CN105324584B - 具有由温度决定的自紧连接件的组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括第一和第二部件(10、20)的组件(100)，该第一和第二部件由复合材料制成并且通过至少一个紧固件系统(50)彼此抵靠在一起，该紧固件系统包括一个具有平头(31)的铆钉(30)，从该平头延伸出一个具有放大端(320)的柄部(32)，以及一个与该铆钉(30)的柄部(32)的放大端(320)配合的垫圈(40)。该铆钉(30)的头部(31)抵靠一个在该第一部件(10)中形成的埋头孔(12)，该垫圈(40)抵靠该第二部件(20)。在与抵靠该第二部件(20)的表面(42)相对的其表面(43)上，该垫圈具有一个圆锥形部分(430)。该垫圈(40)还包括一个中心埋头孔(410)，该铆钉(30)的柄部(32)的放大端(320)停靠在其表面上。

Description

具有由温度决定的自紧连接件的组件
背景技术
本发明涉及使用机械连接将由热结构复合材料制成的部件组装在一起，例如陶瓷基复合(CMC)材料或碳/碳(C/C)材料，其中，这种材料通常由多孔衬底构成，例如多孔纤维衬底，其由陶瓷基质致密化。该衬底的纤维可特别地由碳或陶瓷制成。该基质由耐火陶瓷制成，例如，例如：耐火碳化物、氮化物、硼化物或氧化物。由于使其适用于构成结构元件的它们的机械性能，以及由于它们在高温下保存这些属性的能力，热结构复合材料是显著的。
本发明更具体涉及用于将热结构复合材料制成的部件组装在一起的机械连接的空气动力学和热行为，当该部件被浸渍到高温流中时，例如当制造航空发动机的全部或部分后体组件时，例如排气锥(也称为“废气栓”)，或可变截面喷嘴的挡板。
在这些应用中，组装在一起的部件通常相对较细(几毫米的厚度)，并且它们需要满足空气动力学要求，这意味着优选使用铆钉在部件之间进行机械连接。对于用于生产航空发动机后体部件的组件，通常做法是使用铆钉，所述铆钉在该组件的一侧上具有平头(即端部为平面的截锥形头部)，该平头被接收在一个在被组装在一起的部件之一中形成的埋头孔中，而在另一侧上具有一个柱形物或垫圈，该柱形物或垫圈用于吸收在大幅膨胀的铆钉以及由几乎不膨胀的热结构复合材料制成的部件之间的不均匀膨胀。通过将铆钉头结合在该组件一侧上存在的埋头孔中，可以获得良好的空气动力学性能，但仅在该组件的这一侧上，由于该柱形物和在该组件的另一侧上一部分铆钉主体的存在产生了相当大的阻力。
在制造用于变截面喷嘴的挡板中所使用的另一解决方案包括将由热结构复合材料制成的部件与铆钉一起连接，例如以商标销售的这些，所述铆钉在一端具有头部以及在另一端具有端部，该端部被挤压并且扁平以将部件紧固在一起。然而，对于这种类型的铆钉，该铆钉主体的头部和扁平部从该组件的两侧突出，并且因此它们突出超过了该组件的流线型化。
发明内容
本发明的一个目的是提出一种使用一个或多个紧固件系统将由复合材料制成的部件组装在一起的解决方案，所述一个或多个紧固件系统具有比由复合材料制成的部件的热膨胀系数更大的热膨胀系数，该紧固件系统需要对所述组件的空气动力学性能具有很少或不具有影响。
用一种包括第一和第二部件的组件实现了该目的，所述第一和第二部件由复合材料制成并且通过至少一个紧固件系统彼此抵靠在一起，所述紧固件系统包括一个具有平头的铆钉，从所述平头延伸有一个具有放大端的柄部，以及一个与所述铆钉的柄部放大端配合的垫圈，所述铆钉的头部抵靠在一个在所述第一部件中形成的埋头孔上，所述垫圈抵靠在所述第二部件上。根据本发明，所述垫圈在与其抵靠在所述第二部件的表面相对的表面上具有一个圆锥形部分，并且所述垫圈还包括一个中心埋头孔，所述铆钉的柄部放大端停靠在其上。
因此，本发明的组件用机械连接制成，所述机械连接完全地集成在所述组件的一侧(在所述第一部分中被集成在所述埋头孔中的铆钉平头)上，并且在另一侧上具有流线型轮廓(在所述垫圈内侧被屏蔽的所述铆钉的柄部放大端在外侧上具有一个锥形部)。因此，本发明的组件可在两侧被浸渍在高温流中，该连接系统不降低空气动力学性能。
同样，所使用的紧固件系统用于通过径向膨胀施加连续的额外保持力，从而可以补偿每个紧固件系统的膨胀，特别地轴向膨胀，以及当热时保存夹持力。
在根据本发明的组件的实施例中，所述垫圈在面对所述第二部件的其表面上具有一个平面部分。
