CN117167101A - 一种涡轮外环连接结构及涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

一种涡轮外环连接结构，包括涡轮外环、中层机匣和多个连接组件，其中，连接组件包括弹性梁和连接件，弹性梁底部包括凸起部，该凸起部抵接在中层机匣外表面以使弹性梁其他部分与中层机匣之间存在间隙；连接件一端的柱体通过中层机匣及弹性梁上的通孔由中层机匣内侧穿出与弹性梁固定连接，另一端连接在涡轮外环上；弹性梁通过变形为连接件与涡轮外环提供稳定的预紧力，其与中层机匣之间的间隙用于吸收发动机沿径向产生的热变形。本发明还提供一种涡轮发动机。

Description

一种涡轮外环连接结构及涡轮发动机

技术领域

本发明属于航空发动机领域，具体涉及一种涡轮外环连接结构及涡轮发动机。

背景技术

涡轮外环作为燃气涡轮发动机主要的高温部件，在服役状态下要承受很高的环境温度，常规的高温合金材料已经越来越难以满足设计需要。因此，越来越多的航空发动机采用陶瓷基复合材料(CMC)来代替高温合金制造涡轮外环。但是，陶瓷基复合材料涡轮外环与金属材质的中层机匣物理性能相差较大，在服役过程中会发生较为明显的热变形失配问题，影响连接结构的安全性和可靠性。现有部分外环连接结构通过在螺栓的固定面上设置弹性垫圈来吸收部分热变形，然而垫圈本身也会受到温度影响，同时温度交变容易导致垫圈反复膨胀收缩，引起螺栓预紧力衰退而发生松弛。因此，提供一种能够有效吸收热变形的涡轮外环连接结构，对于提高发动机可靠性很有意义。

发明内容

本发明的目的在于，提供过一种涡轮外环连接结构，能够有效吸收涡轮外环与中层机匣的热变形。本发明还提供一种涡轮发动机。

根据本发明实施例的一个方面，提供一种涡轮外环连接结构，包括涡轮外环、中层机匣和多个连接组件，其中：所述中层机匣周向设置有至少一列沿发动机径向贯穿所述中层机匣的安装通孔；所述连接组件包括弹性梁和连接件；所述弹性梁表面贯穿设置有至少两个安装孔，所述安装孔的位置分别与所述中层机匣上相邻的安装孔对齐；所述弹性梁底部在相邻的两个所述安装孔之间设置有凸起部，抵接在所述中层机匣的外侧；所述连接件的一端配置为柱体，由中层机匣的内侧穿出并穿过所述安装通孔和所述安装孔，固定连接在弹性梁上；所述连接件的另一端配置为连接结构，用于连接所述涡轮外环；所述弹性梁通过弹性变形为连接件与涡轮外环的连接提供稳定的预紧力，所述弹性梁与所述中层机匣之间存在一定的间隙，所述间隙用于吸收沿发动机径向产生的热变形。

由于弹性梁底部设置有突起部，在装配时弹性梁发生弹性变形，使安装孔区域的弹性梁与中层机匣之间存在一定的间隙，用于吸收沿发动机径向产生的热变形，提高发动机工作状态下连接结构的稳定性；同时，弹性梁的弹性能够在不同的温度和热变形状态下为连接机构提供稳定的预紧力，避免温度交变引起紧固件松弛或发生有害振动。该连接结构无需对涡轮外环进行复杂的加工，只需在适当位置设置连接通孔，即可通过连接组件实现涡轮外环与中层机匣的有效连接。

进一步地，所述涡轮外环包括沿发动机周向向外侧凸出的安装肋板，所述安装肋板上设置有沿发动机轴向的连接通孔；所述连接件的所述连接结构配置为U形叉臂，以容许所述涡轮外环的安装肋板插入所述U形叉臂中；所述U形叉臂包括第一臂、第二臂，所述第一臂设置有第一销孔，所述第二臂设置有与所述第一销孔同轴的第二销孔，以容许利用连接销依次穿过所述第一销孔、所述连接通孔，插入到所述第二销孔中，以将所述涡轮外环与所述连接件固定在一起。该结构只需在涡轮外环上开设连接通孔就能够有效实现涡轮外环的连接，而不需要对涡轮外环进行复杂结构的加工，提高了生产效率，降低了加工难度。

