孔維鵬,謝 恒,王曉麗

(北京航天動力研究所,北京 100076)

0 引言

噴注器是液體火箭發(fā)動機推力室中組織推進劑霧化、蒸發(fā)、混合和燃燒的關(guān)鍵組件,直接決定著推力室性能和燃燒穩(wěn)定性。采用傳統(tǒng)工藝制造的噴注器一般包含數(shù)十甚至上百個氧化劑噴嘴和燃料噴嘴,氧化劑和燃料噴嘴之間采用釬焊連接,工藝復雜,生產(chǎn)周期較長。

增材制造技術(shù)相對于傳統(tǒng)加工工藝,具有單件小批量復雜結(jié)構(gòu)快速制造的優(yōu)勢,在航空航天領(lǐng)域具有廣泛的應用前景[1-8],其中激光熔化沉積(laser melting deposition,LMD)技術(shù)和激光選區(qū)熔化(selective laser melting,SLM)技術(shù)是航空航天領(lǐng)域應用的主要工藝[9]。在液體火箭發(fā)動機噴注器的增材制造方面,國內(nèi)外研究機構(gòu)也開展了大量工作。2012年,美國Aerojet Rocketdyne公司開發(fā)了4種不同的合金材料,采用SLM技術(shù),對其在RL-10和RS-68發(fā)動機中的應用進行了探索,相對于傳統(tǒng)噴注器的制造過程,可以節(jié)省60%的周期以及70%的成本[10]。2013年,NASA采用SLM技術(shù)制造了液體火箭發(fā)動機噴注器,并進行了熱試驗,性能與傳統(tǒng)工藝制造的噴注器性能一致,但制造成本和周期均大幅縮減[11]。2014年,NASA在AMDE計劃中,對液氧/甲烷雙組元離心式噴注器進行了優(yōu)化,以滿足SLM工藝要求,整個噴注器零件減少到2個,并成功通過熱試車考核[12-13]。空客公司對Vulcain2發(fā)動機噴注器SLM制造技術(shù)開展了大量研究,從噴注單元、縮尺噴注器到全尺噴注器,采用循序漸進的研究方式表明SLM技術(shù)在噴注器中的應用已經(jīng)成熟[14-15]。2010—2018年間,馬歇爾太空飛行中心對增材制造技術(shù)在液體火箭發(fā)動機噴注器中的應用開展了大量研究,其中包括不同推進劑組合、不同噴注方式、不同推力和不同直徑的噴注器[16],2016年西安航天發(fā)動機有限公司開展了液氧/甲烷、液氧/煤油發(fā)動機噴注器的增材制造技術(shù)研究,并進行了多次熱試車[17]。北京航天動力研究所開展了推力室單噴嘴SLM制造技術(shù)研究,其性能滿足要求[18]。

目前的研究大多集中在單噴嘴或小尺寸的噴注器上,而大推力液體火箭發(fā)動機對噴注器的一致性及均勻性要求比較嚴格。直接采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的噴注器某些關(guān)鍵尺寸以及粗糙度等可能無法滿足使用要求,在發(fā)動機實際使用中,可能會造成噴霧局部不均勻的現(xiàn)象,從而影響發(fā)動機性能。此外,大尺寸噴注器在增材制造過程中可能因內(nèi)應力過大而存在變形問題,不僅會影響推力室裝配,嚴重時可能會造成噴嘴或推力室內(nèi)壁燒蝕。因此,開展基于激光選區(qū)熔化技術(shù)的大尺寸液體火箭發(fā)動機噴注器可行性及最佳設計方案研究十分必要。

本文基于激光選區(qū)熔化技術(shù)設計了不同方案的噴注單元,通過不同方案噴注單元液流試驗對比,獲取SLM制造產(chǎn)品與傳統(tǒng)機加產(chǎn)品之間的流量特性差異,選取了大尺寸噴注器的最佳設計方案?；赟LM設計生產(chǎn)了大尺寸噴注器,并通過熱試驗考核,對SLM技術(shù)應用于液體火箭發(fā)動機大尺寸噴注器設計的可行性進行了研究。

