连接装置、燃气涡轮发动机、连接件以及涡轮外环
技术领域
本发明特别涉及一种连接装置、燃气涡轮发动机、连接件以及涡轮外环结构。
背景技术
燃气涡轮发动机的部件常常需要耐受极高的温度，例如涡轮外环，作为航空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，并最终限制航空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航空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CMC与高温合金材料间存在的热膨胀系数差异，会导致温度变化过程中CMC涡轮外环构件与发动机金属机匣间的连接安装结构产生显著的热失配应力进而影响构件本身和连接结构的安全可靠性。
因此，本领域需要一种能够安全可靠的将不同热膨胀系数的部件相连接的连接装置、连接件以及涡轮外环，以提高燃气涡轮发动机的整体性能。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种连接装置。
本发明的一个目的是提供一种燃气涡轮发动机。
本发明的一个目的是提供一种连接件。
本发明的一个目的是提供一种涡轮外环。
根据本发明一个方面的一种连接装置，包括第一构件，具有在其外周设置的至少一个环形肋板，每个所述环形肋板沿周向具有多个第一槽，所述第一槽具有沿所述第一构件的周向间隔开的第一侧壁面、第二侧壁面以及在环形肋板的外周缘形成的槽开口，第一侧壁面、第二侧壁面相对于所述第一构件的径向倾斜，第一侧壁面、第二侧壁面之间沿所述周向的间隔距离限定所述第一槽的槽宽，朝槽开口的方向所述槽宽逐渐减小；第二构件，在第一构件的外周环绕设置；连接件，包括杆部，所述杆部包括螺纹段；以及块部，连接所述杆部，具有宽度渐扩部，所述宽度渐扩部朝所述块部的所述杆部侧的相反侧宽度逐渐增大，从而在所述宽度渐扩部的两侧形成第三斜面和第四斜面；其中，对应每个所述第一槽，设置有一个所述连接件，所述连接件的所述块部置入所述第一槽中，所述第三斜面与第一侧壁面压紧配合，所述第四斜面与第二侧壁面压紧配合，所述杆部突出所述环形肋板连接所述第二构件。
在所述连接装置的实施例中，所述第一槽的第一侧壁面与第二侧壁面的倾斜角度相同，第一侧壁面与第二侧壁面的延长线的交点位于环形肋板的外周缘。
在所述连接装置的实施例中，所述宽度渐扩部的形状为分叉状，从靠近杆部的一端起分叉形成所述第三斜面与所述第四斜面。
在所述连接装置的实施例中，所述宽度渐扩部的宽度最大处与所述第一槽的底部存在径向间隙。
在所述连接装置的实施例中，所述第一槽还具有沿所述第一构件的周向间隔开的第三侧壁面、第四侧壁面，所述第三侧壁面的一端连接所述第一侧壁面，另一端位于所述环形肋板的外周缘，所述第四侧壁面的一端连接所述第二侧壁面，另一端位于所述环形肋板的外周缘；所述第三侧壁面、第四侧壁面与所述第一构件的径向平行；所述连接件还具有宽度恒定部，在所述宽度恒定部的两侧形成第三平面和第四平面，宽度恒定部的一端与所述杆部连接，另一端与所述宽度渐扩部连接；其中，所述第三侧壁面与第三平面，第四侧壁面与所述第四平面之间存在周向的间隙。
在所述连接装置的实施例中，所述杆部还包括光段，所述光段一端与所述块部连接，另一端与所述螺纹段连接；所述第二构件设置有对应连接件贯穿的通孔，所述螺纹段通过螺栓连接结构与所述第二构件连接。
在所述连接装置的实施例中，每个所述环形肋板具有的所述多个第一槽的数量为奇数个，位于奇数个第一槽之间的中间位置的第一槽的对应连接件的光段与对应的通孔紧密配合，而其余连接件的光段与其对应的通孔之间存在沿所述光段的周向的间隙。
