基于激光選區(qū)熔化技術(shù)的大尺寸噴注器設(shè)計(jì)

孔維鵬,謝 恒,王曉麗

(北京航天動(dòng)力研究所,北京 100076)

0 引言

噴注器是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室中組織推進(jìn)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(gè)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(fù)雜,生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。

增材制造技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)加工工藝,具有單件小批量復(fù)雜結(jié)構(gòu)快速制造的優(yōu)勢(shì),在航空航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)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(yīng)用的主要工藝[9]。在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器的增材制造方面,國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)也開(kāi)展了大量工作。2012年,美國(guó)Aerojet Rocketdyne公司開(kāi)發(fā)了4種不同的合金材料,采用SLM技術(shù),對(duì)其在RL-10和RS-68發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行了探索,相對(duì)于傳統(tǒng)噴注器的制造過(guò)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(dòng)機(jī)噴注器,并進(jìn)行了熱試驗(yàn),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(jì)劃中,對(duì)液氧/甲烷雙組元離心式噴注器進(jìn)行了優(yōu)化,以滿足SLM工藝要求,整個(gè)噴注器零件減少到2個(gè),并成功通過(guò)熱試車(chē)考核[12-13]。空客公司對(duì)Vulcain2發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器SLM制造技術(shù)開(kāi)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(jìn)的研究方式表明SLM技術(shù)在噴注器中的應(yīng)用已經(jīng)成熟[14-15]。2010—2018年間,馬歇爾太空飛行中心對(duì)增材制造技術(shù)在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器中的應(yīng)用開(kāi)展了大量研究,其中包括不同推進(jìn)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(dòng)機(jī)有限公司開(kāi)展了液氧/甲烷、液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器的增材制造技術(shù)研究,并進(jìn)行了多次熱試車(chē)[17]。北京航天動(dòng)力研究所開(kāi)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(dòng)機(jī)對(duì)噴注器的一致性及均勻性要求比較嚴(yán)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(wú)法滿足使用要求,在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用中,可能會(huì)造成噴霧局部不均勻的現(xiàn)象,從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。此外,大尺寸噴注器在增材制造過(guò)程中可能因內(nèi)應(yīng)力過(guò)大而存在變形問(wèn)題,不僅會(huì)影響推力室裝配,嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成噴嘴或推力室內(nèi)壁燒蝕。因此,開(kāi)展基于激光選區(qū)熔化技術(shù)的大尺寸液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器可行性及最佳設(shè)計(jì)方案研究十分必要。

本文基于激光選區(qū)熔化技術(shù)設(shè)計(jì)了不同方案的噴注單元,通過(guò)不同方案噴注單元液流試驗(yàn)對(duì)比,獲取SLM制造產(chǎn)品與傳統(tǒng)機(jī)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(shè)計(jì)方案。基于SLM設(shè)計(jì)生產(chǎn)了大尺寸噴注器,并通過(guò)熱試驗(yàn)考核,對(duì)SLM技術(shù)應(yīng)用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)大尺寸噴注器設(shè)計(jì)的可行性進(jìn)行了研究。

1 噴注器SLM優(yōu)化方案

傳統(tǒng)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)氧化劑噴嘴、多個(gè)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(qiáng)度較低,生產(chǎn)過(guò)程中屬于不可直接檢測(cè)環(huán)節(jié),在熱試車(chē)的啟動(dòng)沖擊或復(fù)雜振動(dòng)環(huán)境中存在釬焊縫滲漏的風(fēng)險(xiǎn)。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(huì)導(dǎo)致氧化劑和燃料提前混合并產(chǎn)生爆燃,后果比較嚴(yán)重。此外,釬焊過(guò)程相當(dāng)于對(duì)基體材料進(jìn)行了一次熱處理,對(duì)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(shè)計(jì)和生產(chǎn),可以避免此風(fēng)險(xiǎn)。SLM技術(shù)適合生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件,這為中底與氧化劑噴嘴一體化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供了可能。釬焊縫2只起到連接作用,無(wú)需嚴(yán)格密封,因此也可以對(duì)釬焊縫2處的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shè)計(jì)生產(chǎn)。通過(guò)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(shè)計(jì),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(shè)計(jì),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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、生產(chǎn)與試驗(yàn)

2.1 噴注單元設(shè)計(jì)

根據(jù)不同的成型加工方法,按照全部機(jī)加、部分機(jī)加以及全部SLM成型的思路設(shè)計(jì)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(gè)試驗(yàn)件,如表1所示,所有噴注單元的設(shè)計(jì)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(jī)加工藝,作為對(duì)比試驗(yàn)的基準(zhǔn),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(jī)加工內(nèi)流道的方式,燃料噴嘴采用傳統(tǒng)機(jī)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(jī)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(shè)計(jì)狀態(tài)

2.2 噴注單元生產(chǎn)與試驗(yàn)

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(guò)外觀對(duì)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(jī)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(duì)以上4組噴注單元的氧化劑路分別進(jìn)行液流試驗(yàn)。對(duì)于燃料路,由于A、B、C 這3種方案的燃料路均為傳統(tǒng)機(jī)加工藝,因此未進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),只進(jìn)行了A和D 這2種方案的對(duì)比試驗(yàn)。在對(duì)比分析時(shí),本文均采用A方案的平均流量系數(shù)作為基準(zhǔn),通過(guò)相對(duì)值大小分析差異。

