專利名稱：火箭發(fā)動機出口噴嘴的制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種如后續(xù)權利要求1的前序部分中所述的制造火箭發(fā)動機出口噴嘴的方法。本發(fā)明特別為以液體燃料驅動的火箭發(fā)動機上的冷卻出口噴嘴而設計。
在火箭發(fā)動機中，火箭的推進能量是通過燃料(如液態(tài)氫等)在燃燒室中燃燒而產(chǎn)生的。這種燃料與一種氧化劑(如液態(tài)氧)一起通過閥門送至燃燒室。燃料被點燃后，燃燒室中產(chǎn)生了燃燒氣體。這些燃燒氣體從燃燒室向后流動，然后通過一個出口噴嘴排出，此時產(chǎn)生一種反作用力以向前推進火箭。出口噴嘴的形狀設計得能夠使燃燒氣體在其中膨脹并加速至一個很高的速度，從而使火箭獲得足夠的推進力?；鸺l(fā)動機能夠產(chǎn)生出非常大的驅動力，此外還能相對于周圍介質獨立運轉，這些特點使它用作太空飛行的傳動機構非常合適。
在火箭發(fā)動機運轉時，其出口噴嘴承受很高的應力，例如應力可以表現(xiàn)為其內(nèi)側的溫度很高(約800K)而其外側的溫度很低(約50K)。這種高的熱載荷導致對出口噴嘴材料的選擇、設計和制造都有非常嚴格的要求。其中相當重要的是需要對出口噴嘴有效地冷卻。
為達到最佳的冷卻效果，現(xiàn)有技術的出口噴嘴上設計有一組平行于實際的噴嘴壁且在出口噴嘴的入口端和出口端之間延伸的冷卻管。利用許多不同的方法可以制造出出口噴嘴，即將其壁制造成能形成必要的冷卻管。
在這種情況下，如果冷卻介質也可以用作燃料，則在火箭中可以獲得更高的效率。因此，通常人們希望將所有的冷卻介質重復利用使其在燃燒室中燃燒。
在現(xiàn)有的冷卻出口噴嘴制造方法中，噴嘴壁是通過將很多根鎳基鋼或不銹鋼制成的圓管或橢圓管緊密排列在一起并將其管壁按順序連接到一起制成的。在這種情況下，可以通過釬焊來實現(xiàn)上述連接，但這種制造工藝的成本相對較高。而且，釬焊還使得出口噴嘴的重量增加。此外，釬焊的施工還是一種復雜而且耗時的工作，很難保證整個管壁結構有足夠的強度和可靠性。
釬焊連接的另一個顯著的缺點是釬焊接頭的檢驗非常復雜而且費用很高。比如，如果在一個釬焊接頭上出現(xiàn)了一個缺陷，由于通常不能接近這些破壞處，從而將很難修復該接頭。此外，釬焊結構的強度在切線方向上相對較弱，因此某些時候需要一個護套來充當加強結構。特別是在火箭發(fā)動機中燃燒的火焰壓力非常高或存在很高的側向力的情況下尤其需要加強結構。
使用釬焊的制造方法還限制了出口噴嘴的最高工作溫度。
另一種制造冷卻出口噴嘴的方法是使用擴散焊將平行的圓管或方形管焊接到一起。盡管這種方法比釬焊優(yōu)越但其成本還是相對較高。
在另一種制造方法中，使用鎳基鋼或不銹鋼制成的等截面方形管，將這些方形管相互平行地排列并焊接到一起。但這些管子螺旋式地卷繞與噴嘴的幾何軸線形成一個角度，該角度從噴嘴入口端向出口端逐漸增大以形成一個鐘形的噴嘴壁。上述連接方法有一個不足在這種方法中使用的可在市場上買到的方形管通常都具有統(tǒng)一的壁厚。也就是說，由于相鄰的兩個冷卻管之間的管壁沒有必要較厚，因此出口噴嘴的管壁結構難以達到最優(yōu)的冷卻效果。此外，其螺旋卷繞還使得冷卻管變長，從而提高了其在承壓狀態(tài)下失效的風險，這對火箭某些運行狀態(tài)而言是很不理想的。
美國專利US5233755中描述了一種制造火箭發(fā)動機燃燒室的另一種方法。該方法中使用一種波浪形結構來構成內(nèi)壁，這些內(nèi)壁通過如釬焊、擴散焊或激光焊等方法與外壁連接到一起。從而形成了冷卻管，冷卻介質可從中流過。
