一种分段喷管连接方法

技术领域

本发明涉及航天发动机领域，具体涉及一种分段喷管连接方法。

背景技术

航天发动机相关技术随着航天行业的日新月异也得到了快速发展。作为发动机的主要部件，推力室是完成推进剂能量转化和产生推力作用的关键部件。推力主要组成部件的喷管为了承受燃气的高温，通常采用再生冷却技术，由内壁和外壁与冷却通道组成。推力室喷管的主要作用是使高温气流加速喷出，从而使推力室产生反推力。

大型的来回流喷管要求一体化加工冷却通道才能实现来回流，即在中间无法分段，否则会造成来回流介质的短路，从而导致冷却失效。因此，来回流喷管的冷却通道之间必须完整隔离，需要一体化制造生产。大型的模具及加工设备以及高度精度要求，极大的提高了大型喷管制造的难度与成本。

鉴于此，亟需设计一种低成本且操作简易的分段喷管连接方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种分段喷管连接方法。

本发明提供一种分段喷管的连接方法，分段喷管为沿着喷管轴向分成的若干段，喷管由内壁、纵向筋条和外壁组成的冷却通道能实现冷却剂的来回流动，该方法包括：

步骤S1，将相邻的第一分段喷管和第二分段喷管的对接面对接，对接后的对接部分形成U型对接口，在所述U型对接口的筋条处设置定位凸起；

步骤S2，将多个带有卡槽的卡位肋片逐一安装到定位凸起上覆盖所述U型对接口，逐一焊接所述卡位肋片的对接面从而完成分段喷管连接。

根据本发明的一个实施例，在步骤S1中：所述U型对接口是以内壁为底面将外壁和筋条设置成环形U型，且所述第一分段喷管和所述第二分段喷管的对接面对称设置成半U型。

根据本发明的一个实施例，在步骤S1中：所述U型对接口在筋条中心处设置的所述定位凸起为半U型，所述第一分段喷管的第一定位凸起和所述第二分段喷管的第二定位凸起均距离内壁对接线有一定的距离。

根据本发明的一个实施例，在步骤S1中：所述U型对接口设置过渡圆角，过渡圆角的范围R0.5～2mm。

根据本发明的一个实施例，在步骤S2中：所述卡位肋片整体为L型，分为第一侧面和第二侧面，所述第一侧面用于覆盖所述U型对接口的上方设置成方形，所述第二侧面用于覆盖所述U型对接口的侧方设置成U型，所述卡位肋片覆盖所述U型对接口后，所述第一侧面与所述第一分段喷管和所述第二分段喷管的外壁平滑过渡。

根据本发明的一个实施例，在步骤S2中：所述第一侧面的厚度为外壁的厚度，所述第二侧面的厚度为筋条的厚度。

根据本发明的一个实施例，在步骤S2中：设置所述卡位肋片的所述第一侧面的两端为搭接台的形式，所述搭接台分为第一搭接面和第二搭接面，将相邻的两个所述卡位肋片对接后，所述第一搭接面与相邻的所述第二搭接面彼此搭接。

根据本发明的一个实施例，在步骤S2中：设置所述卡位肋片的所述第二侧面的下方为两个卡槽，两个所述卡槽用于在所述卡位肋片安装至所述U型对接口的过程中，分别嵌入所述第一定位凸起和所述第二定位凸起。

根据本发明的一个实施例，在步骤S2之前：首先焊接所述第一分段喷管和所述第二分段喷管对接后的内壁连接缝。

根据本发明的一个实施例，在步骤S2中：安装一个所述卡位肋片后，沿着所述卡位肋片与所述定位凸起彼此配合的U型路径将所述第二侧面焊至筋条上，接着安装相邻的所述卡位肋片后同样沿U型路径将所述第二侧面焊至对应的筋条上，然后焊接两个所述卡位肋片的所述第一侧面的连接缝，重复此步骤直至所有所述卡位肋片安装焊接完，最后焊接所有所述卡位肋片与所述第一分段喷管和所述第二分段喷管之间的连接缝。

