包括：喷管外壁；喷管内壁，套设于所述喷管外壁的内部，其中，所述喷管内壁的外型面设置有内壁凸起，所述喷管外壁的内型面向外凹陷以形成对应于所述内壁凸起的外壁凹槽，以使得所述喷管内壁卡接于所述喷管外壁；防变形结构，包括受力部和配合部，其中，所述受力部设置于所述喷管内壁，所述配合部设置于所述喷管外壁；其中，所述喷管外壁和所述喷管内壁之间设置有冷却介质槽道，所述受力部和所述配合部相配合，用于防止所述喷管内壁在所述冷却介质的压力下发生向内的变形。
6.根据本发明的一实施方式，其中，所述内壁凸起开设有内壁凹槽，所述外壁凹槽的槽底设置有对应于所述内壁凹槽的外壁凸起，所述外壁凸起插入所述内壁凹槽，以使得所述喷管内壁卡接于所述喷管外壁；所述受力部，包括多个受力面，其中，所述受力面设置于所述内壁凹槽，且接触于所述外壁凸起的所述内壁凹槽的槽壁为所述受力面；所述配合部，包括多个配合面，其中，所述配合面为弧形，设置于所述外壁凸起，且所述外壁凸起和所述内壁凹槽接触的面为所述配合面，所述配合面为弧形，以便于所述内壁凹槽和所述外壁凸起装配；
垂直于所述喷管内壁轴线的面与所述喷管外壁的外型面相交形成圆形平面，多个所述受力面沿所述圆形平面的圆周均匀分布，多个所述配合面沿所述圆形平面的圆周均匀分布，所述受力面和所述配合面一一对应，以对所述喷管内壁产生周向的预应力。
7.根据本发明的一实施方式，其中，当所述内壁凹槽与所述外壁凸起刚接触时，所述内壁凹槽与所述外壁凸起的接触形成多个第一接触点，多个所述第一接触点形成垂直于所述喷管外壁的轴线的第一圆，所述第一圆的半径为r0，所述内壁凹槽与所述外壁凸起的轴向间隙为t
z0
，所述内壁凹槽的非配合面与所述外壁凸起的非配合面之间的间隙为t
n0
，所述受力面与所述配合面的配合长度为l0；当所述内壁凹槽与所述外壁凸起卡接完成后，所述内壁凹槽的槽口与所述外壁凸起的接触形成多个第二接触点，多个所述第二接触点形成垂直于所述喷管外壁的轴线的第二圆，所述第二圆的半径为r1，所述内壁凹槽与所述外壁凸起的轴向间隙为t
z1
，所述内壁凹槽的非配合面与所述外壁凸起的非配合面之间的间隙为t
n1
，所述受力面与所述配合面的配合长度为l1；其中，0.2 mm≤t
z1
《t
z0
≤0.6mm，0.1 mm≤t
n1
《t
n0
≤0.25mm，所述配合面的斜度为α，5
°
≤a≤20
°
，所述喷管内壁（2）产生周向的预应力为σ，σ=（l
1-l0）
×e×
tanα/r0；公式中：e为所述喷管内壁的材料的弹性模量。
8.根据本发明的一实施方式，其中，所述内壁凸起为多个，多个所述内壁凸起沿所述喷管内壁的母线延长方向排列，以形成内壁凸起列；其中，所述内壁凸起列至少两个，相邻两个所述内壁凸起列沿所述喷管内壁的外型面圆周方向均匀分布。
9.根据本发明的一实施方式，其中，所述内壁凸起为多个，多个所述内壁凸起沿所述圆形平面的外周均匀分布，以形成凸起环形阵列；其中，所述凸起环形阵列为多个，相邻所述凸起环形阵列上下平行。
10.根据本发明的一实施方式，其中，沿所述喷管内壁的母线方向开设有多个用于容纳所述冷却介质的冷却槽，多个所述冷却槽沿所述喷管内壁的周向均匀分布。
11.根据本发明的一实施方式，其中，所述喷管内壁的输入端开设有第一内壁l型槽，所述喷管外壁的输入端开设有对应于所述第一内壁l型槽的第一外壁l型槽，所述喷管内壁的输出端设置有第二内壁l型槽，所述喷管外壁的输出端开设有对应于所述第二内壁l型槽的第二外壁l型槽；其中，所述第一内壁l型槽插入所述第一外壁l型槽，所述第二内壁l型槽插入所述第二外壁l型槽，所述第一内壁l型槽和所述第一外壁l型槽之间、所述第二内壁l型槽和所述第二外壁l型槽之间均设置有密封圈，以确保所述喷管外壁和所述喷管内壁之间的密封性。
