基于增材制造的液氧_煤油推力室喷注器分析.pdf

收稿日期:修回日期:基金项目:国家重点项目作者简介:熊剑()男硕士高级工程师研究领域为液体火箭发动机推力室设计和冲压发动机地面试验 第 卷第 期 年 月火 箭 推 进 基于增材制造的液氧/煤油推力室喷注器分析熊 剑肖 虹李龙飞刘昭宇(西安航天动力研究所陕西 西安)摘要 为了实现液体火箭发动机推力室喷注器 打印技术的工程应用从方案设计、打印制造、质量控制、试验验证多个方面对 打印喷注器进行了研究 通过一体化集成设计和整体制造喷注器零件数量由 个减至 个 条焊缝全部取消大幅提高产品结构的固有可靠性同时降低了工艺难度实现了设计方案的快速验证和迭代通过液流试验和质量检查保证了产品质量在此基础上总结了 打印喷注器研制全流程质量控制方法 热试结果表明打印喷注器的性能与机加喷注器的性能相当其中燃烧效率达到 以上验证了液体火箭发动机复杂结构喷注器 打印技术的可行性为实现液体火箭发动机推力室全 打印奠定了基础关键词 增材制造推力室喷注器集成设计质量控制可靠性中图分类号 文献标识码 文章编号()/()引言随着国内外商业航天的快速发展航天液体动力系统面临日益激烈的竞争环境未来航天液体动力系统发展趋势是无毒、无污染、高可靠性、高性能和低成本 推力室喷注器作为航天液体动力系统的核心组件对动力系统的性能和可靠性起着关键作用同时也是动力系统中加工制造最复杂和要求最苛刻的部分 一方面喷注器工作时需要承受极端的温度和压力将氧化剂和燃料分别按照要求的流量和压力供应至燃烧室迅速完成雾化、混合和燃烧过程另一方面喷注器本身结构复杂零件数量多传统的生产方式采用“机加零件组装钎焊”的模式生产加工、检验、多次试验等过程使喷注器的生产成本和周期居高不下并且针对喷注器复杂结构中存在质量难以控制和检测的焊缝可靠性有进一步提高的空间增材制造技术又称 打印技术是一种以数字模型文件为基础运用粉状金属等材料通过逐层打印的方式来构造物体的技术 该技术具有显著的优势如通过拓扑优化实现产品减质一体化设计生产有效减少中间过程、零件和焊缝数量从而显著提高结构可靠性和缩短研制周期等对于液体推进剂火箭发动机采用 打印整体制造结构复杂且成本高昂的喷注器具有突出的优点 近些年来世界范围内航空航天公司对 打印技术在液体火箭发动机研制上的应用进行了积极研究 空客防务和航天公司从粉末和材料的特性到设计概念再到无损检测技术对采用增材制造技术生产发动机喷注器进行了全面研究并对“”发动机燃气发生器和“”发动机的喷注器进行了 打印生产并成功热试实现了减质和大幅降低成本 年 与 公司在格林研究中心成功完成了/喷注器在 高温下的系列点火试验验证了利用 技术设计、制造和试验关键火箭发动机组件的能力 与传统制造工艺相比该项技术将喷注器的制造时间从 个月减少为 个月制造成本降低了 年美国 公司开展了 火箭发动机 打印主喷注器系列热试车并取得成功 年德国基于 项目研制了 打印推力室喷注器材料为()并成功完成热试 年 月 日在 斯坦尼斯航天中心对使用 打印技术开发的使用/煤油推进剂的 火箭发动机进行推力测试 燃烧压力下推力达到 左右 我国航空航天领域中 打印技术的应用也得到了快速发展已通过 打印技术成功生产出燃气发生器喷注器、喷注器壳体、推力室身部等并通过考核 西安航天动力研究所某燃气发生器基于 打印成功完成了热试考核 深蓝航天采用 打印的液氧/煤油推力室进行了长程试车 截至目前受推力室喷注器工作环境恶劣以及 