一种一体式承力均流顶盖装置
阅读说明：本技术 一种一体式承力均流顶盖装置 (Integrated force-bearing flow-equalizing top cover device ) 是由 刘倩 丁兆波 潘刚 王洋洲 张亚 孔维鹏 潘亮 孙纪国 郑孟伟 谢恒� 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：一种一体式承力均流顶盖装置,包括对接法兰、入口段、顶盖、承力装置、整流装置、支撑肋；对接法兰端口为推进剂入口,对接法兰通过入口段与顶盖相连,入口段周围设置辐射状支撑肋,支撑肋分别连接对接法兰、入口段和顶盖；顶盖上端连接承力装置,用于推力传递；顶盖下端连接整流装置,用于保证进入各喷嘴的推进剂均匀分布；顶盖过轴线截面呈双峰型,中心凹腔为带中心孔的圆台形平台,用于点火器的连接和安装；顶盖上设置径向窗口,用于操作安装点火器或点火器电缆引出；顶盖上还设置有用于吊装的吊装孔。该一体式承力均流顶盖装置可承内压、可传推力、压力和流量分布均匀性高、一体成型无焊接。(An integrated force-bearing flow-equalizing top cover device comprises a butt flange, an inlet section, a top cover, a force-bearing device, a rectifying device and support ribs; the port of the butt flange is a propellant inlet, the butt flange is connected with the top cover through an inlet section, radial support ribs are arranged around the inlet section, and the support ribs are respectively connected with the butt flange, the inlet section and the top cover; the upper end of the top cover is connected with a force bearing device for transmitting thrust; the lower end of the top cover is connected with a rectifying device for ensuring that the propellant entering each nozzle is uniformly distributed; the cross section of the top cover is bimodal, and the central concave cavity is a circular truncated cone-shaped platform with a central hole and is used for connecting and mounting an igniter; the top cover is provided with a radial window for operating and installing an igniter or leading out an igniter cable; the top cover is also provided with a hoisting hole for hoisting. The integrated force-bearing flow-equalizing top cover device can bear internal pressure, can transmit thrust, has high pressure and flow distribution uniformity, and is integrally formed without welding.)