12.根据本发明的一实施方式，其中，所述第一内壁l型槽和所述第一外壁l型槽之间、所述第二内壁l型槽和所述第二外壁l型槽之间均通过螺栓连接。
13.根据本发明的一个方面，提供了一种高超声速风洞喷管的制造方法。所述高超声速风洞喷管的制造方法包括：加工喷管外壁的内型面，以形成外壁凹槽；
加工喷管内壁的外型面，以形成内壁凸起；在所述喷管内壁的外表面沿纵向方向，开设多个冷却槽；对所述喷管内壁的表面和所述喷管外壁的表面进行清理；将所述喷管内壁和所述喷管外壁进行装配，以形成高超声速风洞喷管。
14.根据本发明的一实施方式，其中，还包括：加工所述喷管内壁的端面，以形成第一内壁l型槽和第二内壁l型槽，加工所述喷管外壁的端面，以形成第一外壁l型槽和第二外壁l型槽，并在所述第一内壁l型槽和所述第一外壁l型槽之间、所述第二内壁l型槽和所述第二外壁l型槽之间均设置有密封圈，对高超声速风洞喷管的端面进行螺纹连接；其中，所述喷管外壁的端面和所述喷管内壁的端面均留有1mm~2mm的余量，在所述高超声速风洞喷管的端面进行螺纹连接后，去掉喷管外壁的端面和喷管内壁的端面的余量；对装配后的所述高超声速风洞喷管进行性能测试。
15.本发明中的一个实施例具有如下优点或有益效果：本发明的具有卡槽结构的高超声速风洞喷管，所述喷管外壁和所述喷管内壁之间采用卡接的方式，使得所述喷管内壁可保持原材料的锻造或旋压变形后的强化状态，提高所述喷管内壁受力能力和使用寿命省去扩散连接或钎焊的高温过程，大大缩短了所述风洞喷管的制造周期，降低制造成本。
16.通过在所述喷管外壁和所述喷管内壁之间设置防变形结构，能够为所述喷管内壁提供一定的预应力，防止所述喷管内壁在所述冷却介质的压力下发生向内变形。
17.通过冷却槽对所述喷管内壁进行降温，保护所述喷管内壁，提高所述喷管内壁的性能。
18.由于所述喷管外壁和所述喷管内壁之间无需焊接，可实现长期使用后，在所述喷管内壁磨损时对所述喷管内壁进行更换。
附图说明
19.通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
20.图1是根据一示例性实施方式示出的一种具有卡槽结构的高超声速风洞喷管的示意图。
21.图2是图1中a-a部分的剖视图。
22.图3是根据一示例性实施方式示出的喷管外壁的示意图。
23.图4是根据一示例性实施方式示出的喷管内壁的示意图。
24.图5是根据一示例性实施方式示出的内壁凹槽与所述外壁凸起刚接触时的示意图。
25.图6是根据一示例性实施方式示出的内壁凹槽与所述外壁凸起卡接完成后的示意图。
26.其中，附图标记说明如下：1、喷管外壁；11、外壁凹槽；12、外壁凸起；13、第一外壁l型槽；14、第二外壁l型槽；
2、喷管内壁；21、内壁凸起；22、内壁凹槽；23、冷却槽；24、第一内壁l型槽；25、第二内壁l型槽；3、受力面；4、配合面；5、密封圈；6、螺栓。
具体实施方式
27.现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
28.用语“一个”、“一”、“该”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。
29.如图1至图6所示，图1示出了本发明提供的一种具有卡槽结构的高超声速风洞喷管的示意图。图2是图1中a-a部分的剖视图。图3示出了本发明提供的喷管外壁1的示意图。图4示出了本发明提供的喷管内壁2的示意图。图5示出了本发明提供的内壁凹槽22与外壁凸起12刚接触时的示意图。图6示出了本发明提供的内壁凹槽22与外壁凸起12卡接完成后的示意图。