在所述连接装置的实施例中，所述连接装置的第二构件包括第二槽，所述第二槽包括在所述第二构件的外周设置的轴向相邻的两隔板，限定出一容置空间，与所述块部的轴向端壁卡合连接。
在所述连接装置的实施例中，所述第二构件包括在轴向分布的至少一个第二槽，其中，存在一个第二槽的所述两隔板与对应的环形肋板的轴向端壁压紧，其余的第二槽的所述两隔板与对应的环形肋板的轴向端壁存在轴向间隙。
在所述连接装置的实施例中，所述第一构件由陶瓷基复合材料制成，所述第二构件以及连接件由金属材料制成。
根据本发明的另一方面的一种燃气涡轮发动机，包括以上任意一项所述的连接装置，所述第一构件为涡轮外环，所述第二构件为中介机匣。
根据本发明的又一方面的一种连接件，包括杆部，所述杆部包括螺纹段；以及块部，连接所述杆部，具有宽度渐扩部，所述宽度渐扩部朝所述块部的所述杆部侧的相反侧宽度逐渐增大，从而在所述宽度渐扩部的两侧形成第三斜面和第四斜面。
根据本发明的再一方面的一种涡轮外环，具有在其外周设置的环形肋板，环形肋板沿周向具有多个第一槽，所述第一槽具有沿所述涡轮外环的周向间隔开的第一侧壁面、第二侧壁面以及在环形肋板的外周缘形成的槽开口，第一侧壁面、第二侧壁面相对于所述涡轮外环的径向倾斜，第一侧壁面、第二侧壁面之间沿所述周向的间隔距离限定所述第一槽的槽宽，朝槽开口的方向所述槽宽逐渐减小。
本发明的进步效果至少包括，设置具有相互压紧配合斜面的第一槽以及连接件的连接装置，利用斜面的设置缓解了热失配，保证了各安装载荷接触传递面始终保持紧密配合，可实现不同热膨胀系数的第一构件与第二构件的可靠地径向机械连接。同时，有利于降低陶瓷基外环构件在制备成型、后续加工和安装实施方面的难度，有利于金属连接件远离服役高温区，使得该结构具备较高的连接强度和可靠性以及使用温度上限。另外，对于燃气涡轮发动机而言，采用上述连接装置，除了运行更为可靠之外，由于构件的温度上限提高，也减少了对构件的冷却气体量，将提高发动机的热效率，提升发动机的整体性能。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、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，需要注意的是，附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制，其中：
图1是一实施例的连接装置的结构示意图。
图2是根据图1的连接装置的连接件以及第一槽的结构示意图。
图3是根据图1的侧向视图。
图4是根据图3的F-F剖视图。
图5是根据图1的俯视图。
图6是根据图5的P-P剖视图。
具体实施方式
下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。
另外，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此也不能理解为对本发明保护范围的限制。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
参考图1以及图2，在一些实施例中，连接装置包括第一构件1、连接件2、以及第二构件3；实施例中，连接装置位于燃气涡轮发动机，第一构件1为燃气涡轮发动机的涡轮外环，由陶瓷基复合材料制成，第二构件3为中介机匣，第二构件3在第一构件1的外周环绕设置，连接件2以及第二构件3、采用金属材料制成，在燃气发动机中，一般采用高温合金材料制成，因此连接件2、第二构件3的热膨胀系数大于第一构件1。第一构件1具有在其外周设置的至少一个环形肋板6，环形肋板6的数量可以是图1所示的两个，但不以此为限。