CN104428496A - 包括由柔性固定装置连接的复合部件和金属部件的燃气涡轮发动机 - Google Patents
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Abstract
一种用于飞行器推进的燃气涡轮发动机，所述发动机从上游到下游轴向地延伸，并包括复合部件(3)，金属部件(2)以及一种将所述部件(2、3)柔性固定在一起的装置(4)，所述固定装置(4)包括：柔性连接元件(5)，其包括通过轴向连接件(B1)被连接到所述金属部件(2)的第一固定部分(51)以及通过轴向连接件(B2)被连接到所述复合部件(3)的第二固定部分(53)，所述连接元件(5)包括轴向延伸自由端(55)；以及刚性锁定元件(6)，其包括通过轴向连接件(B1)和轴向延伸自由端(63)被连接到所述金属部件(2)的固定部分(61)，所述锁定元件(6)的自由端(63)与所述连接元件(5)的自由端(55)径向地对齐，以当发动机处于运行时限制所述连接元件(5)的变形。
Description
本发明涉及用于飞行器推进的燃气涡轮发动机的领域。
为了限制飞行器的燃料消耗，一种解决方案包括减少飞行器及其设备的质量。为此，已经提出了通过使用由复合材料制成的部件代替由金属材料制成的部件来减少燃气涡轮发动机的质量。
举例来说，已经提出了用由本领域技术人员已知的简称CMC的陶瓷基复合材料(可能或可能不是氧化类型)制成的壳体代替双轴涡轮喷气发动机的低压涡轮壳体。低压涡轮壳体通常被连接到由金属材料制成的发动机其他部件。在CMC壳体和机械部件之间的机械连接件具有缺点，因为复合材料具有与金属材料不同的膨胀性，例如少于四倍。因此需要将在复合部件和金属部件之间的所谓“柔性”机械连接件放置在合适位置，以避免由于不均匀膨胀而过度地施压复合部件。然而，该柔性连接件需要足够的刚性以在组件之间传输力，以及避免被连接组件的动态响应的恶化。
如图1所示，以斯奈克玛推进固体(Snecma Propulsion Solide)名义的专利申请FR2935753A1披露了在环形部件20和后体部件30之间的柔性连接件90，该环形部件20由金属材料制成并被刚性地连接到航空发动机，该后体部件由陶瓷基复合材料制成并至少在其上游部分具有一个旋转形状。该柔性连接件90具有由轴向螺钉A1固定在金属部件20上的第一端91和由径向螺钉A2固定在由复合材料制成的后体部件30的上游部分上的第二端92。
这种类型的柔性连接件90不适合于相当大质量的大型发动机，由于这需要使用径向螺钉A2—以连接柔性连接件90的第二端92到后体部件30的上游部分—对于这种类型的发动机，所述径向螺钉受到高剪切力，这限制了它们的使用寿命。用于克服该缺点的一种解决方案是增加径向螺钉A2的尺寸，但这将增加其质量，这与目标要求相反。此外，径向螺钉A2对于传输轴向力以及在这两个密封部件20、30之间密封可能具有缺点。另外，由于它们的低刚度，图1所示的柔性连接件90不能确保高度应力部件的机械强度，如涡轮壳体或排气箱。最后，如果叶片片段分离，这种连接件可被损坏。
为了消除这些缺点的至少一些，本发明涉及一种用于飞行器推进的燃气涡轮发动机，所述发动机从上游到下游轴向地延伸，并包括复合部件，金属部件以及用于柔性固定所述部件的装置，所述固定装置包括：
—柔性连接元件，包括通过轴向连接件被连接到所述金属部件的第一固定部分以及通过轴向连接件被连接到所述复合部件的第二固定部分，所述连接元件包括轴向延伸自由端；以及