30.本发明实施例的具有卡槽结构的高超声速风洞喷管包括：喷管外壁1；喷管内壁2，套设于喷管外壁1的内部，其中，喷管内壁2的外型面设置有内壁凸起21，喷管外壁1的内型面向外凹陷以形成对应于内壁凸起21的外壁凹槽11，以使得喷管内壁2卡接于喷管外壁1；防变形结构，包括受力部和配合部，其中，受力部设置于喷管内壁2，配合部设置于喷管外壁1；其中，喷管外壁1和喷管内壁2之间设置有冷却介质槽道，受力部和配合部相配合，用于防止喷管内壁2在冷却介质的压力下发生向内的变形。
31.其中，喷管内壁2插入喷管外壁1，通过喷管内壁2的外型面设置有内壁凸起21，喷管外壁1的内型面向外凹陷以形成外壁凹槽11，以使得喷管内壁2卡接于喷管外壁1，喷管外壁1的材料为钢，喷管内壁2的材料为铜合金，铜合金在通常不可通过热处理进行强化，其在经过钎焊或扩散连接过程后均为软态，屈服强度和抗拉强度相比原材料的变形强化状态大大降低，因此本发明不仅可以避免了钎焊或扩散连接方案的高温过程，而且可以提高喷管内壁2的强度；高超声速风洞喷管是超声速风洞的核心部段，高超声速风洞喷管的型面是获得试验马赫数的关键，其变化不仅会导致实际试验马赫数的变化，同时也会对空间流场全流场或局部流场产生影响，这些都会影响试验数据的可靠性；冷却介质槽道设置于喷管外壁1和喷管内壁2之间，通过在冷却介质槽道通入冷却介质，以对高超声速风洞喷管进行降温；通过利用防变形结构，可以防止喷管内壁2在冷却介质的压力下发生向内的变形，避免喷管内壁2变形对风洞实验产生的影响，提高产品性能。
32.在本发明的一个优选实施例中，内壁凸起21开设有内壁凹槽22，外壁凹槽11的槽底设置有对应于内壁凹槽22的外壁凸起12，外壁凸起12插入内壁凹槽22，以使得喷管内壁2卡接于喷管外壁1；
受力部，包括多个受力面3，其中，受力面3设置于内壁凹槽22，且接触于外壁凸起12的内壁凹槽22的槽壁为受力面3；配合部，包括多个配合面4，其中，配合面4为弧形，设置于外壁凸起12，且外壁凸起12和内壁凹槽22接触的面为配合面4，配合面4为弧形，以便于内壁凹槽22和外壁凸起12装配；垂直于喷管内壁2轴线的面与喷管外壁1的外型面相交形成圆形平面，多个受力面3沿圆形平面的圆周均匀分布，多个配合面4沿圆形平面的圆周均匀分布，受力面3和配合面4一一对应，以对喷管内壁2产生周向的预应力。
33.如图1-6所示，通过在内壁凸起21开设内壁凹槽22，外壁凹槽11的槽底设置外壁凸起12，能够使得喷管内壁2稳定的卡接于喷管外壁1。此外，外壁凸起12与内壁凹槽22接触面分别为配合面4和受力面3，由于，配合面4为圆锥面，随着内壁凸起21卡入外壁凹槽11，内壁凹槽22沿着内壁凸起21上的配合面4发生轴向移动，使得喷管内壁2发生直径变大的弹性变形。此外，多个受力面3和多个配合面4，均沿圆形平面上的圆周均匀分布，使内壁材料产生周向预拉应力，防止冷却槽23内的介质对喷管内壁2产生压力下作用发生向内变形。
34.在本发明的一个优选实施例中，当内壁凹槽22与外壁凸起12刚接触时，内壁凹槽22与外壁凸起12的接触形成多个第一接触点，多个第一接触点形成垂直于喷管外壁1的轴线的第一圆，第一圆的半径为r0，内壁凹槽22与外壁凸起12的轴向间隙为t
z0
，内壁凹槽22的非配合面与外壁凸起12的非配合面之间的间隙为t
n0