1 噴注器SLM優(yōu)化方案

傳統(tǒng)液體火箭發(fā)動機推力室同軸式噴注器結(jié)構(gòu)如圖1所示,噴注器一般由多個氧化劑噴嘴、多個燃料噴嘴、中底、內(nèi)底以及集合器組成,中底和氧化劑噴嘴、氧化劑噴嘴和燃料噴嘴之間一般采用釬焊連接。

圖1 傳統(tǒng)工藝噴注器局部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Local structure diagram of injector produced by traditional process

釬焊縫的連接強度較低,生產(chǎn)過程中屬于不可直接檢測環(huán)節(jié),在熱試車的啟動沖擊或復雜振動環(huán)境中存在釬焊縫滲漏的風險。中底和氧化劑噴嘴之間的釬焊縫1一旦出現(xiàn)滲漏,可能會導致氧化劑和燃料提前混合并產(chǎn)生爆燃,后果比較嚴重。此外,釬焊過程相當于對基體材料進行了一次熱處理,對基體材料的性能造成一定影響。將中底與氧化劑噴嘴一體化設計和生產(chǎn),可以避免此風險。SLM技術(shù)適合生產(chǎn)復雜結(jié)構(gòu)的零件,這為中底與氧化劑噴嘴一體化設計和生產(chǎn)提供了可能。釬焊縫2只起到連接作用,無需嚴格密封,因此也可以對釬焊縫2處的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。推力室的內(nèi)底一般采用多孔材料或銅材料,難以與噴嘴一體化設計生產(chǎn)。通過以上分析,基于SLM技術(shù)可以得到2種優(yōu)化方案：①氧化劑噴嘴和中底一體化設計,燃料噴嘴和氧化劑噴嘴采用螺紋連接,如圖2所示;②燃料噴嘴、氧化劑噴嘴和中底一體化設計,如圖3所示。

圖2 燃料噴嘴與氧化劑噴嘴螺紋連接結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of thread connection between fuel nozzle and oxidizer nozzle

圖3 燃料噴嘴與氧化劑噴嘴一體設計結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of integrated design of fuel nozzle and oxidizer nozzle

2 噴注單元設計、生產(chǎn)與試驗

2.1 噴注單元設計

根據(jù)不同的成型加工方法,按照全部機加、部分機加以及全部SLM成型的思路設計了4種不同方案的噴注單元,每組噴注單元分別生產(chǎn)了3個試驗件,如表1所示,所有噴注單元的設計尺寸完全相同。A方案噴注單元的氧化劑和燃料噴嘴均采用傳統(tǒng)機加工藝,作為對比試驗的基準,結(jié)構(gòu)如圖1所示;B方案噴注單元的氧化劑噴嘴采用SLM成型毛坯、機加工內(nèi)流道的方式,燃料噴嘴采用傳統(tǒng)機加工藝,結(jié)構(gòu)如圖2所示;C方案噴注單元的氧化劑噴嘴全部采用SLM成型,燃料噴嘴采用傳統(tǒng)機加工藝,結(jié)構(gòu)如圖2所示;D方案噴注單元的氧化劑噴嘴和燃料噴嘴采用SLM一體成型的方式,結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表1 噴注單元設計狀態(tài)

2.2 噴注單元生產(chǎn)與試驗

氧化劑噴嘴、燃料噴嘴和一體噴嘴的產(chǎn)品照片如圖4所示。通過外觀對比可以發(fā)現(xiàn),SLM成型的噴嘴表面顏色稍暗,粗糙度不及機加噴嘴。

圖4 噴注單元產(chǎn)品照片F(xiàn)ig.4 Product photos of injection unit

采用水為介質(zhì),對以上4組噴注單元的氧化劑路分別進行液流試驗。對于燃料路,由于A、B、C 這3種方案的燃料路均為傳統(tǒng)機加工藝,因此未進行對比試驗,只進行了A和D 這2種方案的對比試驗。在對比分析時,本文均采用A方案的平均流量系數(shù)作為基準,通過相對值大小分析差異。