进一步地，所述中层机匣外侧设置有定位凹槽，所述定位凹槽设置在相邻的两个安装通孔之间，以容许所述弹性梁的所述凸起部卡接在所述定位凹槽中，使所述弹性梁上的相邻所述安装孔与所述相邻的两个安装通孔分别对齐。定位凹槽便于装配过程中弹性梁的快速定位。

进一步地，所述弹性梁上的所述安装孔有2个，所述安装孔设置在所述弹性梁的两端。将安装孔设置在弹性梁两端能够充分利用弹性梁本身的弹性，同时便于安装。

进一步地，所述中层机匣设置有两列安装通孔，所述涡轮外环包括平行设置的第一安装肋板和第二安装肋板。两列安装肋板能够为涡轮外环提供更稳定的定位，避免涡轮外环的轴线与发动机轴线发生偏移。

进一步地，所述第一安装肋板卡接在所述U形叉臂中形成沿发动机轴向的定位，所述第二安装肋板与所述连接件配置为间隙配合。第一安装肋板为涡轮外环提供沿发动机轴向的定位，防止涡轮外环前后窜动；第二安装肋板与连接件采用间隙配合，用于吸收沿发动机轴向的热变形。

进一步地，所述涡轮外环包括周向设置的多个外环单件，每个所述外环单件的一个安装肋板上包括至少两个连接通孔，一个所述连接通孔配置为圆孔，其余所述连接通孔配置为长轴沿所述连接通孔中心连线方向的跑道孔。圆孔为涡轮外环提供沿发动机周向的定位，跑道孔用于吸收沿发动机周向的热变形。

进一步地，所述中层机匣的内表面设置有与所述连接件轮廓相匹配的定位结构以容许所述连接件由内侧卡接到所述定位结构中时，涡轮外环的轴线与发动机轴向平行。定位结构有助于连接件快速定位安装。

进一步地，所述第一销孔配置为通孔，所述第二销孔配置为盲孔。第二销孔配置为盲孔，以防止装配时连接销发生脱落。

进一步地，所述第二销孔的末端设置有通气孔。通气孔用于避免盲孔内的气压妨碍连接销的插入。

根据本发明实施例的另一个方面，提供一种涡轮发动机，采用前述任一实施例中的涡轮外环连接结构。

附图说明

图1为一实施例中涡轮外环连接结构示意图；

图2a为一实施例中中层机匣局部结构示意图；

图2b为一实施例中中层机匣局部结构示意图；

图3为一实施例中外环单件结构示意图；

图4为一实施例中弹性梁结构示意图；

图5a为一实施例中连接件结构示意图；

图5b为一实施例中连接件剖视图；

图6为一实施例中涡轮外环连接结构沿发动机纵截面剖视图；

图7为一实施例中涡轮外环连接结构沿发动机横截面剖视图。

附图标记的含义：

1-外环单件；2-中层机匣单件；3-连接组件；11-外环环壁；12-第一安装肋板；13-第二安装肋板；14-圆孔；15-跑道孔；21-中层机匣环壁；22-环壁凸缘；23-中层机匣挂钩；24-安装通孔；25-定位凹槽；26-定位结构；31-弹性梁；32-连接件；33-连接销；34-固定螺母；311-安装孔；312-凸起部；321-螺栓柱；322-第一臂；323-第二臂；324-第一销孔；325-第二销孔；326-通气孔。

上述附图的目的在于对本发明作出详细说明以便本领域技术人员能够理解本发明的技术构思，而非旨在限制本发明。为了表达简洁，上述附图仅示意性地画出了与本发明技术特征相关的结构，并未严格按照实际比例画出完整零件和全部细节。

具体实施方式

下面通过具体实施例结合附图对本发明作出进一步的详细描述。

本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本文的至少一个实施例中。在说明书的各个位置出现的该短语并不一定指代同一实施例，也并非限定为互斥的独立或备选的实施例。本领域技术人员应当能够理解，在不发生结构冲突的前提下本文中的实施例可以与其他实施例相结合。