—刚性锁定元件，包括通过轴向连接件和轴向延伸自由端被连接到所述金属部件的固定部分，所述锁定元件的自由端与所述连接元件的自由端径向地对齐，以当发动机处于运行时限制所述连接元件的变形。
所述固定装置经由轴向连接件被连接，以提高在复合部件和金属部件之间的力传输。轴向连接件的使用寿命比受到剪切力的径向连接件的使用寿命更长。
所述固定装置可能，一方面，通过其柔性连接元件提供柔性，所述柔性是有利的以弥补操作过程中的不同膨胀，另一方面，通过其锁定元件提供刚性，所述刚性限制了所述连接元件的任何过度变形并保护了所述连接件。
根据本发明的固定装置也足够地刚性，以允许在复合部件和金属部件之间的结构力传输。
所述锁定元件的自由端优选地在所述连接元件的自由端的径向外侧。因此，当所述连接元件过度地变形时，所述锁定元件的自由端与所述连接元件的自由端接触。
所述柔性连接元件优选地包括将所述第一固定部分连接到所述第二固定部分的中间部分，所述中间部分包括通孔，以给予所述连接元件柔性。
所述柔性连接元件的中间部分优选地轴向延伸。因此，通过轴向延伸的其中间部分的柔性消除了所述连接元件的两端之一的任何倾斜。
根据本发明的一个方面，所述固定装置包括被安装在所述连接元件和所述锁定元件之间的密封元件。所述密封元件可避免发动机外侧高能气流的任何泄漏，特别是通过在所述连接元件内的通孔。密封元件优选地是弯曲金属片的形式。
所述连接元件和所述锁定元件优选地通过相同的轴向连接件被连接到所述金属部件。因此，所述固定装置可快速地安装在发动机上。
根据本发明的优选方面，与其径向外部相比，所述固定装置的径向内部很厚，以保留发动机的任何碎片。事实上，如果叶片的片段分离了，该片段在发动机内径向地移动，但不损害由很厚的所述固定装置的径向内部保护的连接件。在该示例中，面对所述叶片的元件，也就是说，所述连接元件和所述锁定元件的自由端，被制成为更厚。固定装置有利地提供了，一方面，极大的柔性以可能在运行过程中补偿不同膨胀以及，另一方面，极大的刚性以在发生故障的情况下保留涡轮叶片的片段。
所述锁定元件优选地比所述连接元件更厚。因此，所述刚性锁定元件可以保护所述连接元件，所述连接元件薄以提供更大的柔性。这特别地有利，以在叶片片段损失的情况下保护所述连接元件。
优选地，所述连接元件的自由端比其固定部分更厚。因此，这可以保护所述连接元件的柔性部分以及到所述复合部件的轴向连接件。优选地，面对所述锁定元件的自由端的所述连接元件的自由端的部分的厚度薄于不面对的部分，以限制该装置的质量。如果叶片片段在面对所述锁定元件的自由端的所述连接元件的自由端的部分的区域内丢失，所述连接件由所述锁定元件的厚度和所述连接元件的厚度所保护。
根据本发明的优选方面，所述金属部件是涡轮喷气发动机的涡轮壳体以及所述复合部件是涡轮喷气发动机的废气箱。所述废气箱优选地由CMC材料制成。
在阅读仅通过示例以及参考附图给出的以下描述后，将更好地理解本发明，其中：
—图1是根据现有技术(已经提到的)的柔性连接件的剖视图；
—图2是根据本发明的涡轮喷气发动机的剖视图，其金属涡轮壳体和由复合材料制成废气箱通过柔性固定装置连接；
—图3是图2的柔性固定装置的特写视图；以及
—图4是图2的固定装置的上游部分的特写视图。
应该注意的是，附图详细地披露了本发明，以实施本发明，但是可在适当的地方，所述附图当然更好地限定本发明。
本发明将提出用于一种用于飞行器推进的涡轮喷气发动机，但是当然本发明适用于用于飞行器推进的任何燃气涡轮发动机。