本申请的分段喷管的连接方法，通过增加模块化的微型卡位肋片，将多个带有卡槽的卡位肋片逐一安装到定位凸起上覆盖U型对接口，逐一焊接卡位肋片后重建来回流冷却通道，实现所有流路的复原。且本申请的分段喷管的连接方法保证了冷却剂来回流的功能不受影响，将原来的大型来回流喷管由整体制造变更为分段制造，大大降低了加工难度及成本。

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，其并不能限制本发明所欲主张的范围。

附图说明

下面的附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明发明的原理。

图1是本发明一个实施例的分段喷管的连接方法的示意图；

图2是本发明一个实施例的两个分段喷管对接面的示意图；

图3是本发明一个实施例的整体喷管示意图；

图4a至图4d是本发明一个实施例的分段喷管连接用卡位肋片不同侧面的示意图；

图5-图10是本发明不同实施例中分段喷管的连接步骤示意图。

附图标记：

101-第一分段喷管，102-第二分段喷管，201-U型对接口，202-定位凸起，2021-第一定位凸起，2022-第二定位凸起，301-卡位肋片，3011-第一侧面，3012-第二侧面，3013-第一搭接面，3014-第二搭接面，3015-卡槽。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，用于示例性的说明本发明的原理，并不被配置为限定本发明。另外，附图中的机构件不一定是按照比例绘制的。例如，可能对于其他结构件或区域而放大了附图中的一些结构件或区域的尺寸，以帮助对本发明实施例的理解。

下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本发明实施例的具体结构进行限定。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外术语“包括”、“包含”“具有”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素结构件或组件不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出或固有的属于结构件、组件上的其他机构件。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

诸如“下面”、“下方”、“在…下”、“低”、“上方”、“在…上”、“高”等的空间关系术语用于使描述方便，以解释一个元件相对于第二元件的定位，表示除了与图中示出的那些取向不同的取向以外，这些术语旨在涵盖器件的不同取向。另外，例如“一个元件在另一个元件上/下”可以表示两个元件直接接触，也可以表示两个元件之间还具有其他元件。此外，诸如“第一”、“第二”等的术语也用于描述各个元件、区、部分等，并且不应被当作限制。类似的术语在描述通篇中表示类似的元件。

对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

图1是本发明一个实施例的分段喷管的连接方法的示意图；图2是本发明一个实施例的两个分段喷管对接面的示意图；图3是本发明一个实施例的整体喷管示意图；图4a至图4d是本发明一个实施例的分段喷管连接用卡位肋片不同侧面的示意图；图5-图10是本发明不同实施例中分段喷管的连接步骤示意图。

如图1至图4d所示，本发明提供一种分段喷管的连接方法。分段喷管为沿着喷管轴向分成的若干段，喷管由内壁N、纵向筋条T和外壁W组成的冷却通道能实现冷却剂的来回流动，该方法包括：

步骤S1，将相邻的第一分段喷管101和第二分段喷管102的对接面对接，对接后的对接部分形成U型对接口201，在U型对接口201的筋条T处设置定位凸起202；

步骤S2，将多个带有卡槽3015的卡位肋片301逐一安装到定位凸起202上覆盖U型对接口201，逐一焊接卡位肋片301的对接面从而完成分段喷管连接。

根据本发明的一个实施例，在步骤S1中：U型对接口201设置过渡圆角，过渡圆角的范围R0.5～2mm。

具体地，本申请中的分段喷管的连接方法通过U型对接口201的定位凸起202以及卡位肋片301的特别设计及安装焊接步骤，可以实现冷却剂来回流喷管的多个分段喷管的连接，且保证冷却剂来回流的功能不受影响，将原来的大型来回流喷管由整体制造变更为分段制造，大大降低了加工难度及成本。

如图3所示，本申请的分段喷管的连接方法适用于集液器J下方的分段喷管之间的连接，冷却剂从集液器J中的介质入口进入喷管分为两路，一路向上到达喉部进行冷却然后进入燃烧室燃烧，一路向下来回经流喷管的冷却通道完成喷管冷却，返回集液器J处并进一步冷却喉部然后进入燃烧室进行燃烧。喷管的冷却通道通常内壁N、外壁W以及中间的纵向筋条T组成，也可以通过增材等方式一体形成。根据喷管的尺寸，将喷管集液器J下游需要工艺分段处沿着轴向设计为若干段分段喷管，每段分段喷管分别加工。例如，分段喷管的U型对接口201处的卡位肋片301的所需数量相同，槽宽相同。