在根据本发明的组件的另一实施例中，所述垫圈在面对所述第二部件的其表面上具有一个锥形部分，所述部分抵靠在一个在所述第二部件中形成的埋头孔上。在该实施例中，所述垫圈的外表面可局部或完全地结合在所述第二部件的埋头孔中，从而进一步减少了在所述组件上所述紧固件系统的空气动力学影响。
在本发明的组件的一个方面中，所述铆钉和所述垫圈由从以下材料的至少一个选定的一种材料制成：725或718，沃斯帕洛伊合金， ，A286不锈钢以及任何其他的高性能钢。
在本发明的组件的另一方面中，所述第一和第二部件由陶瓷基复合材料制成。
在本发明的组件的又一方面中，所述第一和第二部件每一个都具有小于3毫米(mm)的厚度。
仍在本发明的组件的另一方面中，所述第一和第二部件是航空发动机后体的部件。
附图说明
从作为非限制性示例以及参考附图给出的本发明特定实施例的以下描述，本发明的其他特征和优点显而易见，其中：
·图1是示出一种根据本发明一个实施例制成的组件的图解透视图；
·图2A和2B分别是在剖面和平面视图中示出在制造图1组件中的后续步骤的图解视图；
·图3是示出了根据本发明另一实施例的组件的图解透视图；以及
·图4A和4B分别是在剖面和平面视图中示出在制造图3组件中的后续步骤的图解视图。
具体实施方式
本发明以通常方式适用于在使用一个或多个紧固件系统由复合材料制成的部件之间的任何组件，该一个或多个紧固件系统的热膨胀系数比由复合材料制成的部件的热膨胀系数大，该紧固件系统需要对该组件的空气动力学性能具有很少影响或不具有影响。
用于组装在一起的部件可具体由热结构陶瓷基复合(CMC)材料，即由一种由增强材料构成的材料制成，该增强材料由一种通过陶瓷基质致密化的耐火纤维(碳或陶瓷)制成，该陶瓷基质同样是耐火材料，即例如C/SiC、SiC/SiC、C/C-SiC等的材料。该部件也可由具有低热膨胀系数的其他热结构复合材料制成，例如C/C材料(都由碳制成的增强材料和基质)。
本发明的组件具体但不仅限于用于制造航空发动机的全部或部分后体组件时，例如排气锥(也称为“废气栓”)，或可变截面喷嘴的挡板。本发明的组件具体适于厚度较小的组装部件，例如小于或等于3毫米的组装部件。
图1、2A和2B示出了一种根据本发明一个实施例的组件。如图1所示，在由CMC热结构复合材料制成的两个部件10和20之间的组件100本身由一种包括铆钉30和垫圈40的紧固件系统50制成。更准确地，铆钉30具有一个平头31，从该平头延伸出一用于放置在部件10和20中形成的孔11和21中的柄部32，该平头31容纳在一个在部件10中形成的埋头孔12中。该垫圈40具有一个用于容纳柄部32的自由端320的中心开口41。该垫圈40还具有一个被挤压在第二部件20的外表面20a上的平面第一表面42，以及一个具有圆锥形部分430的相对的第二表面43。该垫圈40的中心开口41包括一个埋头垫圈410。特别是，铆钉30和垫圈40可由以下任一材料制成：725或718，沃斯帕洛伊合金，，A286不锈钢以及任何其他的高性能钢。
如图2A所示，铆钉30被定位，使得该柄部32穿过孔11和21，并且使得在垫圈40的第一表面42被挤压在部件20的外表面20a上同时，平头31停靠在埋头孔12中，柄部32的自由端320出现在开口41中。如图2B所示，包括中心凹槽321的该自由端320通过变平被放大，从而将该端部320的边缘压下抵靠在垫圈40的中心开口41的埋头孔410上。在根据构成该铆钉的材料以及在铆接头的帮助下热或冷时，该自由端可被放大。两个部件10和20然后通过铆接彼此固定。
仍然如图2B所示，可以看出的是，在该部件10的外表面10a旁边，该铆钉的头部31被全部容纳在埋头孔12中，并且因此对部件10的空气动力学没有影响(留下一个平面或“齐平”的表面)。在该部件20的外表面20a旁边，垫圈40的圆锥形表面43具有一个可减少空气动力学干扰的流线型轮廓，该铆钉的柄部32的放大端320被容纳在垫圈40的开口41中。
同样，当组件100受到高温时，如当其被浸渍在燃烧气体的热流中时，平头31的径向膨胀用于维持与埋头孔12的接触，尽管铆钉30轴向膨胀，这也会发生。在垫圈40中与开口41的埋头孔410接触的铆钉30的放大端部320处发生类似的补偿效应。