技术领域
本发明涉及一种一体式承力均流顶盖装置，可用于航空航天、热能工程、燃烧技术领域。
背景技术
液体火箭发动机推力室在高温、高压和复杂振动环境下工作，推力室头部主要包括承力座、顶盖、喷注器、集合器等结构，作为发动机推力室上零件数量最多，结构最复杂，焊接/连接数量最多的部件，其结构可靠性直接关系到推力室工作的可靠性。
推力室将燃料的化学能转化为热能后，经喷管喷出产生推力。该推力通过推力室头部承力座传递给常平座，并通过常平座将几乎全部推力传递给箭体。承力座与顶盖相连，通常顶盖结构形式有三种：1)球形顶盖；2)三心顶盖；3)锥形顶盖。前两种结构形式主要承受推进剂的压力，不传递推力；锥形顶盖除承受腔内的液体压力外，要承受并传递推力。顶盖结构设计不合理易造成结构变形甚至破坏等问题。
喷注器的主要功用是在规定的喷注器压降和流量下，将推进剂均匀地喷入燃烧室，保证设计的混合比分布和质量分布，并迅速完成雾化、混合过程。由顶盖等组成的腔体内部流场压力分布情况等影响进入喷注器各喷嘴的流量分布均匀性，直接关系到推力室燃烧效率、稳定性等工作性能，甚至在流量分布不均时会造成喷嘴局部混合比偏高，造成喷嘴烧蚀。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种一体式承力均流顶盖装置，可承内压、可传推力、压力和流量分布均匀性高、无焊接。
本发明的技术解决方案是：
一种一体式承力均流顶盖装置，包括对接法兰、入口段、顶盖、承力装置、整流装置、支撑肋；
对接法兰端口为推进剂入口，对接法兰通过入口段与顶盖相连，入口段周围设置辐射状支撑肋，支撑肋分别连接对接法兰、入口段和顶盖；顶盖上端连接承力装置，用于推力传递；顶盖下端连接整流装置，用于保证进入各喷嘴的推进剂均匀分布；顶盖过轴线截面呈双峰型，中心凹腔为带中心孔的圆台形平台，用于点火器的连接和安装；顶盖上设置径向窗口，用于操作安装点火器或点火器电缆引出；顶盖上还设置有用于吊装的吊装孔。
进一步的，入口段由圆截面逐渐过渡为长圆截面，与对接法兰连接处为圆截面，与顶盖相贯截面为长圆截面；且入口段与顶盖相贯处设置倒圆角，且倒圆角直径为顶盖壁厚的1～1.5倍。
进一步的，入口段轴线与顶盖轴线夹角为60°～90°；且当入口段轴线与顶盖轴线夹角为90°时，双峰高度比入口段与顶盖相贯长圆截面轴向高度相同或略高。
进一步的，入口段为1个、两个或多个，沿顶盖周向均匀分布。
进一步的，推进剂为气体或液体，其中到达入口段与顶盖相贯长圆截面时气体流速不超过150m/s；液体流速不超过40m/s。
进一步的，承力装置的壁厚为顶盖壁厚的2～2.5倍。
进一步的，整流装置外缘和内缘分别搭接在顶盖的外侧柱内壁与中心柱壁面上，由直线段、四圆弧段、直线段组成，从靠近外缘处开始，直线段与外侧柱内壁搭接，后连接四圆弧段，包括过渡圆弧、下凹圆弧1、上凸圆弧、下凹圆弧2，最后通过一直线段与中心柱壁面相连，各圆弧间相切，且R下凹1：R上凸：R下凹2＝1:1:5，整流装置整体呈宽圆环薄板波浪式结构。
进一步的，支撑肋数量为6条或其倍数，且支撑肋位于对接法兰轴向截面的上侧，对接法兰轴向截面下侧则仅在对接法兰正下方设置总支撑肋条数1/6的支撑肋。
进一步的，一体式承力均流装置采用3D打印或粉末冶金一体成型。
进一步的，顶盖上设置的吊装孔，数量为2，呈180°分布。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1)采用一体式承力均流顶盖装置，减少了承力座与顶盖间的焊缝，防止因焊缝热输入影响导致喷注器喷嘴环缝间隙不均匀进而发生的喷嘴烧蚀问题。
2)双峰型顶盖结构可以提高顶盖刚度和抗内压能力，防止在高内压条件下造成的顶盖变形问题，进而避免发生推进剂泄露及结构破坏等一系列问题。
3)采用了独特的辐射状支撑肋结构，且支撑肋主要位于法兰轴向截面的上侧，下侧仅在正下方设置一条支撑肋，防止过支撑导致的应力集中出现过载破坏问题。