打印技术的限制国内火箭发动机推力室喷注器采用全 打印的公开研究工作较少 本文针对某型液氧/煤油推力室喷注器开展了全 打印应用研究具有较大的工程应用意义 基于 打印的喷注器设计 参数设计针对某型液氧/煤油发动机推力室喷注器全 打印研究给出了推力室喷注器的设计参数见表 表 推力室喷注器设计参数 设计参数参数值室压/总流量/()混合比 喷注器集成设计喷注器是推力室中最重要的结构其功能是在设计的喷注压力和流量下将推进剂均匀地喷入燃烧室并迅速完成雾化、混合过程同时保证合理的混合比分布和质量分布传统的离心喷注器采用机械加工的方式生产一般为两底(中底、内底)两腔(氧化剂腔和燃料腔)结构在中底和内底之间装配有几个、几十个甚至几百个由内外壳体组成的喷注单元这些喷注单元与中底、内底之间采用钎焊连接导致焊缝数量众多对加工制造和焊接工艺要求高同时存在焊缝质量检测困难等难题 本文研究的喷注器将中底、第 卷 第 期 熊剑等:基于增材制造的液氧/煤油推力室喷注器分析 内底和 个喷注单元一体设计采用 打印技术整体打印 喷注器设计时重点针对 打印要求进行了如下优化 氧化剂腔和燃料腔全部设计为敞口结构一方面有利于去除粉末另一方面便于检查喷注器的成型质量如喷注小孔的形貌、一致性等 喷注器结构复杂为了避免出现悬空结构导致无法打印或者打印质量不高的问题必须考虑打印方向 由于该喷注器喷注单元内壳体相对外壳体有一定的缩进并且内壳体端头对成型质量要求较高不能通过加支撑的方式进行打印因此喷注器采用倒立打印的方式保证喷注单元内外壳体直接打印成型见图()打印方向及喷注器结构特点决定了该产品必然存在悬空面根据 打印成型技术要求需要在悬空面增加支撑结构 喷注单元与内底、中底相交位置应光滑过渡减小应力集中提高结构强度 喷注器上集成测压孔等图 机加和 打印喷注器对比.由图 可以看出相比机加喷注器打印喷注器零件数量由 件减至 件内外壳体之间的焊缝以及喷注单元与内底、中底之间的焊缝共 条全部取消避免了钎焊缝泄漏的风险有效降低了喷注器的加工成本和质量风险提高了产品结构固有可靠性 材料选择喷注器工作时需要承受较高的热应力和温度要求材料具有良好的导热特性和较高的强度 通常情况下低压低热流推力室喷注器一般选用不锈钢材料高压高热流推力室喷注器冷却结构选用铜合金材料 目前常见的金属打印材料包括镍基高温合金、不锈钢、低熔点金属(铝合金)等国内在铜合金打印方面技术不成熟同时也不具备高精度异种材料的打印能力这在一定程度上限制了 打印技术在推力室喷注器上的应用为了选取合适的喷注器材料开展了不同材料单喷嘴的长程热试结果表明采取合适的冷却措施后不锈钢材料能够适应使用环境 不锈钢粉末打印技术成熟因此选择不锈钢作为 打印喷注器的材料 生产步骤图 为 打印喷注器的生产步骤 以不锈钢粉末为原料通过逐层铺粉利用高能激光熔化处于松散状态的金属粉末薄层逐层熔凝堆积成型出高致密度的三维零件 再经过多余粉末去除、热处理、去支撑、质量检测等后处理流程即可完成喷注器的加工图 打印喷注器生产步骤.