如图2所示，其中，U型对接口201的尺寸即U型的宽度与高度可随着冷却通道的高度进行调整，作为实施例的一种可以设置U型对接口201的宽度为2～5mm，U型对接口201的过渡圆角范围为R0.5～2mm。

如图4a至图4d所示，本实施例中，通过增加模块化的微型卡位肋片301，将多个带有卡槽3015的卡位肋片301逐一安装到定位凸起202上覆盖U型对接口201，逐一焊接卡位肋片301后重建来回流冷却通道，实现所有流路的复原。该连接方法保障冷却通道的流阻不增加，冷却通道的流路不短接，避免冷却剂在连接处短流而失去冷却效果，而且具有较高的承载能力。作为实施例的一种，可以采用小能量的激光焊接卡位肋片301的对接面，使得所有变形均可控。

如图2所示，根据本发明的一个实施例，在步骤S1中：U型对接口201是以内壁N为底面将外壁W和筋条T设置成环形U型，且第一分段喷管101和第二分段喷管102的对接面对称设置成半U型。

具体地，U型对接口201是以第一分段喷管101和第二分段喷管102对接后的内壁N为底面.一种实施例可以采用车加工将外壁W和筋条T加工出宽度相同的环状U型凹槽，然后加工片刀夹着筋条T铣加工出定位凸起202。另一种实施例可以采用增材制造方式，U型对接口201以及定位凸起202可以采用打印成型的分段喷管，直接在打印时一次成型。第一分段喷管101和第二分段喷管102的对接面对称设置成半U型，便于卡位肋片301对称安装和焊接到U型对接口201上。

根据本发明的一个实施例，在步骤S1中：U型对接口201在筋条T中心处设置的定位凸起202为半U型，第一分段喷管101的第一定位凸起2021和第二分段喷管102的第二定位凸起2022均距离内壁N对接线有一定的距离。

具体地，U型对接口201对应第一分段喷管101的筋条T中心位置处设置长条形的半U型第一定位凸起2021，对应第二分段喷管102的筋条T中心位置处设置长条形半U型第二定位凸起2022，其中第一定位凸起2021和第二定位凸起2022均距离内壁N对接线有一定的距离，且在U型对接口201上非连续设置。

如图4a至图4d所示，根据本发明的一个实施例，在步骤S2中：卡位肋片301整体为L型，分为第一侧面3011和第二侧面3012，第一侧面3011用于覆盖U型对接口201的上方设置成方形，第二侧面3012用于覆盖U型对接口201的侧方设置成U型。卡位肋片301覆盖U型对接口201后，第一侧面3011与第一分段喷管101和第二分段喷管102的外壁W平滑过渡。

具体地，根据U型对接口201及定位凸起202设计并生产相适应的卡位肋片301模块。作为实施例的一种，卡位肋片301可以设置高度为6mm，宽度为3mm。L型的卡位肋片301分为第一侧面3011和第二侧面3012。同样地，如前所述，第一侧面3011适应U型对接口201的上方设置成方形，第二侧面3012适应U型对接口201的侧方设置成U型。卡位肋片301覆盖U型对接口201后，第一侧面3011与第一分段喷管101和第二分段喷管102的外壁W平滑过渡。

通过本实施例中的多个卡位肋片301，能够有效将第一分段喷管101和第二分段喷管102形成的U型对接口201上端覆盖，且每个卡位肋片301的第二侧面3012均能够有效将对应的冷却通道封闭，使得冷却通道的流路不短接，避免冷却剂在连接处短流而失去冷却效果。

根据本发明的一个实施例，在步骤S2中：第一侧面3011的厚度为外壁W的厚度，第二侧面3012的厚度为筋条T的厚度。

根据本发明的一个实施例，在步骤S2中：设置卡位肋片301的第一侧面3011的两端为搭接台的形式。搭接台分为第一搭接面3013和第二搭接面3014，将相邻的两个卡位肋片301对接后，第一搭接面3013与相邻的第二搭接面3014彼此搭接。

