CN113638774B - 一种连接件及防热失配连接装置 - Google Patents
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Abstract
为缓解CMC涡轮外环构件与金属中层机匣间连接安装结构在各个方向上的热变形失配问题，提供一种连接件和防热失配连接装置。所述连接件杆部包括减材镂空段和柱形段，所述减材镂空段由中心轴、自所述中心轴的外周表面向外延伸并相对所述中心轴径向的倾斜的多个支撑肋板和多个环绕所述中心轴布置的多个外环板构成，相邻外环板之间具有周向间隙。所述支撑肋板连接所述中心轴和所述外环板，所述中心轴和所述柱形段相接。该防热失配连接装置包含该连接件。
Description
【技术领域】
本发明涉及涡轮航空发动机的涡轮外环构件领域，特别涉及一种带有减材镂空段的连接件及防热失配连接装置。
【背景技术】
涡轮外环构件作为燃气涡轮发动机主要的涡轮静止件，其在服役状态下承受很高的环境温度。目前涡轮外环构件主要采用高温合金材料制备，但是高温环境下高温合金材料的强度和刚度会出现显著下降，进而影响涡轮外环构件的使用温度上限，并最终限制燃气涡轮发动机整体性能的提升。利用陶瓷基复合材料(CMC)替代高温合金材料制备燃气涡轮发动机涡轮外环构件，可以充分发挥CMC密度小、高温力学性能优异和热稳定性好的特点，提高涡轮外环构件的使用温度上限，并减少相关冷却气体量，对于显著提升燃气涡轮发动机的整体效能和减少污染排放具有重要作用。但是由于金属材料的热膨胀系数大于陶瓷基复合材料，在温度变化过程中CMC涡轮外环构件的热膨胀量不同于金属销钉和金属中层机匣构件，两者间的热变形差值将会在上述连接安装结构内部产生显著的热变形失配问题。例如在室温安装时，金属销钉与CMC安装通孔间为了避免振动磕碰问题要求进行紧密配合安装，两者间不预留配合间隙；但是升温过程中金属销钉的径向膨胀量大于CMC安装通孔，两者间的热变形失配问题将会导致两者接触面间产生很高的接触应力进而导致CMC结构强度失效破坏。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种连接件，其可防止被连接的部件之间产生热变形失配问题。
本发明的另一目的是提供一种防热失配的连接装置。
为实现所述目的连接件具有杆部，所述连接件的杆部包括减材镂空段和柱形段，减材镂空段包括中心轴、自中心轴的外周表面向外延伸并相对所述中心轴径向倾斜的多个支撑肋板以及多个环绕中心轴布置的多个外环板，相邻所述外环板之间具有周向间隙。所述支撑肋板连接所述中心轴和所述外环板，所述中心轴和所述柱形段相接。
在所述连接件的一个或多个实施方式中，所述多个支撑肋板沿所述中心轴呈旋转对称设置。
在所述连接件的一个或多个实施方式中，所述中心轴和所述柱形段通过螺纹连接结构进行连接或者焊接。
在所述连接件的一个或多个实施方式中，所述多个外环板的外表面位于同一柱形面上，所述柱形面位于与所述柱形段的外表面的轴向延伸方向上。
为提供防热失配目的的连接装置，包括所述连接件；CMC涡轮外环构件，外周具有外凸环形肋板；金属中层机匣，内周具有内凸环形肋板。所述外凸环形肋板具有CMC连接孔，所述内凸环形肋板具有金属连接孔；所述连接件的柱形段与所述内凸环形肋板的金属连接孔配合；所述连接件的所述减材镂空段插入所述CMC连接孔，所述多个外环板与所述CMC连接孔紧密接触配合，以使形成所述支撑肋板上产生安装预紧力。
在所述防热失配连接装置的一个或多个实施方式中，所述金属中层机匣提供两限位挡环；所述CMC涡轮外环构件提供两所述外凸环形肋板，两所述外凸环形肋板位于所述两限位挡环之间，两所述外凸环形肋板的外边缘分别抵靠在与其相邻的所述限位挡环上。
在所述防热失配连接装置的一个或多个实施方式中，所述金属中层机匣提供三个所述内凸环形肋板，两所述外凸环形肋板、三个所述内凸环形肋板沿发动机轴向间隔开交错布置，以使两所述外凸环形肋板中的任一个位于两个所述内凸环形肋板之间。