，受力面3与配合面4的配合长度为l0；当内壁凹槽22与外壁凸起12卡接完成后，内壁凹槽22的槽口与外壁凸起12的接触形成多个第二接触点，多个第二接触点形成垂直于喷管外壁1的轴线的第二圆，第二圆的半径为r1，内壁凹槽22与外壁凸起12的轴向间隙为t
z1
，内壁凹槽22的非配合面与外壁凸起12的非配合面之间的间隙为t
n1
，受力面3与配合面4的配合长度为l1；其中，0.2 mm≤t
z1
《t
z0
≤0.6mm，0.1 mm≤t
n1
《t
n0
≤0.25mm，配合面4的斜度为α，5
°
≤a≤20
°
，喷管内壁2产生周向的预应力为σ，σ=（l
1-l0）
×e×
tanα/r
0 ；公式中：e为喷管内壁2的材料的弹性模量。
35.如图5-6所示，随着内壁凹槽22与外壁凸起12从刚接触到完全卡接完成，内壁凹槽22上的配合面4长度不断变大，内壁凹槽22与外壁凸起12的轴向间隙、内壁凹槽22的非配合面与外壁凸起12的非配合面之间的间隙均不断变小，当0.2 mm≤t
z1
《t
z0
≤0.6mm，0.1 mm≤t
n1
《t
n0
≤0.25mm，可使得喷管外壁1、喷管内壁2的装配更加顺畅。
36.此外，第一圆的半径r0小于第二圆的半径r1，配合面4的斜度为α，5
°
≤a≤20
°
，装配时通过配合面4的斜面和轴向位移，使得喷管内壁2发生直径变大的弹性变形，进而对喷管内壁2产生周向预拉应力，避免喷管内壁2在冷却槽23内介质的压力下产生向内的变形，提高产品强度。
37.在本发明的一个优选实施例中，内壁凸起21为多个，多个内壁凸起21沿喷管内壁2的母线延长方向排列，以形成内壁凸起列；其中，内壁凸起列至少两个，相邻两个内壁凸起列沿喷管内壁2的外型面圆周方向均匀分布。
38.如图1、3-4所示，多个内壁凸起21沿喷管内壁2的母线呈纵向排列，多个内壁凸起
21可以为等间距也可以为不等间距，同一母线上的多个内壁凸起21以形成内壁凸起列，且多个内壁凸起列在喷管内壁2的外型面等间距排列，内壁凸起21和外壁凹槽11是一一对应的。
39.在本发明的一个优选实施例中，内壁凸起21为多个，多个内壁凸起21沿圆形平面的外周均匀分布，以形成凸起环形阵列，其中，凸起环形阵列为多个，相邻凸起环形阵列上下平行。
40.如图1、3-4所示，通过在喷管内壁2同一圆形平面上设置多个内壁凸起21以形成凸起环形阵列，多个内壁凸起21沿圆形平面的外周均匀分布，保证喷管内壁2产生均匀的周向预拉力，且凸起环形阵列为多个，多个凸起环形阵列沿喷管内壁2的外型面上下平行分布，多个凸起环形阵列可以等间距排列也可以不等间距排列，内壁凸起21和外壁凹槽11是一一对应的，使得对喷管内壁2产生周向预拉应力。
41.在本发明的一个优选实施例中，沿喷管内壁2的母线方向开设有多个用于流通冷却介质的冷却槽23，多个冷却槽23呈等间距分布。
42.如图2所示，沿喷管内壁2的母线方向开设有多个冷却槽23，冷却槽23内部可流通冷却介质，以对喷管内壁2进行降温，保护喷管内壁2，提高喷管内壁2的性能。
43.在本发明的一个优选实施例中，喷管内壁2的输入端开设有第一内壁l型槽24，喷管外壁1的输入端开设有对应于第一内壁l型槽24的第一外壁l型槽13，喷管内壁2的输出端设置有第二内壁l型槽25，喷管外壁1的输出端开设有对应于第二内壁l型槽25的第二外壁l型槽14，其中，第一内壁l型槽24插入第一外壁l型槽13，第二内壁l型槽25插入第二外壁l型槽14，第一内壁l型槽24和第一外壁l型槽13之间、第二内壁l型槽25和第二外壁l型槽14之间均设置有密封圈3，以确保喷管外壁1和喷管内壁2之间的密封性。