本文的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解，例如可以是机械结构的连接，也可以是物理结构上的固定与组装。对本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

本文的描述中，“上”、“下”、“左”、“右”“横向”、“纵向”、“高度”、“长度”、“宽度”等指示方位或位置关系的术语目的在于准确描述实施例和简化描述，而非限定所涉及的零件或结构必须具有特定的方位、以特定方位安装或操作，不能理解为对本文中实施例的限制。

本文的描述中，“第一”、“第二”等术语仅用于区别不同对向，而不能理解为指示相对重要性或限定所描述技术特征的数量、特定顺序或主次关系。本文的描述中，“多个”的含义是至少两个。

根据本发明的一个实施例，提供一种涡轮外环连接结构，如图1所示，包括通过连接组件3连接起来的中层机匣和涡轮外环，其中涡轮外环和中层机匣分别由多个外环单件和中层机匣单件环绕围成。

中层机匣单件2的结构如图2a和图2b所示，以中层机匣环壁21为分界，中层机匣单件2的上部构成中层机匣的外侧，中层机匣挂钩23用于将中层机匣安装在发动机上；中层机匣单件2的下部构成中层机匣的内侧，环壁凸缘22与涡轮外环的对应结构相匹配。在中层机匣环壁21的外侧表面靠近中层机匣挂钩23的位置分别设置有两对安装通孔24，安装通孔24沿发动机径向贯穿中层机匣环壁21，在由多个中层机匣单件2围成的中层机匣中，这两对安装通孔24分别构成了两列沿发动机周向平行排列的通孔。在部分实施例中，根据机匣结构设计安装通孔24可以设置为两个或更多，安装通孔24的列数可以设置为一列或多于两列；在部分实施例中，同一列中相邻的两个安装通孔24之间设置有定位凹槽25；在部分实施例中，在中层机匣环壁21的内侧表面，还设置有定位结构26，定位结构26的位置与安装通孔24一一对应，结合图5a、图5b，定位结构26与连接件32的轮廓相匹配，当连接件32贴合在定位结构26中时，其第一销孔324和第二销孔325轴线与发动机轴向平行，进而使涡轮外环的轴线也与发动机轴向平行。

外环单件1的结构如图3所示，外环环壁11的上部构成涡轮外环的外侧，外环单件1的外侧设置有凸出的第一安装肋板12和第二安装肋板13，组成涡轮外环的多个外环单件上第一安装肋板12和第二安装肋板13分别组成两条沿发动机周向向外侧凸出的肋板环。在第一安装肋板12和第二安装肋板13上，分别设置有两个沿发动机轴向的连接通孔，其中一个为圆孔14，另一个为长轴沿连接通孔中心连线方向的跑道孔15。在组装时，每个连接通孔都与中层机匣上的安装通孔24一一对应。在部分实施例中，外环单件也可以通过挂钩结构与连接组件3进行连接。在部分实施例中，根据结构设计，外环单件上可以仅设置有一条安装肋板或设置多条安装肋板；在部分实施例中，同一条安装肋板上可以设置有一个或多个连接通孔；在部分实施例中，同一条安装肋板上可以设置两个或多个长孔。

结合图4、图5a和图6，连接组件3包括弹性梁31和连接件32。连接件32一端为螺栓柱321，螺栓柱321从中层机匣环壁21内侧经安装通孔24穿出，穿过设置在中层机匣环壁21外侧的弹性梁31上的安装孔311后，由固定螺母34拧紧固定；连接件32另一端为连接结构，该连接结构配置为包括第一臂322和第二臂323的U形叉臂，第一外环肋板12和第二外环肋板13各自插入对应的U形叉臂中，由连接销33穿过连接通孔进行固定。这样，涡轮外环便与中层机匣连接在一起。在部分实施例中，连接件32的连接结构也可以根据外环单件的结构设计配置为挂钩或卡爪等结构，螺栓柱321也可以配置为铆钉或带有倒钩的柱状弹性卡爪等其他固定结构。可以理解，在具体实施例中，根据外环单件1和中层机匣单件2具体结构的不同，上述连接关系所涉及的零件结构会有所差异。