通過(guò)液流試驗(yàn)得到的噴注單元氧化劑路相對(duì)流量系數(shù)對(duì)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?jìng)鹘y(tǒng)機(jī)加噴嘴的平均相對(duì)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(dòng)的內(nèi)流道全部采用機(jī)加的方式,尺寸公差與傳統(tǒng)機(jī)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(shè)計(jì)尺寸與A方案完全一致,但SLM成型誤差及粗糙度較大,導(dǎo)致得到的流量系數(shù)大于機(jī)加噴嘴。因此,傳統(tǒng)機(jī)加噴嘴的流量系數(shù)選取經(jīng)驗(yàn)不適用于SLM直接成型的噴嘴,在采用SLM成型技術(shù)設(shè)計(jì)噴嘴時(shí),需通過(guò)液流試驗(yàn)對(duì)關(guān)鍵尺寸進(jìn)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(duì)于大尺寸噴注器來(lái)說(shuō),不同噴嘴的流量系數(shù)應(yīng)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(duì)部分關(guān)鍵尺寸進(jìn)行機(jī)加工保證。

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

通過(guò)液流試驗(yàn)得到的噴注單元燃料路相對(duì)流量系數(shù)對(duì)比如圖6所示。

圖6 噴注單元燃料路相對(duì)流量系數(shù)對(duì)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(jī)加工保證關(guān)鍵尺寸的精度。

3 噴注器設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與試驗(yàn)

3.1 噴注器設(shè)計(jì)

通過(guò)不同增材制造方案噴注單元的對(duì)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(jī)加工進(jìn)行保證。直接采用SLM成型一方面使得流量系數(shù)偏離設(shè)計(jì)值較大;另一方面流量系數(shù)的散差較大,會(huì)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(zhǎng)徑比較大,采用小刀具精密加工燃料環(huán)縫流道難以達(dá)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(gè)噴嘴,由于SLM成型的毛坯會(huì)存在變形,噴注器每個(gè)噴嘴的位置度很難與機(jī)加坐標(biāo)保持完全一致,因此只能對(duì)每個(gè)噴嘴進(jìn)行機(jī)加找正,采用小刀具精密加工反而會(huì)使得加工周期較長(zhǎng),發(fā)揮不出SLM快速制造的優(yōu)勢(shì)。因此,燃料噴嘴只能采用單獨(dú)機(jī)加的方案。在大尺寸噴注器設(shè)計(jì)時(shí),最終選擇了氧化劑噴嘴和中底一體成型并機(jī)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(gè)氧化劑噴嘴。整個(gè)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(guò)熱處理后對(duì)氧化劑噴嘴關(guān)鍵尺寸機(jī)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(dá)到φ300 mm,在SLM成型過(guò)程中產(chǎn)生大變形問(wèn)題,噴注器最大變形量達(dá)1.8 mm。中底邊緣出現(xiàn)了支撐開(kāi)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(shí)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(qiáng)度不足,在成型過(guò)程中由于內(nèi)應(yīng)力過(guò)大,造成零件底部與支撐接觸地方開(kāi)裂。通過(guò)將中底最外面支撐改為實(shí)體支撐方式,加強(qiáng)了支撐強(qiáng)度,最終解決了該問(wèn)題。對(duì)于大尺寸噴注器來(lái)說(shuō),SLM成型過(guò)程中的變形問(wèn)題會(huì)造成噴嘴偏斜,從而可能造成推力室燒蝕,因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì),避免底部懸空結(jié)構(gòu)。若受結(jié)構(gòu)限制,無(wú)法避免底部懸空時(shí),在SLM成型時(shí)應(yīng)采用實(shí)體支撐,以盡量減小成型過(guò)程中的變形。

圖8 支撐開(kāi)裂位置Fig.8 Cracking position of support

3.3 熱試車(chē)結(jié)果

噴注器進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)74.4%～92.2%變工況的熱試車(chē),試驗(yàn)介質(zhì)為液氫、液氧。試車(chē)中燃燒室相對(duì)壓力曲線如圖9所示。圖中相對(duì)室壓p/pd為試驗(yàn)測(cè)量室壓與額定室壓之間的比值,表征了試車(chē)工況。由圖9可以看出,在變工況過(guò)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(jì)算公式為

圖9 試車(chē)相對(duì)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(chē)中重點(diǎn)關(guān)注了氧噴前壓力的脈動(dòng)情況。在氧噴前設(shè)置了高頻速變壓力測(cè)點(diǎn),采樣頻率為50 kHz。氧噴前壓力相對(duì)室壓脈動(dòng)值為±2.2%,表明燃燒室燃燒穩(wěn)定。對(duì)氧噴前壓力進(jìn)行了短時(shí)傅里葉變換,如圖10所示。從頻譜圖上看,氧噴前壓力未見(jiàn)推力室相關(guān)突出頻率,整體壓力脈動(dòng)較小。進(jìn)一步說(shuō)明,本文研究的SLM成型噴注器能夠達(dá)到高效穩(wěn)定燃燒的要求。

圖10 氧噴前高頻壓力測(cè)點(diǎn)短時(shí)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(duì)傳統(tǒng)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化,設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了不同方案的噴注單元并進(jìn)行了液流試驗(yàn)對(duì)比,根據(jù)對(duì)比結(jié)果選取了最佳設(shè)計(jì)及工藝方案,實(shí)現(xiàn)了增材制造技術(shù)在大尺寸噴注器設(shè)計(jì)中的應(yīng)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(jī)加噴嘴,且散差較大,不適合直接用于大尺寸噴注器設(shè)計(jì)。

2)大尺寸噴注器應(yīng)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(jī)加保證。

3)大尺寸噴注器在采用增材制造技術(shù)成型時(shí),應(yīng)采用較強(qiáng)的支撐方式,防止出現(xiàn)大變形問(wèn)題。