US5233755的一個缺點是由于其內(nèi)壁是波浪形的，因而內(nèi)壁在與外壁相接觸的地方形成了“凹部”。這些部位對冷卻介質的流動形成了限制，從而使管壁結構局部的冷卻效果下降。因此，增加了管壁結構被過度加熱的危險性。還會有灰塵如細小粒子等在這些凹部沉積的可能。盡管這些灰塵可以通過后續(xù)清理從冷卻管中清除，但這也是一個缺點，特別是在冷卻介質也用作火箭發(fā)動機燃料的情況下。
US5233755的另一個缺點是波浪形內(nèi)壁使得冷卻介質與內(nèi)部的熱噴嘴壁的接觸面積減小。這對冷卻效果而言非常不利。此外，由于該結構中的冷卻介質的壓力使波浪形結構承受彎曲力。這些彎曲力與各個焊接接頭處的尖銳缺口一同導致該管壁結構上的應力很高。因此，這種結構的承壓能力和工作壽命都受到限制。
這種波浪形的分隔材料與直的放射狀分隔元件相比，增加了管壁結構的重量和對液體流動的阻力。
發(fā)明詳述本發(fā)明的目的是提供一種制造火箭發(fā)動機冷卻出口噴嘴的改進方法，這一目的通過具有后續(xù)權利要求1中所述特征的方法實現(xiàn)。
更確切地說，本發(fā)明涉及一種制造火箭發(fā)動機中出口噴嘴的方法，該出口噴嘴是一種管壁結構，該結構包含大致從出口噴嘴的入口端向出口端延伸的多個相鄰冷卻管；該方法包含下述步驟將一個外壁固定在內(nèi)壁的外周，并在內(nèi)外壁之間放置并固定多個分隔元件；然后將上述分隔元件連接在內(nèi)外壁之間，從而形成冷卻管。本發(fā)明的特征是上述連接用激光焊接實現(xiàn)并專門為焊接接頭而設計，這些焊接接頭從沿管壁的橫截面上看大致為T形并且在朝向冷卻管內(nèi)壁的方向上為圓弧形。
本發(fā)明具有很有優(yōu)點。首先，本發(fā)明提供一種花費很低的制造出口噴嘴的方法。而且，由于焊接接頭的特殊幾何形狀使得該管壁結構獲得很好的冷卻性能。此外，焊接接頭的圓弧形結構使得液體流動很平滑，這樣粒子聚集的可能性很小。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是由于分隔元件在相對于出口噴嘴的一條假想對稱軸的徑向方向上是平坦的，其不承受任何彎曲力。此外，由于在各集成部件之間的半徑分布構形，使得焊接接頭的應力集中也非常小。
本發(fā)明還使整體的壁結構具有材料消耗量低、重量低、成本低、可靠性高、熱冷卻能力強等優(yōu)點。此外，壁結構的幾何形狀也很容易適應特定應用場合的冷卻要求。
本發(fā)明有利的實施方案在后續(xù)所附的權利要求中有所闡述。
附圖簡述下面將通過參照本發(fā)明的優(yōu)選圖示實施方案及附圖對本發(fā)明進行進一步的闡述，其中

圖1是本發(fā)明出口噴嘴的透視圖；圖2是一個透視圖，示出如何根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案制造出的出口噴嘴；圖3是一個橫截面圖，示出本發(fā)明第一實施方案中出口噴嘴連接后的壁結構；圖4是一個橫截面圖，示出本發(fā)明第二實施方案中出口噴嘴連接后的壁結構；圖5示出本發(fā)明出口噴嘴中的多個冷卻管的排列方法。
出口噴嘴1是利用冷卻介質來實現(xiàn)冷卻的，在特定的火箭發(fā)動機中這種冷卻介質也可作為發(fā)動機的燃料。但是，本發(fā)明并不限于上述類型的出口噴嘴，它也適用于冷卻介質使用完畢后被排出發(fā)動機的情況。
出口噴嘴1制成與現(xiàn)有技術中的一種出口噴嘴的外形相符，即大體為鐘形。本發(fā)明的出口噴嘴1由兩層壁構成，確切地說由內(nèi)壁2和包在其外的外壁3構成。內(nèi)壁2和外壁3通過特殊的分隔元件4分隔開來。根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案，將這些分隔元件4構形成在內(nèi)壁2上首先通過銑削等加工方法加工出多個縱向的凹槽。然后，將分隔元件4制成為許多外突元件4，其大體上呈直角地從內(nèi)壁2向外壁3延伸，即沿相對于出口噴嘴1的假想對稱軸線的徑向方向延伸。