44.第一内壁l型槽24和第一外壁l型槽13之间、第二内壁l型槽25和第二外壁l型槽14之间均通过螺栓5连接。
45.如图1-4所示，第一内壁l型槽24和第一外壁l型槽13配合、第二内壁l型槽25和第二外壁l型槽14配合，能够实现喷管外壁1的端面和喷管内壁2的端面连接，通过在第一内壁l型槽24和第一外壁l型槽13之间、第二内壁l型槽25和第二外壁l型槽14之间均设置有密封圈3，并采用螺栓5固定，保证喷管外壁1和喷管内壁2的端面的密封性，并是实现可拆卸连接，当喷管外壁1或喷管内壁2出现问题时，方便更换，且结构简单、操作方便。
46.本发明实施例的一种高超声速风洞喷管制造方法包括，包括：加工喷管外壁1的内型面，以形成外壁凹槽11；加工喷管内壁2的外型面，以形成内壁凸起21；在喷管内壁2的外表面沿纵向方向，开设多个冷却槽23；对喷管内壁2的表面和喷管外壁1的表面进行清理；将喷管内壁2和喷管外壁1进行装配，以形成高超声速风洞喷管。
47.其中，在喷管外壁1的内型面加工出外壁凹槽11，靠近喷管外壁1内型面侧的外壁凹槽11的槽壁外设置外壁凸起12；对喷管内壁2的外型面进行加工，以形成内壁凸起21、内壁凹槽22和冷却槽23，对喷管内壁2的表面和喷管外壁1的表面的杂质、油污进行清理，将喷管内壁2插入喷管外壁1的内部，并将对应位置上的内壁凸起21和外壁凹槽11、内壁凹槽22
和外壁凸起12进行卡接，实现对喷管内壁2和喷管外壁1的装配。本发明的高超声速风洞喷管的制造方法，加工简单，避免了钎焊或扩散连接的高温过程，保证产品原有的变形强化状态，有较好的抗变形性。
48.在本发明的一个优选实施例中，还包括：加工喷管内壁2的端面，以形成第一内壁l型槽24和第二内壁l型槽25，加工喷管外壁1的端面，以形成第一外壁l型槽13和第二外壁l型槽14，并在第一内壁l型槽24和第一外壁l型槽13之间、第二内壁l型槽25和第二外壁l型槽14之间均设置有密封圈，对高超声速风洞喷管的端面通过螺栓5连接；其中，喷管外壁1的端面和喷管内壁2的端面均留有1mm~2mm的余量，在高超声速风洞喷管的端面进行螺纹连接后，去掉喷管外壁1的端面和喷管内壁2的端面的余量；对装配后的高超声速风洞喷管进行性能测试。
49.如图1所示，在第一内壁l型槽24和第一外壁l型槽13之间、第二内壁l型槽25和第二外壁l型槽14之间均设置有密封圈，并利用螺栓5固定，实现喷管外壁1和喷管内壁2的可拆卸连接，在喷管内壁2长期使用后，喷管内壁2出现磨损的状态下，可对喷管内壁2进行更换。喷管外壁1的端面和喷管内壁2的端面均留有1-2mm的余量，在高超声速风洞喷管的端面进行螺纹连接后，去掉喷管外壁1的端面和喷管内壁2的端面的余量。对装配后的高超声速风洞喷管进行性能测试，包括液压强度测试和气密测试，测试结束后，即完成了高超声速风洞喷管的制造。
50.在本发明实施例中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
51.本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明实施例的限制。
52.在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一个优选实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
53.以上仅为本发明实施例的优选实施例而已，并不用于限制本发明实施例，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。