如图4所示，在安装时弹性梁31的底部能够抵接在中层机匣环壁21的外侧；弹性梁31底部设置有凸起部312，两端各设置有一个安装孔311，在凸起部312卡接在定位凹槽25中时两安装孔311分别与中层机匣单体21上的安装通孔24对齐。在部分实施例中，弹性梁31上可以设置有多个安装孔311，在安装状态下这些安装孔311分别各自对齐一个中层机匣单体21上的安装通孔24，相邻两个安装孔311之间分别设置有一个凸起部312。在所有实施例中，弹性梁31的结构都应与中层机匣的结构设计相匹配。

如图5a和图5b所示，连接件32的第一臂322上设置有贯穿的第一销孔324，第二臂323上设置有盲孔第二销孔325，第二销孔325的盲孔末端设置有通气孔326。结合图6，在连接销33插入过程中，第二销孔325的盲孔端能够防止连接销滑出，改善装配效率；而通气孔326则能够防止盲孔内的气压妨碍连接销33的插入。在部分实施例中，第二销孔325也可以设置为通孔；在另一部分实施例中，例如在连接销33上设置有导气槽的情况下，作为盲孔的第二销孔325末端可以不设置通气孔326。

在安装状态下，如图7所示，由于弹性梁31的底部设置有凸起部312，弹性梁31的底面其他区域与中层机匣环壁21的外表面之间会存在一定间隙，在固定螺母34拧紧时弹性梁31会发生一定的弹性变形，为固定螺母34提供预紧力。而在不同的温度下，零件发生热膨胀，弹性梁31与中层机匣环壁21之间的间隙能够吸收热膨胀带来的沿发动机径向的应变；弹性梁31则通过自身弹性维持固定螺母34预紧力的相对恒定，以防止固定螺母34发生松弛。定位销33插入外环单件1的第一安装肋板12上设置的圆孔14，为外环单件1提供沿发动机周向的定位；而定位销33插入跑道孔15后，在跑道孔15的长轴方向存在一定间隙，这一间隙能够吸收零件发生热膨胀时沿发动机周向的变形。如图6所示，第一安装肋板12紧密地卡接在连接组件3的U形叉臂中从而为外环单件1提供沿发动机轴向的定位；而第二安装肋板13与连接3的U形叉臂则成间隙配合，该间隙能够吸收零件发生热膨胀时沿发动机轴向的变形，间隙配合可以通过将第二安装肋板13设置为较小的厚度或将与之对应的U形叉臂设置为较大的宽度来实现。在部分实施例中，外环单件1仅有一条安装肋板，则该安装肋板与连接组件3成过渡配合；在另一部分实施例中，外环单件1有多个安装肋板，则其中1个安装肋板紧密地卡接在连接组件3中以提供轴向定位，其余成间隙配合。

如图1至图7所示的实施例中，涡轮外环连接结构的组装过程如下：首先，在外环单件1的第一安装肋板12、第二安装肋板13的对应位置上卡接连接件32的U形叉臂，并将连接销33穿过第一销孔324、安装肋板上的连接通孔插入到第二销孔325中完成固定。接下来，将连接件32的螺栓柱321由中层机匣单件2的内侧经安装通孔24中穿出，同时使连接件32的轮廓贴合到中层机匣单件2内侧的定位结构26中。在中层机匣单件2的外侧，将弹性梁31的凸起部312卡接到定位凹槽25中，使螺栓柱321从弹性梁31的安装孔311中穿出，将固定螺母34拧紧在螺栓柱321上，调整弹性梁31两端的固定螺母34避免弹性梁31向一侧倾斜，完成固定。由此，实现了发动机涡轮外环与中层机匣的连接固定，该连接结构能够有效吸收发动机径向、周向和轴向上的热变形，提高发动机的可靠性。应当理解，在不同实施例中，根据相关零件结构的不同，上述过程的具体步骤和零件间的连接关系可能有所差异。