如下所述，本發(fā)明的制造方法基于用激光焊接方法將上述分隔元件4連接到一起。根據(jù)第一實施方案，上述分隔元件4與外壁3連接到一起。從而形成多個冷卻管5，這些冷卻管大體沿與出口噴嘴1的縱向平行的方向從出口噴嘴1的入口端6向出口端7延伸。圖1中上述冷卻管5用虛線表示，這些分隔元件構成冷卻管5在側向上的限定物。
內(nèi)部2、外壁3和分隔元件4所用的材料為可焊材料，優(yōu)選地為347或A286型不銹鋼?；蛘撸部刹捎面嚮辖?，例如INC0600,INC0625和Hastaloy x.。根據(jù)其他變量，本發(fā)明中也可使用鈷基合金HAYNES 188和HAYNES 230。
圖2是出口噴嘴1的壁結構一部分的透視圖，該壁結構基本上由內(nèi)壁2、外壁3和一些分隔元件4構成，這些分隔元件通過將內(nèi)壁2銑削成外突元件而形成。根據(jù)本發(fā)明，上述壁結構通過用激光將分隔元件4與外壁3焊接到一起而形成，因而在外壁3上形成了一些大體平行且有些凹陷的凹槽8。此外，如上所述，大體平行的冷卻管5就形成了，在特定的火箭發(fā)動機運轉過程中，一種合適的冷卻介質就可從該冷卻管5中流過。
在激光焊接中，Nd:YAG激光是優(yōu)選的，但根據(jù)本發(fā)明也可以使用其他類型的焊接設備，如CO2激光等。
從圖2中可以看出焊接接頭9在每個分隔元件4與外壁3的連接處形成。由于這種焊接方法和構成壁結構的零件尺寸具有精確的同位性，使得每個焊接接頭9在相應冷卻管5內(nèi)部均大致為T形且焊腳稍微有些圓，這種結構對焊完的出口噴嘴有許多好處，例如良好的冷卻性能、很高的強度和簡單的結構等。
圖3詳細示出本發(fā)明第一優(yōu)選實施方案的出口噴嘴1的壁的剖面。圖3中上述焊接接頭9的剖面用虛線表示。
本發(fā)明用激光焊接將外壁3與各個分隔元件4連接到一起。根據(jù)本實施方案，假設分隔元件4具有一個預定的厚度t1，約0.4-1.5mm。而外壁3也具有一個預定厚度t2，也約為0.4-1.5mm。通過兩層壁2、3和分隔元件4之間的精確同位性，使得本發(fā)明的焊接接頭9為上述的T型接頭，其中在每個冷卻管5的內(nèi)壁上均形成了光滑的圓角10。通過激光焊接形成了一個半徑為R的圓角焊縫10，R約為t1min＜R＜t1max，從上述數(shù)據(jù)可知半徑R也在0.4-1.5mm的范圍內(nèi)。焊接接頭的深度t3從外壁3的頂側算起，其最大值約為0.3倍的t2，即0.12-0.45mm。
圖4示出用本發(fā)明第二實施方案制成的出口噴嘴，可以看出該結構也具有內(nèi)壁2’和外壁3。外壁3和上述第一實施方案中的形狀相同，而內(nèi)壁2’上沒有任何銑出的導槽或類似的結構。在該第二實施方案中也可采用許多獨立的分隔元件4’，這些分隔元件在進行激光焊接操作之前被固定到內(nèi)壁2’上。這些分隔結構4’用于劃分出多個冷卻管5’，使特定冷卻介質可從中流過。
根據(jù)第二實施方案，在壁結構的內(nèi)外兩側均采用了激光焊接的方法，從而形成了許多在焊好的壁結構兩側延伸的焊接接頭9、9’。與圖3中相同，這些接頭9、9’在圖4中也用虛線表示。與上述第一實施方案中相同，焊接接頭9、9’具有大體為T形的剖面。
第二實施方案的優(yōu)越之處在于無需對內(nèi)壁2’進行銑削加工，從而節(jié)省了時間和材料。代之以在本實施方案中，分隔元件4’必須以合適的方式固定在內(nèi)部2’和外壁3之間，然后才能在壁結構的兩側上進行焊接。
圖5示出本發(fā)明出口噴嘴1的一部分，更確切地說是一段帶有分隔元件的內(nèi)壁2。其中上述結構是用本發(fā)明第一實施方案中的方法制造出來的，那些分隔結構是通過銑削形成的。根據(jù)圖5中可以看出的，這些分隔元件被分為第一組分隔元件4a和第二組分隔元件4b，其中第二組的位置相對于出口噴嘴的縱向有些偏移。這種結構形成了在第一冷卻管5a中對冷卻介質流動的分配與控制，該第一冷卻管5a被分為一個第二冷卻管5b和第三冷卻管5c。