在该示例中，涡轮喷气发动机包括由金属材料制成的低压涡轮壳体以及由复合材料制成的废气箱，低压涡轮壳体和废气箱由根据本发明的固定装置连接；当然，本发明可应用到另一金属部件与涡轮喷气发动机的另一复合部件的连接。
如图2所示，双轴涡轮喷气发动机从上游到下游沿轴线X轴向地延伸，并包括由金属材料制成的轴向低压涡轮壳体2，该轴向低压涡轮壳体2通过固定装置4连接到由复合材料制成的轴向废气箱3。轴向低压涡轮壳体2是沿轴线X轴向地延伸的环形部件并在双轴涡轮喷气发动机的低压主体1的径向外侧。参考图2，低压主体1包括其上安装有径向叶片9的低压轴。低压涡轮壳体2是结构部件，其有利地可以吸收由涡轮喷气发动机产生的推力，以将其传输到其上安装有涡轮喷气发动机的飞行器。低压涡轮壳体2由耐热的奥氏体合金制成并在图3所示的固定凸缘21内在其下游端终止。下游固定凸缘21径向地延伸，并包括多个分布在其圆周上的开口，以使轴向连接件B1连接到固定装置4，如下将详细介绍。****
轴向废气箱3—也是环形的—被安装在低压涡轮壳体2的下游并且可以引导来自位于高压涡轮上游的涡轮喷气发动机的燃烧室的废气。为了减少其质量，废气箱3由复合材料制成。在该示例中，废气箱3由本领域技术人员已知的简称CMC的陶瓷基复合材料制成。如图3所示，废气箱3包括在其上游端的固定凸缘31，该固定凸缘31径向地延伸并包括多个分布在其圆周的开口，以使轴向连接件B2连接到固定装置4，如下将详细介绍。
如图2和3所示，低压涡轮壳体2和废气箱3通过根据本发明的柔性固定装置4连接，以弥补在所述壳体2、3之间的不同的膨胀。参考图3，柔性固定装置4包括柔性的环形连接元件5和刚性的环形锁定元件6。
柔性连接元件5
在该示例中，柔性固定装置4的连接元件5为整体金属部件的形式，优选地，由镍基耐热奥氏体合金制成。
如图3所示，连接元件5从上游到下游包括用于固定低压涡轮壳体2的上游部分51、中间部分52和用于固定到废气箱3的下游部分53。上游固定部分21为固定凸缘的形式，所述固定凸缘径向地延伸以及包括多个分布在其圆周的开口，以使轴向连接件B1连接到低压涡轮壳体2的固定凸缘21。换句话说，连接元件5在上游具有L形。
连接元件5的中间部分52在固定部分51、53之间轴向地延伸并包括分布在其圆周的通孔54，以给予连接元件5柔性。在该示例中，连接元件5包括多个直径大约500毫米的通孔54，当然孔54的数量和尺寸可改变，以为连接元件5提供所需柔性。当然，连接元件5的中间部分52也可具有另外的形状。连接元件5的中间部分52优选地具有大致1到2毫米的厚度，以提供柔性。
连接元件5的下游固定部分53径向地延伸并包括多个分布在其圆周的开口，以使轴向连接件B2连接到废气箱3的固定凸缘31。下游固定部分53在自由端55终止，该自由端55从下游到上游从下游固定部分53的径向下端轴向地延伸，如图3和4所示。因此，自由端55径向地低于连接元件5的中间部分52。换句话说，连接元件5在下游具有U形，该U形的基部径向地延伸以及该U形的臂轴向地延伸，如图3和4所示。因此，因为其环形性质和径向通孔54的存在，连接元件5具有“鼠笼式”整体形状。
连接元件5的自由端55比连接元件5的中间部分52更厚，从而在涡轮喷气发动机的叶片9的片段损失的情况下，形成对固定装置4的保护。
在该示例中，参考图4，面对锁定元件6的自由端63的连接元件5的自由端的部分55A的厚度比不面对的部分55B的厚度薄，以限制该装置的质量。事实上，如果叶片片段在面对锁定元件的自由端63的部分55A的区域内丢失，该连接由锁定元件6的厚度和连接元件5的厚度所保护，这提供了足够的保护，同时限制了质量。优选地，连接元件5的部分55B具有大致5毫米的厚度，而连接元件5的部分55A具有大致2毫米的厚度。