4)入口段采用圆截面逐渐过渡为长圆截面的变截面结构，一方面便于法兰对接连接，另一方面可以减小进入顶盖内部流体速度，降低流阻损失，提高进入喷注器各喷嘴流量的均匀性。
5)顶盖下游安装的整流装置整体呈宽圆环薄板波浪式结构，一方面可以提高进入喷嘴的流量均匀性，另一方面可以有效抵抗上游来流推进剂对整流装置的冲击，避免发生较大位移而造成结构破坏。
附图说明
图1为一种一体式承力均流顶盖装置结构示意图；
图中：1——对接法兰；2——入口段；3——顶盖；4——承力装置；5——整流装置；6——支撑肋；7——径向窗口；8——吊装孔。
图2为辐射状支撑肋示意图；
图3为入口段长圆截面示意图。
具体实施方式
本发明提出一种一体式承力均流顶盖装置，如图1所示，包括对接法兰1、入口段2、顶盖3、承力装置4、整流装置5以及支撑肋6；
对接法兰1端口为推进剂入口，对接法兰1通过入口段2与顶盖3相连，入口段2周围设置辐射状支撑肋6，如图2所示，分别连接对接法兰1、入口段2和顶盖3；顶盖上端连接承力装置4，用于推力传递；顶盖3下端连接整流装置5，用于保证进入各喷嘴的推进剂均匀分布。顶盖3过轴线截面呈双峰型，中心凹腔为带中心孔的圆形平台，用于点火器等外部装置的连接和安装。该双峰型截面类似于M状，有两个峰，两个峰之间为圆台状凹腔，凹腔底部有中心通孔。该M状结构的中心部位为中心柱，该M状结构的两侧为外侧柱。本发明采用的双峰型顶盖结构可以提高顶盖刚度和抗内压能力，防止在高内压条件下造成的顶盖变形问题，进而避免发生推进剂泄露及结构破坏等一系列问题。
顶盖3上设置径向窗口7，方便操作安装点火器等装置，或方便点火器电缆等引出。顶盖3上设置吊装孔8，数量为2，呈180°分布。
本发明采用一体式承力均流顶盖装置，减少了承力座与顶盖间的焊缝，防止因焊缝热输入影响导致喷注器喷嘴环缝间隙不均匀进而发生的喷嘴烧蚀问题。
在上述的一种三组元一体式喷嘴组件中，所述的入口段2由圆截面逐渐过渡为长圆截面，如图3所示，与对接法兰1连接处为圆截面，与顶盖3相贯截面为长圆截面。该结构一方面便于法兰对接连接，另一方面可以减小进入顶盖内部流体速度，降低流阻损失，提高进入喷注器各喷嘴流量的均匀性。且入口段与顶盖相贯处设置倒圆角，且倒圆角直径不小于壁厚的1～1.5倍。该结构可以确保推进剂较顺滑地进入顶盖内腔，避免形成显著的后台阶涡流，造成较高的局部流阻损失。
在上述的一种三组元一体式喷嘴组件中，所述的入口段2轴线与顶盖3轴线夹角为60°～90°；且当入口段2轴线与顶盖轴线夹角为90°时，双峰高度比入口段2与顶盖3相贯长圆截面轴向高度相同或略高；
在上述的一种三组元一体式喷嘴组件中，所述的入口段2为1个、两个或多个，沿顶盖3周向均匀分布；
在上述的一种三组元一体式喷嘴组件中，所述的推进剂可以为气体或液体，其中到达入口段2与顶盖3相贯长圆截面时气体流速不超过150m/s；液体流速不超过40m/s。
在上述的一种三组元一体式喷嘴组件中，所述的承力装置4的壁厚约为顶盖3壁厚的2～2.5倍；
在上述的一种三组元一体式喷嘴组件中，整流装置5外缘和内缘分别搭接在顶盖3的外侧柱内壁与中心柱壁面上，由直线段+四圆弧段+直线段组成，从靠近外缘处开始，直线段与外侧柱内壁搭接，后连接四圆弧段，包括过渡圆弧、下凹圆弧1、上凸圆弧、下凹圆弧2，最后通过一直线段与中心柱壁面相连，各圆弧间相切，且R下凹1：R上凸：R下凹2＝1:1:5，整流装置整体呈宽圆环薄板波浪式结构。一方面可以提高进入喷嘴的流量均匀性，另一方面可以有效抵抗上游来流推进剂对整流装置的冲击，避免发生较大位移而造成结构破坏。
如图2所示，在上述的一种三组元一体式喷嘴组件中，所述的支撑肋6数量为6条或其倍数，且支撑肋主要位于法兰轴向截面的上侧，下侧仅在正下方设置总支撑肋条数的1/6的支撑肋。本发明采用了独特的辐射状支撑肋结构，且支撑肋主要位于法兰轴向截面的上侧，下侧仅在正下方设置一条支撑肋，防止过支撑导致的应力集中出现过载破坏问题。
在上述的一种三组元一体式喷嘴组件中，所述的一体式承力均流装置采用3D打印或粉末冶金一体成型。