喷嘴流量特性整体打印喷注器的喷注单元受结构限制很难通过机械加工的方式进行小孔等关键结构尺寸的检测和返修 打印工艺路线的选择和产品后处火 箭 推 进 年 月 理模式直接决定了喷注器的流量特性和喷雾均匀性 由于试验条件的限制无法直接对喷注器喷雾均匀性进行有效检测因此有必要进行单喷嘴试制以固化制造工艺提高喷注器喷嘴的一致性 具体过程为:根据要求设计单喷嘴结构确定 打印工艺参数和后处理工艺流程进行喷嘴打印通过液流试验确认并量化 打印喷嘴流量特性、雾化效果、喷雾锥角等 通过“打印试验优化再打印再试验再优化”多轮迭代来保证 打印的喷嘴特性满足使用要求表 给出了两种类型打印喷嘴流量系数的统计 两种类型喷嘴切向孔尺寸和数量不同 可以看出即使表面未进行处理的打印喷嘴流量系数一致性也较好并且随着表面处理时间的增加流量系数一致性进一步变好但流量系数变化量逐步变小 主要原因是经表面处理后喷嘴表面粗糙度降低流量系数相应增加随着处理时间增加喷嘴表面逐渐光滑粗糙度下降有限对应流量系数变化量逐步变小表 喷嘴流量系数 喷嘴类型 编号 喷嘴类型 流量系数 表面处理时间/喷嘴类型 编号喷嘴类型 流量系数 表面处理时间/.图 给出了表面未进行处理的打印喷嘴的雾化均匀性试验结果 可以看出喷嘴的喷雾不均匀性系数达到 远高于机加喷嘴表面处理后粗糙度降低喷雾不均匀性系数随之降低相对机加喷嘴仍偏大左右 打印喷嘴雾化均匀性较差的主要原因是打印喷嘴的切向孔为不规则孔各孔形态不同造成喷出的液膜周向不均匀图 打印喷嘴均匀性试验结果.图 给出了打印和机加喷注器在低压降下的雾化状态结果表明两种产品的喷雾角及雾化效果相当图 喷注器液流雾化状态对比.第 卷 第 期 熊剑等:基于增材制造的液氧/煤油推力室喷注器分析 成型质量检查喷注器的成型质量决定了喷注器的可靠性和工作性能 图 为喷注器样件的剖切检查 可以看出中心线剖面上喷注器成型状态良好无可见变形和塌陷喷嘴喷注小孔无堵塞、挂渣等缺陷复查喷嘴尺寸一致性良好 前期喷注器剖切检查发现内底局部出现非贯穿性气孔不影响喷注器的功能但存在质量隐患后期通过优化打印参数(如打印速度等)消除了该缺陷满足了设计要求图 喷注器剖切检查.试验与分析 热试状态喷注器热试充分利用已有的液氧、煤油、氮气、冷却水等介质供应系统、数据采集系统以及控制系统等开展了点火和燃烧特性试验 热试系统原理见图 其中氮气采用落压式供应液氧、煤油、冷却水等液体介质采用高压氮气挤压方式供应 试验测量参数主要包括流量、压力、温度以及电压电流信号 流量主要包括液氧和煤油流量压力主要包括供应系统和产品沿程压力(储箱压力、管路压力、集液腔压力、室压等)温度主要包括液氧路供应系统和产品沿程温度、冷却水进出口温度等电压电流信号主要是记录各路阀门响应 测量设备主要包括:精度 级的压力变送器精度 或 的热电偶精度 级的质量流量计图 系统原理图.火 箭 推 进 年 月 热试结果 热试参数与曲线表 给出了喷注器的热试参数范围图 给出了额定工况热试燃烧室的室压曲线 从图 中可以看出约 两路推进剂进入燃烧室燃烧室室压开始上升 左右燃烧室室压突然升高此时产品点火成功并出现小幅度的压力峰随后迅速爬升到稳定段稳定工作期间室压平稳波动小于 关机过程中氧化剂阀和煤油阀依次关闭火焰开始熄灭燃烧室室压随即下降 随后吹除阀门打开吹除气进入将系统管路及产品头腔内大量推进剂吹出燃烧室此时燃烧室内温度较高吹出的推进剂在燃烧室内形成二次燃烧但持续时间较短随后燃烧室室压降至大气压相当水平表 热试参数范围 热试参数参数范围室压/总流量/()混合比 燃烧效率/图 燃烧室室压曲线.启动特性分析从 种组元进入推力室到燃烧室室压达到稳定压力值 的整个过程称为推力室的启动过程包含推进剂组元的点火过程和火焰传播过程 为了研究点火启动特性定义点火延迟时间和着火时间来分别评价着火和火焰传播过程 其中点火延迟时间定义为从介质进入推力室时刻到室压突跃时刻的间隔 着火时间定义为从室压突跃时刻到室压达到稳态值的 时刻的间隔如图 所示图 喷注器启动性能曲线.