包括由柔性固定裝置連接的復合部件和金屬部件的燃氣渦輪發(fā)動的制造方法
【專利摘要】一種用于飛行器推進的燃氣渦輪發(fā)動機，所述發(fā)動機從上游到下游軸向地延伸，并包括復合部件(3)，金屬部件(2)以及一種將所述部件(2、3)柔性固定在一起的裝置(4)，所述固定裝置(4)包括：柔性連接元件(5)，其包括通過軸向連接件(B1)被連接到所述金屬部件(2)的第一固定部分(51)以及通過軸向連接件(B2)被連接到所述復合部件(3)的第二固定部分(53)，所述連接元件(5)包括軸向延伸自由端(55)；以及剛性鎖定元件(6)，其包括通過軸向連接件(B1)和軸向延伸自由端(63)被連接到所述金屬部件(2)的固定部分(61)，所述鎖定元件(6)的自由端(63)與所述連接元件(5)的自由端(55)徑向地對齊，以當發(fā)動機處于運行時限制所述連接元件(5)的變形。
【專利說明】包括由柔性固定裝置連接的復合部件和金屬部件的燃氣渦輪發(fā)動機
[0001]本發(fā)明涉及用于飛行器推進的燃氣渦輪發(fā)動機的領(lǐng)域。
[0002]為了限制飛行器的燃料消耗，一種解決方案包括減少飛行器及其設(shè)備的質(zhì)量。為此，已經(jīng)提出了通過使用由復合材料制成的部件代替由金屬材料制成的部件來減少燃氣渦輪發(fā)動機的質(zhì)量。
[0003]舉例來說，已經(jīng)提出了用由本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的簡稱CMC的陶瓷基復合材料(可能或可能不是氧化類型)制成的殼體代替雙軸渦輪噴氣發(fā)動機的低壓渦輪殼體。低壓渦輪殼體通常被連接到由金屬材料制成的發(fā)動機其他部件。在CMC殼體和機械部件之間的機械連接件具有缺點，因為復合材料具有與金屬材料不同的膨脹性，例如少于四倍。因此需要將在復合部件和金屬部件之間的所謂“柔性”機械連接件放置在合適位置，以避免由于不均勻膨脹而過度地施壓復合部件。然而，該柔性連接件需要足夠的剛性以在組件之間傳輸力，以及避免被連接組件的動態(tài)響應的惡化。
[0004]如圖1所示，以斯奈克瑪推進固體(Snecma Propuls1n Solide)名義的專利申請FR2935753A1披露了在環(huán)形部件20和后體部件30之間的柔性連接件90，該環(huán)形部件20由金屬材料制成并被剛性地連接到航空發(fā)動機，該后體部件由陶瓷基復合材料制成并至少在其上游部分具有一個旋轉(zhuǎn)形狀。該柔性連接件90具有由軸向螺釘Al固定在金屬部件20上的第一端91和由徑向螺釘A2固定在由復合材料制成的后體部件30的上游部分上的第二端 92。
[0005]這種類型的柔性連接件90不適合于相當大質(zhì)量的大型發(fā)動機，由于這需要使用徑向螺釘A2—以連接柔性連接件90的第二端92到后體部件30的上游部分一對于這種類型的發(fā)動機，所述徑向螺釘受到高剪切力，這限制了它們的使用壽命。用于克服該缺點的一種解決方案是增加徑向螺釘A2的尺寸，但這將增加其質(zhì)量，這與目標要求相反。此外，徑向螺釘A2對于傳輸軸向力以及在這兩個密封部件20、30之間密封可能具有缺點。另外，由于它們的低剛度，圖1所示的柔性連接件90不能確保高度應力部件的機械強度，如渦輪殼體或排氣箱。最后，如果葉片片段分離，這種連接件可被損壞。
[0006]為了消除這些缺點的至少一些，本發(fā)明涉及一種用于飛行器推進的燃氣渦輪發(fā)動機，所述發(fā)動機從上游到下游軸向地延伸，并包括復合部件，金屬部件以及用于柔性固定所述部件的裝置，所述固定裝置包括:
[0007]—柔性連接元件，包括通過軸向連接件被連接到所述金屬部件的第一固定部分以及通過軸向連接件被連接到所述復合部件的第二固定部分，所述連接元件包括軸向延伸自由端；以及
[0008]一剛性鎖定元件，包括通過軸向連接件和軸向延伸自由端被連接到所述金屬部件的固定部分，所述鎖定元件的自由端與所述連接元件的自由端徑向地對齊，以當發(fā)動機處于運行時限制所述連接元件的變形。
[0009]所述固定裝置經(jīng)由軸向連接件被連接，以提高在復合部件和金屬部件之間的力傳輸。軸向連接件的使用壽命比受到剪切力的徑向連接件的使用壽命更長。
[0010]所述固定裝置可能，一方面，通過其柔性連接元件提供柔性，所述柔性是有利的以彌補操作過程中的不同膨脹，另一方面，通過其鎖定元件提供剛性，所述剛性限制了所述連接元件的任何過度變形并保護了所述連接件。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的固定裝置也足夠地剛性，以允許在復合部件和金屬部件之間的結(jié)構(gòu)力傳輸。