本發(fā)明具有許多優(yōu)點。本發(fā)明的方法的優(yōu)點可以概括為使得出口噴嘴的形狀有很好的靈活性。例如，各個冷卻管5的剖面形狀可以通過改變上述對內(nèi)壁2銑削的深度和厚度等參數(shù)來改變。從而使得出口噴嘴的尺寸可以根據(jù)出口噴嘴上所加的熱載荷的大小來設定，該熱載荷通常沿出口噴嘴的縱向變化。此外，這種特性還提高了出口噴嘴的使用壽命。
除此之外，在分隔元件4、內(nèi)壁2’和外壁3之間形成的各種焊接接頭的重量也不會增加。本發(fā)明的另一個好處是焊接接頭的任何缺陷都相對容易修復。此外，由于焊接接頭9、9’具有圓弧形焊腳，使得冷卻介質的流動非常順暢。
本發(fā)明并不僅限于上述圖示的實施方案和附圖，它可在后續(xù)權利要求的范圍內(nèi)變化。例如，本發(fā)明在出口噴嘴是圓弧形的或多邊形的情況下均可使用。
權利要求
1．制造火箭發(fā)動機中使用的出口噴嘴(1)的方法，該出口噴嘴(1)為壁形結構，包括多個大致從上述出口噴嘴(1)的入口端(6)向出口端(7)延伸的相鄰冷卻管(5,5’)，該方法包括如下步驟將外壁(3)定位在內(nèi)壁(2)的外周，將多個分隔元件(4,4’)排列并固定在上述外壁(3)和內(nèi)壁(2)之間；以及將上述分隔元件(4,4’)連接在內(nèi)壁(2)和外壁(3)之間，從而形成冷卻管(5,5’)；其特征在于上述連接是通過激光焊接實現(xiàn)的，并且用于形成具有下述形狀的焊接接頭(9,9’)，這些焊接接頭沿壁結構的剖面大體為T形，且其面向冷卻管(5,5’)內(nèi)部的形狀(10)為圓弧形。
2．權利要求1中的方法，其特征在于內(nèi)壁(2)與分隔元件(4)制成一體。
3．權利要求2中的方法，其特征在于上述分隔元件(4)通過銑削加工而成。
4．權利要求1中的方法，其特征在于上述分隔元件(4’)由固定在內(nèi)壁(2’)和外壁(3)之間的各獨立部件構成，然后用激光焊接方法將其固定到壁結構的兩側上。
5．權利要求4中的方法，其特征在于上述分隔元件(4,4’)大體呈直角從內(nèi)壁(2,2’)向外壁(3)延伸。
6．上述任一權利要求中所述的方法，其特征在于上述外壁(3)和分隔元件(4,4’)的壁厚約為0.4-1.5mm。
7．上述任一權利要求中所述的方法，其特征在于上述焊接接頭(9,9’)的半徑(R)約為0.4-1.5mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制造火箭發(fā)動機中使用的出口噴嘴(1)的方法,該出口噴嘴(1)為壁形結構,包括多個大致從上述出口噴嘴(1)的入口端(6)向出口端(7)延伸的相鄰冷卻管(5,5’),該方法包括如下步驟:將外壁(3)定位在內(nèi)壁(2)的外周,將多個分隔結構(4,4’)排列并固定在上述外壁(3)和內(nèi)壁(2)之間;將上述多個分隔元件(4,4’)連接在于內(nèi)壁(2)和外壁(3)之間,從而形成冷卻管(5,5’);其特征在于:上述連接是通過激光焊接實現(xiàn)的,并且用于形成具有下述形狀的焊接接頭(9,9’),這些焊接接頭沿壁結構的剖面大體為T形,且其面向冷卻管(5,5’)內(nèi)部的形狀(10)為圓弧形。本發(fā)明提供了一種制造出口噴嘴的改進方法,特別是使得用該方法制成的出口噴嘴具有重量輕、成本低和冷卻性能好的優(yōu)點。
文檔編號B23K26/24GK1321219SQ99811689
公開日2001年11月7日 申請日期1999年9月29日 優(yōu)先權日1998年10月2日
發(fā)明者J·倫德格倫 申請人:沃爾沃飛機公司