表 给出了 种工况热试的点火延迟时间和着火时间统计 可以看出工况 点火延迟非常小推进剂进入后即被点燃点火启动平稳工况 和工况的点火延迟时间相当均在 左右点火冲击较小喷注器启动相对平稳工况 点火延迟时间最长在两路推进剂几乎充填完成才点着火推进剂积存爆燃导致启动过程中出现了较高的压力峰压力峰维持时间非常短 分析工况 点火延迟长的原因为该工况为低混合比工况产品启动过程中点火器未能及时点燃进入推力室的大量推进剂混合物直至点火器关机时大量介质被吹入点火器燃烧室点火器流量增大才点燃产品推力室内积存的推进剂造成工况 点火延迟时间较长表 喷注器启动性能 单位:时间工况 工况 工况 工况 点火延迟时间 着火时间 第 卷 第 期 熊剑等:基于增材制造的液氧/煤油推力室喷注器分析 工况 和工况 工况参数相同爬升曲线几乎重合着火时间相当工况 相比工况 和工况 流量大充填时间短对应着火时间短 工况 着火后推进剂充填几乎完成室压迅速到达稳态使着火时间变短 由此可知着火时间的长短与充填时间相关 燃烧效率分析燃烧效率用来表征推进剂能量在推力室中转化为热能的完善程度是评价燃烧性能的重要指标 图 给出了工况 工况 热试燃烧效率对比 其中工况 和工况 工况参数相同工况 为额定工况 可以看出 种工况热试燃烧效率均在以上与机加产品性能相当 工况 热试效率较高主要原因是混合比靠近最佳混合比燃烧温度高液滴蒸发速率和化学反应速率加快从而提高了燃烧效率工况 燃烧效率相比工况 稍低的主要原因是热沉结构喉道第一次热试后有少许烧蚀效率计算时暂按试验前喉道参数计算导致图 次热试燃烧效率对比.脉动特性分析图 给出了打印和机加喷注器热试无量纲喷前脉动压力对比(图中 为打印和机加喷注器燃料喷前脉动压力之比为打印和机加喷注器氧化剂喷前脉动压力之比)可以看出两台打印喷注器喷前脉动幅值不同其中 喷注器喷前脉动压力与机加喷注器相当喷注器脉动压力整体偏小说明打印喷注器脉动压力水平与机加喷注器整体相当 不同打印喷注器之间脉动压力水平有一定差别后续产品打印及后处理时需提高工艺一致性图 打印喷注器热试无量纲喷前脉动压力对比.结论针对推力室喷注器 打印技术研究开展了优化设计、整体打印和试验验证得到以下结论)通过一体化设计整体打印喷注器零件数量由 个减至 个 条焊缝全部取消大幅提高了产品结构固有可靠性)验证了打印喷注器研制全流程质量控制方法的可行性保证了产品质量)打印喷注器成功进行了热试燃烧效率达到 以上启动迅速燃烧过程稳定技术指标与机加产品相当为液体火箭发动机推力室全 打印奠定了基础参考文献 王君.打印技术发展.时代汽车():./.:/./.火 箭 推 进 年 月 :/.:./.:.:/.:./.:.贾平李辉孙棕檀.国外 打印技术在航天领域的应用分析.国际太空():.杨佳文.打印技术在航天领域的应用.国际太空():.()/.:/.武瑞刚韩利萍楚蓓蓓等.打印技术在航天企业的应用.机械工程与自动化():.黄卫东.材料 打印技术的研究进展.新型工业化():.孔纪国何学青阳代军等.大推力氢氧发动机关键制造技术.火箭推进():./.():.熊剑肖虹李小平等.宽范围变流量空气/液氧/酒精燃烧加热器试验.火箭推进():./.():.():.第 卷 第 期 熊剑等:基于增材制造的液氧/煤油推力室喷注器分析