通過液流試驗得到的噴注單元氧化劑路相對流量系數(shù)對比如圖5所示。由圖5可知,B方案氧化劑噴嘴流量系數(shù)比A方案傳統(tǒng)機加噴嘴的平均相對流量系數(shù)大2%～2.3%,平均大2.2%,散差為±0.15%,流量一致性較好。B方案雖然采用了SLM技術(shù)成型,但影響噴嘴流動的內(nèi)流道全部采用機加的方式,尺寸公差與傳統(tǒng)機加方式一致,因此最終流量系數(shù)與A方案比較一致。C方案氧化劑噴嘴流量系數(shù)比A方案的平均流量系數(shù)大9.8%～14.6%,平均大12.2%;D方案氧化劑噴嘴流量系數(shù)比A方案的平均流量系數(shù)大13.8%～19.2%,平均大15.7%。雖然C方案和D方案的設計尺寸與A方案完全一致,但SLM成型誤差及粗糙度較大,導致得到的流量系數(shù)大于機加噴嘴。因此,傳統(tǒng)機加噴嘴的流量系數(shù)選取經(jīng)驗不適用于SLM直接成型的噴嘴,在采用SLM成型技術(shù)設計噴嘴時,需通過液流試驗對關(guān)鍵尺寸進行修正。此外,C、D這2種直接SLM成型方案的噴嘴流量系數(shù)散差分別為±2.1%和±2.3%,均明顯大于B方案。對于大尺寸噴注器來說,不同噴嘴的流量系數(shù)應盡量保持一致,以使得噴霧及燃燒更加均勻,因此直接SLM成型方式不適用于大尺寸噴注器,需在SLM成型后對部分關(guān)鍵尺寸進行機加工保證。

圖5 噴注單元氧化劑路相對流量系數(shù)對比Fig.5 Comparison of relative flow coefficient of oxidizer path in injection unit

通過液流試驗得到的噴注單元燃料路相對流量系數(shù)對比如圖6所示。

圖6 噴注單元燃料路相對流量系數(shù)對比Fig.6 Comparison of relative flow coefficient of fuel path in injection unit

由圖6可知,D方案燃料噴嘴流量系數(shù)比A方案大6.5%～11.5%,平均大8.2%,散差為±2.3%。直接采用SLM成型的燃料噴嘴的流量系數(shù)散差較大,同樣需要機加工保證關(guān)鍵尺寸的精度。

3 噴注器設計、生產(chǎn)與試驗

3.1 噴注器設計

通過不同增材制造方案噴注單元的對比可以得出,氧化劑噴嘴和燃料噴嘴的關(guān)鍵尺寸精度都需要機加工進行保證。直接采用SLM成型一方面使得流量系數(shù)偏離設計值較大;另一方面流量系數(shù)的散差較大,會造成不同噴注單元間的混合比分布不均。而由于燃料噴嘴與氧化劑噴嘴之間的環(huán)縫間隙為0.9 mm,且長徑比較大,采用小刀具精密加工燃料環(huán)縫流道難以達到大尺寸噴注器的精度要求。此外,大尺寸噴注器包含上百個噴嘴,由于SLM成型的毛坯會存在變形,噴注器每個噴嘴的位置度很難與機加坐標保持完全一致,因此只能對每個噴嘴進行機加找正,采用小刀具精密加工反而會使得加工周期較長,發(fā)揮不出SLM快速制造的優(yōu)勢。因此,燃料噴嘴只能采用單獨機加的方案。在大尺寸噴注器設計時,最終選擇了氧化劑噴嘴和中底一體成型并機加氧化劑噴嘴內(nèi)流道、氧化劑噴嘴和燃料噴嘴螺紋連接的方案,即圖2所示方案。

本文研究的噴注器由一體化中底、內(nèi)底、氫噴嘴和集合器組成。一體化中底最大直徑為300 mm,包含126個氧化劑噴嘴。整個噴注器僅有2條焊縫,即一體化中底與集合器焊縫以及內(nèi)底與集合器焊縫,與傳統(tǒng)釬焊工藝相比,取消了氧化劑噴嘴與中底之間以及與燃料噴嘴之間的252條焊縫,提高了產(chǎn)品本質(zhì)可靠性。