根据本发明的一个实施例，在步骤S2中：设置卡位肋片301的第二侧面3012的下方为两个卡槽3015，两个卡槽3015用于在卡位肋片301安装至U型对接口201的过程中，分别嵌入第一定位凸起2021和第二定位凸起2022。

具体地，由于卡位肋片301的第一侧面3011用于覆盖U型对接口201的上方与第一分段喷管101和第二分段喷管102的外壁W平滑过渡，所以第一侧面3011的厚度设置成外壁W的厚度；卡位肋片301的第二侧面3012用于覆盖U型对接口201的侧方筋条T平滑过渡，所以第二侧面3012的厚度设置成筋条T的厚度。采用该连接方法的喷管更加稳定坚固。

其中，卡位肋片301的第一侧面3011的搭接台高度为1/3～1/2的外壁W厚度。搭接台分为第一搭接面3013和第二搭接面3014，第一搭接面3013和第二搭接面3014为彼此形状匹配的方形凹台且分别设置在第一侧面3011的上下两端。一个卡位肋片301的第一搭接面3013与相邻的卡位肋片301第二搭接面3014彼此搭接，每个卡位肋片301通过此步骤后进行焊接操作，完成第一分段喷管101与第二分段喷管102的连接。

在一个实施例中，卡位肋片301的第二侧面3012的下方的两个卡槽3015的宽度与定位凸起202的宽度一致，可以选择0.1mm的正公差区间。卡位肋片301安装到U型接口时能够分别将第一定位凸起2021和第二定位凸起2022嵌入到两个卡槽3015中，能够实现准确定位且安装后具有稳定性。

如图5，根据本发明的一个实施例，在步骤S2之前：首先焊接第一分段喷管101和第二分段喷管102对接后的内壁N连接缝。

如图6至图10所示，根据本发明的一个实施例，在步骤S2中：安装一个卡位肋片301后，沿着卡位肋片301与定位凸起202彼此配合的U型路径将第二侧面3012焊至筋条T上。接着安装相邻的卡位肋片301后同样沿U型路径将第二侧面3012焊至对应的筋条T上，然后焊接两个卡位肋片301的第一侧面3011的连接缝。重复此步骤直至所有卡位肋片301安装焊接完，最后焊接所有卡位肋片301与第一分段喷管101和第二分段喷管102之间的连接缝。

具体地，将第一分段喷管101和第二分段喷管102对接并保证每个筋条T对接位置沿轴向对齐，采用激光光束焊接内壁N连接焊缝I型路径坡口。

其中，依次逐个安装卡位肋片301，并按照附图6所示箭头方向先焊接卡位肋片301U型连接焊缝，即卡位肋片与第一定位凸起2021和第二定位凸起2022彼此配合的U型路径焊缝，以将第二侧面3012焊至筋条T上。接着安装相邻的卡位肋片301后同样沿U型路径将第二侧面3012焊至对应的筋条T上。然后焊接两个卡位肋片301的第一侧面3011的连接缝即I型路径搭接焊缝，安装第三个相邻的卡位肋片301并依次焊接U型路径焊缝及I型路径焊缝。其中I型路径焊缝需要将焊缝延伸到两侧的外壁W上，以改善焊接强度。重复此步骤直到所有的卡位肋片301焊接完成，最后焊接所有卡位肋片301与第一分段喷管101和第二分段喷管102之间的环形连接缝。喷管冷却通道充气检测漏点，无异常则喷管制备完成。

作为实施例的一种，其U型路径缝熔深0.5～1mm，定位装夹每个卡位肋片301的时间约10秒，激光焊接每个焊缝用时约10+10秒，在一个实施例中按照一个喷管300个卡位肋片来计算，自动化的生产周期约为：300*30s＝150分钟。

本申请中的分段喷管连接方法，采用卡位肋片301实现多道单独焊缝能够更加可靠，能显著提高焊接效率，通过卡位肋片301的强度来加强承载，通过激光焊接来密封，能够实现承载与推进剂来回流的功能。对于扭矩载荷，通过焊缝与卡位肋片301的卡槽3015一起承载。在现有的生产设备及打印设备的尺度下，采用本方法可以生产超大型的来回流喷管，且连接承载强度高，过程自动化程度高，效率高，解决了大型喷管来回流无法低成本的分段分体制造并分段连接的问题。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。