每个环形肋板6沿周向具有多个第一槽7，第一槽7具有沿第一构件1的周向间隔开的第一侧壁面71、第二侧壁面72以及在环形肋板6的外周缘形成的槽开口73，第一侧壁面71、第二侧壁面72相对于第一构件1的径向倾斜，第一侧壁面71、第二侧壁面72之间沿周向的间隔距离限定第一槽7的槽宽D，如图1、图2所示，第一槽7的槽宽D朝槽开口73的方向逐渐减小。继续参考图1以及图2，连接件2包括杆部21以及块部22，杆部21包括螺纹段211；杆部21连接块部22，块部22具有宽度渐扩部221，宽度渐扩部221的宽度从朝杆部21侧的相反侧宽度逐渐增大，从而在宽度渐扩部221的两侧形成第三斜面2211和第四斜面2212。如图1、图2所示，对应每个第一槽7均设置有一个连接件2，连接件2的块部22置入第一槽7中，第三斜面2211与第一侧壁面71压紧配合，第四斜面2212与第二侧壁面72压紧配合，杆部21突出环形肋板6，连接至第二构件3。通过在连接件2设置第三斜面2211、第四斜面2212以及第一构件1的第一槽7设置倾斜的第一侧壁面71、第二侧壁面72，使得在发生温度变化过程中，连接件2的块部22与第一槽7之间发生沿接触切面切向方向的相对滑动，如图2的虚线箭头E的方向所示，双向箭头表示包括受热以及受冷两种温度变化情况，通过相对滑动，可以释放由于第一构件1与连接件2的材料不同而导致的两者在温度变化过程中的热变形差值，尽量减少连接件2与第一槽7之间发生沿两者接触面法线方向的相对位移而导致发生卡死的现象。而发生沿接触切面切向方向的相对滑动，既可以保持接触面上的紧密贴合，保证连接强度，也可以保证接触应力和安装预紧力基本保持恒定。
继续参考图1以及图2，第一槽7的具体结构可以是第一槽7的第一侧壁面71与第二侧壁面72的倾斜角度相同，即第一槽7的第一侧壁面71与第二侧壁面72对称，其倾斜角α满足第一侧壁面71与第二侧壁面72的延长线L1、L2的交点E位于环形肋板的外周缘。如此设置的倾斜角α可以使得连接件2的块部22与第一槽7之间在温度变化过程中只发生沿接触斜面切向方向上的相对滑动，而不存在任何沿法向位移的趋势，完全解决了第一构件1与连接件2的热失配问题。可以理解到，此时对应的连接件2的第三斜面2211和第四斜面2212的倾斜角与对应的第一侧壁面71、第二侧壁面72相同。进一步地，如图1以及图2所示，连接件2的宽度渐扩部221的形状为分叉状，从靠近杆部的一端起分叉形成第三斜面2211与第四斜面2212，本领域技术人员可以理解到，还存在其它的宽度渐扩部221结构，例如实心的宽度渐扩部221。但采用分叉状的宽度渐扩部221，获得的有益效果在于，相比于实心结构，分叉状可以起到减重的效果，这尤其对轻量化要求很高的燃气涡轮发动机适合，同时，轻量化的宽度渐扩部221，可以减小连接件热膨胀过程中可能的热应力。具体地，在一些实施例中，如图2所示，宽度渐扩部221的宽度最大处与第一槽7的底部存在径向间隙A1，如此可以为连接件2沿接触面的切向滑动预留一定的滑动空间。
继续参考图1以及图2，在一实施例中，第一槽7还具有沿所述第一构件1的周向间隔开的第三侧壁面74、第四侧壁面75，第三侧壁面74的一端连接第一侧壁面71，另一端位于环形肋板6的外周缘，第四侧壁面75的一端连接第二侧壁面72，另一端位于环形肋板6的外周缘；第三侧壁面74、第四侧壁面75与第一构件1的径向平行；相应地，连接件2还具有宽度恒定部222，在宽度恒定部222的两侧形成第三平面2221和第四平面2222，宽度恒定部222的一端与杆部21连接，另一端与宽度渐扩部221连接，其中，第三侧壁面74与第三平面2221，第四侧壁面75与第四平面2222之间存在周向的间隙A2，以预留热膨胀空间。在宽度渐扩部221与杆部21之间设置宽度恒定部222过渡，可以保证连接件2与第二构件3之间的径向连接强度。