刚性锁定元件6
仍然参考图3，固定装置4的锁定元件6从上游到下游包括用于固定到低压涡轮壳体2的上游部分61，中间部分62和自由部分63(也称为自由端63)。上游固定部分61为固定凸缘的形式，该固定凸缘径向地延伸并包括多个分布在其圆周的开口，以使轴向连接件B1连接到低压涡轮壳体2的固定凸缘21以及连接元件5的固定凸缘51，如以下将详细描述。锁定元件6的中间部分62在锁定元件6的固定部分61和自由端63之间整体倾斜地延伸，使得轴向地延伸的自由端63位于连接元件5的中间部分52和其自由端55之间，如图3所示。锁定元件6的中间部分62优选地包括轴向上游部分62A和倾斜下游部分62B，如图4所示。因此，倾斜下游部分62B有利地确保了锁定元件6不与连接元件5的通孔54接触，该通孔为连接元件5提供柔性。
锁定元件6的自由端63优选地在其整个长度上在连接元件5的中间部分52和其自由端55之间延伸，如图4所示。优选地，参考图4，在固定装置4的自由端55、63之间的径向空间“e”为大致几毫米，以限制空气从涡轮喷气发动机内部到外部的循环。
在本领域技术人员已知的将“风扇叶片飞脱”简称为FBO的故障情况下，固定装置4的自由端55，63形成邻接设备。在这种类型的故障中，废气箱3在横向于发动机轴线的方向被机械地挤压。连接元件5的自由端55有利地与锁定元件6的自由端63径向邻接，以限制应力的振幅。因此加强了固定装置4的结构属性。
锁定元件6比连接元件5的中间部分52更厚，从而通过保留最接近该柔性连接件的叶片9的片段形成对于连接元件5的保护。事实上，如图3所示，连接元件5的柔性中间部分52由锁定元件6保护，从而在与叶片9的片段撞击的情况下避免了任何损害。锁定元件6优选地具有大致5毫米的厚度。
密封元件7
优选地，参考图3和4，固定装置4包括被安装在连接元件5和锁定元件6之间的密封部件7，适合于封闭所述元件5、6之间的环形空间。换句话说，密封部件7可以防止在壳体2、3内侧循环的高能气流朝涡轮喷气发动机外部循环。缺陷密封导致飞行器推进效率的损失，这是不利的。
由于连接元件5的中间部分52包括高能气流朝外部循环的通孔54，密封部件7可以防止这种循环并避免推力的任何损失。如图4详细示出的，密封元件7为环形弯曲金属板的形式，优选地V型并由钴/镍基耐热金属合金制成，其开口向上游打开。密封部件7具有曲线主体72，其第一端71与锁定元件6的自由端63的外表面接触，以及其第二端73与连接元件5的中间部分52的内表面接触，优选地，在如图4所示通孔54的上游。密封部件7优选地支撑在与锁定元件接触的两个不同区域上(中间部分62和自由端63)。密封元件7优选地被配置成根据涡轮喷气发动机的速度变形，使得以巡航速度获得了其最佳封闭形状，高能气流—循环通过固定装置4的自由端55、63之间的径向空间“e”—使密封元件7变形。
密封元件7具有较低的质量，并且能够避免推力的任何损失，而不损害固定装置4的柔性，该柔性是有利的。
固定装置4简单以装配在低压涡轮壳体2和废气箱3之间，由于低压涡轮壳体2、锁定元件6和连接元件5的上游固定凸缘21、61、51由相同的轴向连接件B1连接，在这种情况下为螺栓连接件B1，以及连接元件5和废气箱3的下游固定凸缘53、31由轴向连接件B2连接，在这种情况下为螺栓连接件B2。安装固定装置4是快速和牢固的，轴向连接件B1、B2能够传输轴向力，不同于径向连接件，没有承受剪切力的风险。在连接元件5和锁定元件6被安装在涡轮反应器的壳体2、3上之前，密封元件7优选地被安装在连接元件5和锁定元件6之间。