3.2 噴注器生產(chǎn)

采用SLM技術(shù)成型的一體化中底毛坯如圖7(a)所示。經(jīng)過熱處理后對氧化劑噴嘴關(guān)鍵尺寸機加工如圖7(b)所示。由于取消了噴嘴與中底間和噴嘴間的釬焊工序,縮短了噴注器生產(chǎn)周期,節(jié)約了生產(chǎn)成本。

圖7 噴注器增材制造產(chǎn)品照片F(xiàn)ig.7 Photos of injector products with additive manufacturing products

一體化中底最大外廓尺寸達到φ300 mm,在SLM成型過程中產(chǎn)生大變形問題,噴注器最大變形量達1.8 mm。中底邊緣出現(xiàn)了支撐開裂現(xiàn)象,位置如圖8所示。這是由于零件中心引火管結(jié)構(gòu)的存在,使得在SLM成型時底面大部分處于懸空狀態(tài)。而采用網(wǎng)狀支撐結(jié)構(gòu)的強度不足,在成型過程中由于內(nèi)應力過大,造成零件底部與支撐接觸地方開裂。通過將中底最外面支撐改為實體支撐方式,加強了支撐強度,最終解決了該問題。對于大尺寸噴注器來說,SLM成型過程中的變形問題會造成噴嘴偏斜,從而可能造成推力室燒蝕,因此在設計時應優(yōu)化設計,避免底部懸空結(jié)構(gòu)。若受結(jié)構(gòu)限制,無法避免底部懸空時,在SLM成型時應采用實體支撐,以盡量減小成型過程中的變形。

圖8 支撐開裂位置Fig.8 Cracking position of support

3.3 熱試車結(jié)果

噴注器進行了發(fā)動機整機74.4%～92.2%變工況的熱試車,試驗介質(zhì)為液氫、液氧。試車中燃燒室相對壓力曲線如圖9所示。圖中相對室壓p/pd為試驗測量室壓與額定室壓之間的比值,表征了試車工況。由圖9可以看出,在變工況過程中以及不同工況下噴注器組織燃燒比較平穩(wěn)。采用燃燒效率ηc表征噴注器組織霧化燃燒的完善程度,其計算公式為

圖9 試車相對壓力曲線Fig.9 Relative pressure curve in hot-fire test

(1)

由于氧噴嘴與中底一體成型,試車中重點關(guān)注了氧噴前壓力的脈動情況。在氧噴前設置了高頻速變壓力測點,采樣頻率為50 kHz。氧噴前壓力相對室壓脈動值為±2.2%,表明燃燒室燃燒穩(wěn)定。對氧噴前壓力進行了短時傅里葉變換,如圖10所示。從頻譜圖上看,氧噴前壓力未見推力室相關(guān)突出頻率,整體壓力脈動較小。進一步說明,本文研究的SLM成型噴注器能夠達到高效穩(wěn)定燃燒的要求。

圖10 氧噴前高頻壓力測點短時傅里葉變換圖Fig.10 STFT of high-frequency pressure before oxygen injecting

4 結(jié)論

基于目前的SLM技術(shù)對傳統(tǒng)液體火箭發(fā)動機噴注器進行了設計優(yōu)化,設計和生產(chǎn)了不同方案的噴注單元并進行了液流試驗對比,根據(jù)對比結(jié)果選取了最佳設計及工藝方案,實現(xiàn)了增材制造技術(shù)在大尺寸噴注器設計中的應用。主要得到以下結(jié)論。

1)SLM直接成型的噴嘴流量系數(shù)大于傳統(tǒng)機加噴嘴,且散差較大,不適合直接用于大尺寸噴注器設計。

2)大尺寸噴注器應用增材制造技術(shù)的最佳方案為：SLM成型毛坯,關(guān)鍵尺寸機加保證。

3)大尺寸噴注器在采用增材制造技術(shù)成型時,應采用較強的支撐方式,防止出現(xiàn)大變形問題。