参考图1至图4，在一些实施例中，杆部21的具体结构还包括光段212，光段212的一端与块部22连接，另一端与螺纹段211连接；第二构件3设置有对应连接件2贯穿的通孔8，螺纹段211通过螺栓连接结构与第二构件连接，安装过程中，连接件2的螺纹段211穿过了第二构件3上的通孔8而突出在中第二构件3的外环面外，然后将弹性垫片5和拧紧螺母4依次配合安装在连接件2螺纹段211上并施加拧紧力矩，至此完成了第一构件1、第二构件3之间的机械连接安装和预紧力的施加。采用螺栓连接结构，易于安装者操作，方便对预紧力进行调整，并且其承载能力更强，结构更为牢固可靠。具体地，如图3、图4所示，每个环形肋板6对应的多个第一槽7的数量为奇数个，位于奇数个第一槽7之间的中间位置的第一槽7的对应连接件2的光段212与对应的通孔8紧密配合，而其余连接件的光段212与其对应的通孔8之间存在沿光段212的周向的间隙B1，如此设置的有益效果在于，居中的第一槽7与通孔8紧密配合，进而限定第一构件1相对于第二构件3沿回转方向上的相对位移，而其余的连接件2的光段212与通孔8的配合间隙B1的存在，可以允许非居中的连接件2相对于第二构件3发生相对滑动，进而缓解第一构件1同一安装肋板6上不同连接件2与第二构件3之间的热变形失配问题。
参考图1，在一些实施例中，连接装置的具体结构还可以是，连接装置的第二构件3包括第二槽9，第二槽9的数量对应环形肋板6的数量。第二槽9包括在第二构件3的外周设置的轴向相邻的两隔板91、92，限定出一容置空间90，与连接件2的轴向端壁25(另一端壁未图示)卡合连接。如此可以实现对连接件2的面接触约束并包括环形肋板6的大部分区域，限制连接件2相对于环形肋板6沿轴向上的位移，使得连接装置更为稳定。进一步地，如图1、图5、图6所示，当第一构件1存在多个环形肋板6，第二构件3对应的也具有在轴向分布的多个第二槽9，存在一个第二槽9的两隔板91、92与对应的环形肋板6的轴向端壁压紧，而其余的第二槽9的两隔板91、92与对应的环形肋板6的轴向端壁存在轴向间隙C1。对于存在轴向间隙C1的第二槽9与环形肋板6，对应的连接件2的块部22的轴向宽度大于对应环形肋板6的轴向宽度的，从而保持连接件2的块部22与第二槽9的两隔板91、92是压紧配合的卡合连接。轴向间隙C1可以允许此环形肋板6相对于连接件2和第二构件3发生沿发动机轴向方向上的相对滑动，进而缓解第一构件1上不同环形肋板6与第二构件3之间的热变形失配问题。可以理解到，当只有一个环形肋板6时，对应只有一个第二槽9，此时第二槽9的两隔板91、92与对应的环形肋板6的轴向端壁应是压紧的，以保证连接结构的稳定性。
综上，采用上述实施例的连接装置、燃气涡轮发动机、连接件、涡轮外环的有益效果至少包括设置具有相互压紧配合斜面的第一槽以及连接件的连接装置，利用斜面的设置缓解了热失配，保证了各安装载荷接触传递面始终保持紧密配合，可实现不同热膨胀系数的第一构件与第二构件的可靠地径向机械连接。同时，有利于降低陶瓷基外环构件在制备成型、后续加工和安装实施方面的难度，有利于金属连接件远离服役高温区，使得该结构具备较高的连接强度和可靠性以及使用温度上限。另外，对于燃气涡轮发动机而言，采用上述连接装置，除了运行更为可靠之外，由于构件的温度上限提高，也减少了对构件的冷却气体量，将提高发动机的热效率，提升发动机的整体性能。
本发明虽然以上述实施例公开如上，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。