图3、4A和4B示出了一种根据本发明另一实施例的组件。如图3所示，在由CMC热结构复合材料制成的两个部件60和70之间的组件300本身由一种包括铆钉80和垫圈90的紧固件系统200制成，该铆钉80和垫圈90被放置在部件60和70中形成的孔61和71中。更准确地，铆钉80具有一个平头81，从该平头延伸出一用于放置在部件60和70中形成的孔61和71中的柄部82，该平头81被容纳在一个在部件60中形成的埋头孔62中。该垫圈90具有一个用于容纳柄部82的自由端820的中心开口91。该垫圈90在面对该部件70的外表面70a的其第一表面92上还具有一个圆锥形部分920，该部分与在部件70中形成的埋头孔72配合。在其相对的第二表面93上，该垫圈还具有一个圆锥形部分930。垫圈90的中心开口91包括一个埋头垫圈910。特别是，铆钉80和垫圈90可由以下任一材料制成：725或718，沃斯帕洛伊合金，，A286不锈钢以及任何其他的高性能钢。
如图4A所示，铆钉80被定位，使得该柄部82穿过孔61和71，并且使得在垫圈90的第一表面92被挤压在部件70的外表面72上时，平头81停在埋头孔62中，柄部82的自由端820出现在开口91中。如图4B所示，包括中心凹槽821的该自由端820通过变平而被放大，从而将该端部820的边缘压下抵靠在垫圈90的中心开口91的埋头孔910上。在根据构成该铆钉的材料以及在铆接头的帮助下热或冷时，该自由端可被放大。两个部件60和70然后通过铆接彼此固定。
仍然如图4B所示，可以看出的是，在该部件10的外表面60a旁边，该铆钉的头部81被全部容纳在埋头孔62中，并且因此对部件10的空气动力学没有影响(留下一个平面或“齐平”的表面)。在该部件70的外表面70a旁边，垫圈90大部分容纳在埋头孔72中，仅该垫圈的第二表面93的锥形部分930从表面70a突出一点。对于其锥形部分930，垫圈40的表面93具有一个用于减少空气动力学干扰的流线型轮廓，该铆钉的柄部82的放大端820被容纳在垫圈90的开口91中。
同样，当组件300受到高温时，如当其被浸渍在燃烧气体的热流中时，平头81的径向膨胀用于维持与埋头孔62的接触，尽管铆钉80轴向膨胀，这都将发生。在垫圈90中与开口91的埋头孔910接触的铆钉80的放大端部820发生类似的补偿效应。

Claims (7)

1.一种具有自紧连接件的组件，其包括第一部件和第二部件，所述第一部件和第二部件中的每个均由复合材料制成，所述第一部件通过至少一个紧固件系统抵靠所述第二部件，所述紧固件系统包括一个具有平的头部的铆钉，从所述平的头部延伸出一具有放大端的柄部，以及一与所述铆钉的柄部的放大端配合的垫圈，所述铆钉的头部抵靠在一个在所述第一部件中形成的埋头孔上，所述垫圈抵靠所述第二部件；
其特征在于，所述垫圈在与其抵靠所述第二部件的表面相对的其表面上具有一个圆锥形的部分，所述垫圈具有一减小空气动力学干扰的流线型轮廓，所述垫圈还包括一个中心埋头孔，所述铆钉的柄部的放大端抵靠所述中心埋头孔。
2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述垫圈在面对所述第二部件的其表面上具有一个平面部分。
3.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述垫圈在面对所述第二部件的其表面上具有一个圆锥形的部分，该部分抵靠在所述第二部件中形成的埋头孔。
4.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述铆钉和所述垫圈由从以下材料中的至少一种选定的材料制成：725或718， A286不锈钢。
5.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述第一和第二部件由陶瓷基体复合材料制成。
6.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述第一和第二部件中的每个都具有小于3毫米的厚度。
7.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述第一和第二部件是航空发动机的后体的部件。
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