在所述防热失配连接装置的一个或多个实施方式中，所述金属中层机匣提供多个所述内凸环形肋板，与一个所述连接件相装配对应的多个所述内凸环形肋板的所述金属连接孔为圆孔，其余的所述金属连接孔为跑道形连接孔。
本发明具有以下有益效果：
连接件上的减材镂空段的外表面在与CMC连接孔相配合接触时具有较小的径向变形刚度而容易发生径向弹性变形，这将允许升温过程中减材镂空段外表面在受到CMC连接孔的内环面限制膨胀变形的同时而在两者间不会产生很大的接触应力，进而缓解变温过程中两者间的热变形失配并避免结构发生强度失效破坏。在金属中层机匣上设计加工一组圆孔和多组跑道形连接孔，圆孔用于与一个连接件紧密配合安装以保证CMC涡轮外环构件的精准安装定位；跑道形连接孔允许与其配合安装的连接件沿着指定方向进行滑动以解决被CMC连接孔完全限位固定的连接件与金属中层机匣上的金属连接孔之间的热变形失配问题。
通过设计上述带有减材镂空段的连接件和防热失配连接装置，实现了CMC涡轮外环构件与涡轮发动机金属中层机匣间的精准安装定位，并可避免振动磕碰的发生，同时，在环境温度变化的情况下缓解了CMC涡轮外环构件和金属中层机匣与连接件之间的热变形失配，避免了结构强度失效的问题，或者因为结构松弛而发生的功能失效，同时也保证了CMC涡轮外环构件具有足够的安装刚度以满足设计需要。连接安装结构的简便性有利于显著降低CMC外环构件在制备成型、后续加工和安装实施方面的技术和操作难度。
【附图说明】
本发明的上述的以及其它的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1为防热失配连接装置的分解示意图；
图2为沿图1中的A方向观察的防热失配连接装置的示意图；
图3为CMC涡轮外环构件结构示意图；
图4为金属中层机匣结构示意图；
图5为连接件的第一实施方式的示意图；
图6为连接件的第一实施方式的剖面示意图；
图7为连接件的第二实施方式的示意图；
图8为连接件的第二实施方式的剖面示意图；
图9为连接件减材镂空段的立体图；
图10为连接件减材镂空段的侧视图；
其中：1、CMC涡轮外环构件；2、连接件；3、金属中层机匣；11、CMC连接孔；12、外凸环形肋板；13、内凸环形肋板；21、减材镂空段；22、柱形段；23、帽部；24、杆部；31、金属连接孔；32、限位挡环；211、中心轴；212、支撑肋板；213、外环板；214、周向间隙；311、圆孔；312、跑道形连接孔。
【具体实施方式】
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
一种防热失配的连接装置如图1和图2所示，图1和图2具体示出CMC涡轮外环构件1，连接件2和金属中层机匣3。
另外，图1和图2还示出了CMC连接孔11，金属连接孔31，外凸环形肋板12，内凸环形肋板13，限位挡环32，连接件的帽部23。图1和图2仅示出CMC涡轮外环构件1、金属中层机匣3沿涡轮径向方向切割出的一部分，外凸环形肋板12和内凸环形肋板13均为围绕涡轮中心的环状部件。
CMC涡轮外环构件1提供了两个外凸环形肋板12，金属中层机匣3提供三个内凸环形肋板13，两个外凸环形肋板12和三个内凸环形肋板13沿发动机轴向间隔开交错布置，以使两个外凸环形肋板12中的任一个位于两个内凸环形肋板13之间。图1和图2示出的连接构型提供了由连接件2连接的多个连接点，以提供均匀可靠的连接。金属中层机匣3提供两个限位挡环32，限位挡环32可以是连续的环状结构，也可以是沿金属中层机匣3分布的多个支撑点。两个外凸环形肋板12位于两限位挡环32之间，两个外凸环形肋板12的外边缘分别抵靠在与其相邻的限位挡环32上，从而限制住CMC涡轮外环构件1在发动机轴向方向上的自由度。限位挡环32也可以其它几何形式放置于金属中层机匣3上的其他位置，只需要对CMC涡轮外环构件1起到发动机轴向限位定位作用即可。