在运行中，由金属制成的低压涡轮壳体2比废气箱3膨胀更多，其导致固定装置4的变形，其上游部分变直。因为固定装置4的连接元件5的柔性，不同的膨胀被固定装置4吸收。在相当大变形的情况下，例如风机叶片的损失，固定装置4的变形可能非常大。邻接设备的存在限制了该变形，当锁定元件6的自由端63与连接元件5接触时，由连接元件5接收的力能够被传输到锁定元件6。此外，锁定元件6以及连接元件5的自由端55的厚度允许固定装置4在与叶片片段撞击的情况下被保护。最后，密封元件7在涡轮喷气发动机的运行过程中具有最佳形状，以防止高能空气的任何泄漏，特别地通过连接元件5内的通孔。这能够保持涡轮喷气发动机的最佳输出。
已经描述了金属上游部件和由复合材料制成的下游部件，但是当然本发明适用于任何布置的部件，特别地由复合材料制成的上游部件和金属下游部件。
Claims (11)
1.一种用于飞行器推进的燃气涡轮发动机，所述发动机从上游到下游轴向地延伸，并包括复合部件(3)，金属部件(2)以及一种用于柔性固定所述部件(2、3)的装置(4)，所述固定装置(4)包括：
—柔性连接元件(5)，其包括通过轴向连接件(B1)连接到所述金属部件(2)的第一固定部分(51)以及通过轴向连接件(B2)连接到所述复合部件(3)的第二固定部分(53)，所述连接元件(5)包括轴向延伸自由端(55)；以及
—刚性锁定元件(6)，其包括通过轴向连接件(B1)和轴向延伸的自由端(63)连接到所述金属部件(2)的固定部分(61)，所述锁定元件(6)的自由端(63)与所述连接元件(5)的自由端(55)径向地对齐，以当发动机处于运行时限制所述连接元件(5)的变形。
2.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述锁定元件(6)的自由端(63)在所述连接元件(5)的自由端(55)的径向外侧。
3.根据权利要求1或2所述的发动机，其中，所述柔性连接元件(5)包括将所述第一固定部分(51)连接到所述第二固定部分(53)的中间部分(52)，所述中间部分(52)包括通孔(54)，以赋予所述连接元件(5)柔性。
4.根据权利要求3所述的发动机，其中，所述柔性连接元件(5)的中间部分(52)轴向地延伸。
5.根据权利要求1到4任一项所述的发动机，其中，所述固定装置包括一个安装在所述连接元件(5)和所述锁定元件(6)之间的密封部件(7)。
6.根据权利要求5所述的发动机，其中，所述密封元件(7)优选为弯曲金属片的形式。
7.根据权利要求1到6任一项所述的发动机，其中，所述连接元件(5)和所述锁定元件(6)通过相同的轴向连接件(B1)连接到所述金属部件(2)。
8.根据权利要求1到7任一项所述的发动机，其中，所述固定装置(4)的径向内部比其径向外部厚，以能够保留发动机的任何碎片。
9.根据权利要求1到8任一项所述的发动机，其中，所述锁定元件(5)比所述连接元件(5)更厚。
10.根据权利要求1到9任一项所述的发动机，其中，所述连接元件(5)的自由端(55)比其固定部件(51、53)更厚。
11.根据权利要求1到10任一项所述的发动机，其中，所述金属部件(2)是涡轮喷气发动机的涡轮壳体，并且所述复合部件(3)是涡轮喷气发动机的废气箱。
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