根据本发明的另一实施例，提供涡轮发动机，采用上述任一实施例中的涡轮外环连接结构。

上述实施例的目的在于结合附图对本发明的实施方式作出详细说明，以便本领域技术人员能够理解本发明的技术构思，而非旨在限制本发明。在本发明权利要求的范围内，对所涉及的零件结构进行优化或等效替换，以及在不发生结构和原理冲突的条件下对不同实施例中的实施方式进行结合，均落入本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种涡轮外环连接结构，包括涡轮外环、中层机匣和多个连接组件，其特征在于：

所述中层机匣周向设置有至少一列沿发动机径向贯穿所述中层机匣的安装通孔；

所述连接组件包括弹性梁和连接件；

所述弹性梁表面贯穿设置有至少两个安装孔，所述安装孔的位置分别与所述中层机匣上相邻的安装孔对齐；所述弹性梁底部在相邻的两个所述安装孔之间设置有凸起部，抵接在所述中层机匣的外侧；

所述连接件的一端配置为柱体，由中层机匣的内侧穿出并穿过所述安装通孔和所述安装孔，固定连接在弹性梁上；

所述连接件的另一端配置为连接结构，用于连接所述涡轮外环；

所述弹性梁通过弹性变形为连接件与涡轮外环的连接提供稳定的预紧力，所述弹性梁与所述中层机匣之间存在一定的间隙，所述间隙用于吸收沿发动机径向产生的热变形。

2.根据权利要求1所述的涡轮外环连接结构，其特征在于，所述涡轮外环包括沿发动机周向向外侧凸出的安装肋板，所述安装肋板上设置有沿发动机轴向的连接通孔；

所述连接件的所述连接结构配置为U形叉臂，以容许所述涡轮外环的安装肋板插入所述U形叉臂中；所述U形叉臂包括第一臂、第二臂，所述第一臂设置有第一销孔，所述第二臂设置有与所述第一销孔同轴的第二销孔，以容许利用连接销依次穿过所述第一销孔、所述连接通孔，插入到所述第二销孔中，以将所述涡轮外环与所述连接件固定在一起。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮外环连接结构，其特征在于，所述中层机匣外侧设置有定位凹槽，所述定位凹槽设置在相邻的两个安装通孔之间，以容许所述弹性梁的所述凸起部卡接在所述定位凹槽中，使所述弹性梁上的相邻所述安装孔与所述相邻的两个安装通孔分别对齐。

4.根据权利要求1或2所述的涡轮外环连接结构，其特征在于，所述弹性梁上的所述安装孔有2个，所述安装孔设置在所述弹性梁的两端。

5.根据权利要求2所述的涡轮外环连接结构，其特征在于，所述中层机匣设置有两列安装通孔，所述涡轮外环包括平行设置的第一安装肋板和第二安装肋板。

6.根据权利要求5所述的涡轮外环连接结构，其特征在于，所述第一安装肋板卡接在所述U形叉臂中形成沿发动机轴向的定位连接件，所述第二安装肋板与所述连接件配置为间隙配合。

7.根据权利要求2所述的涡轮外环连接结构，其特征在于，所述涡轮外环包括多个周向布置的外环单件，每个所述外环单件的一个安装肋板上包括至少两个连接通孔，一个所述连接通孔配置为圆孔，其余所述连接通孔配置为长轴沿所述连接通孔中心连线方向的跑道孔。

8.根据权利要求1或2所述的涡轮外环连接结构，其特征在于，所述中层机匣的内表面设置有与所述连接件轮廓相匹配的定位结构，以容许所述连接件由内侧卡接到所述定位结构中时，涡轮外环的轴线与发动机轴向平行。

9.根据权利要求2所述的涡轮外环连接结构，其特征在于，所述第一销孔配置为通孔，所述第二销孔配置为盲孔。

10.根据权利要求9所述的涡轮外环连接结构，其特征在于，所述第二销孔的末端设置有通气孔。

11.一种涡轮发动机，采用如权利要求1至10其中任一所述的涡轮外环连接结构。