图3示出CMC涡轮外环构件1的结构示意图，CMC涡轮外环构件1上的外凸环形肋板12上的CMC连接孔11均为圆孔。
图4示出金属中层机匣结构3示意图，金属中层机匣3提供多个内凸环形肋板13。如图1所示，对应每一个连接件2，多个内凸环形肋板13分别提供金属连接孔31，这些金属连接孔构成成为一组，可供该金属连接件2穿过，因此沿金属中层机匣3的整个周向分布有多组金属连接孔31。但在图1至图4中，仅两组金属连接孔31被显示出来。在一个优选的实施方式中，其中的一组金属连接孔31为圆孔311，其余组的金属连接孔31为跑道形连接孔312。
图5和图6示出连接件2的第一实施方式，该连接件具有一体加工成型结构。连接件2包括杆部24。在一个示例中，连接件2还包括帽部23，用于限定连接件2的轴向自由度，在另一个示例中，连接件2的轴向自由度限定不使用帽部，而是通过螺纹配合螺母特征或者是与相邻部件间进行端部顶靠的形式进行限位固定。所述杆部24包括减材镂空段21和柱形段22，柱形段22可以是中空的，也可以是实心的。
在连接件2的第一实施方式中，一体加工成型结构形式适用于采用类似精密铸造或者3D打印加工方法进行加工制备。
图7和图8示出连接件2的第二实施方式，该连接件具有分段加工成型结构。其中减材镂空段21和柱形段22以分开单独进行加工的方式制备，减材镂空段21还可以采用类似线切割加工方法快速低成本地完成制备加工。相邻减材镂空段21和柱形段22之间可以采用图8所示的螺纹连接结构进行连接，也可以采用焊接的形式连接在一起。
图9和图10示出连接件2的减材镂空段21的细节结构特征。减材镂空段21包括中心轴211、多个支撑肋板212、多个外环板213和多个周向间隙214。支撑肋板212自中心轴211的外周表面向外延伸并相对中心轴211径向的倾斜，例如呈螺旋状延展，并沿中心轴211呈旋转对称设置。外环板213环绕中心轴211布置，相邻外环板213之间具有周向间隙214。其中，支撑肋板212连接中心轴211和外环板213，中心轴211和连接件2上的柱形段22以螺纹连接结构进行连接或者焊接的方式连接。中心轴211的外环面直径，支撑肋板212的伸展形状、径向尺寸和数量，外环板213的截面形状、表面直径和数量以及周向间隙214的形状、宽度和数量可依据结构设计需要进行大小更改，无需和减材镂空段21的直径尺寸维持固定的对应关系。需保证的尺寸关系是室温安装状态下外环板213的表面与CMC安装通孔11的内环面间紧密贴合并产生一定的接触力。一般的，支撑肋板212、外环板213和周向间隙214的数量相同。
下面结合图1和图2进行安装过程的说明。首先组装CMC涡轮外环构件1和金属中层机匣3，CMC涡轮外环构件1提供两个外凸环形肋板12，金属中层机匣3提供三个内凸环形肋板13，两个外凸环形肋板12和三个内凸环形肋板13沿发动机轴向间隔开交错布置，以使两个外凸环形肋板12中的任一个位于两个内凸环形肋板13之间。金属中层机匣3还提供两个限位挡环32，两个CMC涡轮外环构件1上的外凸环形肋板12位于两个限位挡环32之间，两个外凸环形肋板12的外边缘分别抵靠在与其相邻的限位挡环32上，利用抵靠限位特征限制住CMC涡轮外环构件1在发动机轴向方向上的自由度。
室温安装状态下，再将连接件2依次交替穿过金属中层机匣3上的金属连接孔31和CMC涡轮外环构件1上的CMC连接孔11，以安装固定CMC涡轮外环构件1和金属中层机匣3。
连接件2的杆部24包括减材镂空段21和柱形段22，柱形段22通过和减材镂空段21的中心轴211以螺纹连接或者焊接的方式进行连接。
将连接件2的减材镂空段21的外表面与外凸环形肋板13上的CMC连接孔11进行配合安装，使减材镂空段21上的环绕中心轴211布置的多个外环板213的表面与CMC安装通孔11的内环面间紧密贴合并产生一定的接触力和安装预紧力，可避免预留装配间隙导致的振动磕碰问题。外环板213与中心轴211之间配置有自中心轴外周表面向外延伸并相对中心轴径向倾斜的多个支撑肋板212，同时相邻外环板213之间留有多个周向间隙214。一般的，支撑肋板212、外环板213和周向间隙214的数量相同。在温度升高的过程中，CMC涡轮外环构件1的热膨胀量不同于连接件2和金属中层机匣3，但连接件2上的减材镂空段21的外表面在与CMC连接孔11相配合接触时具有较小的径向变形刚度而容易发生径向弹性变形，这将允许升温过程中减材镂空段21外表面在受到CMC连接孔11的内环面限制膨胀变形的同时而在两者间不会产生很大的接触应力，进而缓解变温过程中两者间的热变形失配问题并避免结构发生强度失效破坏，同时减材镂空段21的存在也不会对连接件的整体变形刚度造成显著下降，进而保证整个防热失配连接装置的整体刚度以满足设计需要。
将连接件2的柱形段22的外表面与内凸环形肋板12上的金属连接孔31进行紧密配合安装。金属连接孔31的一类圆孔311与配合安装的第一个连接件2上的柱形段22紧密配合，用来实现CMC涡轮外环1的精准安装定位。金属连接孔31的其它类跑道形连接孔312与配合安装的第二个连接件2上的柱形段22紧密配合，跑道形连接孔312可以允许与之配合安装的第二个连接件2沿着指定的方向进行相对滑动，进而缓解被CMC连接孔11完全限位固定的连接件2与金属中层机匣3上的金属连接孔31之间的热变形失配问题。
通过设计具有减材镂空段21的连接件2和防热失配连接装置，实现了CMC涡轮外环构件在燃气涡轮发动机上的机械连接与安装，并缓解了CMC涡轮外环构件和金属中层机匣与连接件间连接结构的热变形失配问题，避免了因热失配应力过高而导致结构强度失效或者是结构松弛的问题以及预留间隙导致的振动磕碰问题，对实现CMC涡轮外环构件的工程应用具有重要价值。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。
Claims (8)
1.连接件，包括杆部，其特征在于，所述杆部包括减材镂空段和柱形段，所述减材镂空段包括：
中心轴；
多个支撑肋板，自所述中心轴的外周表面向外延伸并相对所述中心轴径向的倾斜；以及
多个外环板，环绕所述中心轴布置，相邻所述外环板之间具有周向间隙；
其中，所述支撑肋板连接所述中心轴和所述外环板，所述中心轴和所述柱形段相接。
2.如权利要求1所述的连接件，其特征在于，所述多个支撑肋板沿所述中心轴呈旋转对称设置。
3.如权利要求1所述的连接件，其特征在于，所述中心轴和所述柱形段通过螺纹连接结构进行连接或者焊接。
4.如权利要求1所述的连接件，其特征在于，所述多个外环板的外表面位于同一柱形面上，所述柱形面位于与所述柱形段的外表面的轴向延伸方向上。
5.防热失配的连接装置，其特征在于，包括：
如权利要求1至4中任一项所述的连接件，所述连接件为金属；
CMC涡轮外环构件，外周具有外凸环形肋板；
金属中层机匣，内周具有内凸环形肋板；
其中，所述外凸环形肋板具有CMC连接孔，所述内凸环形肋板具有金属连接孔；
所述连接件的柱形段与所述内凸环形肋板的金属连接孔配合；
所述连接件的所述减材镂空段插入所述CMC连接孔，所述多个外环板与所述CMC连接孔紧密接触配合，以使所述支撑肋板上产生安装预紧力。
6.如权利要求5所述的连接装置，其特征在于，所述金属中层机匣提供两限位挡环；所述CMC涡轮外环构件提供两所述外凸环形肋板，两所述外凸环形肋板位于所述两限位挡环之间，两所述外凸环形肋板的外边缘分别抵靠在与其相邻的所述限位挡环上。
7.如权利要求6所述的连接装置，其特征在于，所述金属中层机匣提供三个所述内凸环形肋板，两所述外凸环形肋板、三个所述内凸环形肋板沿发动机轴向间隔开交错布置，以使两所述外凸环形肋板中的任一个位于两个所述内凸环形肋板之间。
8.如权利要求5所述的连接装置，其特征在于，所述金属中层机匣提供多个所述内凸环形肋板，与一个所述连接件相装配对应的多个所述内凸环形肋板的所述金属连接孔为圆孔，其余的所述金属连接孔为跑道形连接孔。
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