[0012]所述鎖定元件的自由端優(yōu)選地在所述連接元件的自由端的徑向外側(cè)。因此，當所述連接元件過度地變形時，所述鎖定元件的自由端與所述連接元件的自由端接觸。
[0013]所述柔性連接元件優(yōu)選地包括將所述第一固定部分連接到所述第二固定部分的中間部分，所述中間部分包括通孔，以給予所述連接元件柔性。
[0014]所述柔性連接元件的中間部分優(yōu)選地軸向延伸。因此，通過軸向延伸的其中間部分的柔性消除了所述連接元件的兩端之一的任何傾斜。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述固定裝置包括被安裝在所述連接元件和所述鎖定元件之間的密封元件。所述密封元件可避免發(fā)動機外側(cè)高能氣流的任何泄漏，特別是通過在所述連接元件內(nèi)的通孔。密封元件優(yōu)選地是彎曲金屬片的形式。
[0016]所述連接元件和所述鎖定元件優(yōu)選地通過相同的軸向連接件被連接到所述金屬部件。因此，所述固定裝置可快速地安裝在發(fā)動機上。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，與其徑向外部相比，所述固定裝置的徑向內(nèi)部很厚，以保留發(fā)動機的任何碎片。事實上，如果葉片的片段分離了，該片段在發(fā)動機內(nèi)徑向地移動，但不損害由很厚的所述固定裝置的徑向內(nèi)部保護的連接件。在該示例中，面對所述葉片的元件，也就是說，所述連接元件和所述鎖定元件的自由端，被制成為更厚。固定裝置有利地提供了，一方面，極大的柔性以可能在運行過程中補償不同膨脹以及，另一方面，極大的剛性以在發(fā)生故障的情況下保留渦輪葉片的片段。
[0018]所述鎖定元件優(yōu)選地比所述連接元件更厚。因此，所述剛性鎖定元件可以保護所述連接元件，所述連接元件薄以提供更大的柔性。這特別地有利，以在葉片片段損失的情況下保護所述連接元件。
[0019]優(yōu)選地，所述連接元件的自由端比其固定部分更厚。因此，這可以保護所述連接元件的柔性部分以及到所述復合部件的軸向連接件。優(yōu)選地，面對所述鎖定元件的自由端的所述連接元件的自由端的部分的厚度薄于不面對的部分，以限制該裝置的質(zhì)量。如果葉片片段在面對所述鎖定元件的自由端的所述連接元件的自由端的部分的區(qū)域內(nèi)丟失，所述連接件由所述鎖定元件的厚度和所述連接元件的厚度所保護。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，所述金屬部件是渦輪噴氣發(fā)動機的渦輪殼體以及所述復合部件是渦輪噴氣發(fā)動機的廢氣箱。所述廢氣箱優(yōu)選地由CMC材料制成。
[0021]在閱讀僅通過示例以及參考附圖給出的以下描述后，將更好地理解本發(fā)明，其中:
[0022]一圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)(已經(jīng)提到的)的柔性連接件的剖視圖；
[0023]一圖2是根據(jù)本發(fā)明的渦輪噴氣發(fā)動機的剖視圖，其金屬渦輪殼體和由復合材料制成廢氣箱通過柔性固定裝置連接；
[0024]—圖3是圖2的柔性固定裝置的特寫視圖；以及
[0025]一圖4是圖2的固定裝置的上游部分的特寫視圖。
[0026]應該注意的是，附圖詳細地披露了本發(fā)明，以實施本發(fā)明，但是可在適當?shù)牡胤?，所述附圖當然更好地限定本發(fā)明。
[0027]本發(fā)明將提出用于一種用于飛行器推進的渦輪噴氣發(fā)動機，但是當然本發(fā)明適用于用于飛行器推進的任何燃氣渦輪發(fā)動機。
[0028]在該示例中，渦輪噴氣發(fā)動機包括由金屬材料制成的低壓渦輪殼體以及由復合材料制成的廢氣箱，低壓渦輪殼體和廢氣箱由根據(jù)本發(fā)明的固定裝置連接；當然，本發(fā)明可應用到另一金屬部件與渦輪噴氣發(fā)動機的另一復合部件的連接。
[0029]如圖2所示，雙軸渦輪噴氣發(fā)動機從上游到下游沿軸線X軸向地延伸，并包括由金屬材料制成的軸向低壓渦輪殼體2，該軸向低壓渦輪殼體2通過固定裝置4連接到由復合材料制成的軸向廢氣箱3。軸向低壓渦輪殼體2是沿軸線X軸向地延伸的環(huán)形部件并在雙軸渦輪噴氣發(fā)動機的低壓主體I的徑向外側(cè)。參考圖2，低壓主體I包括其上安裝有徑向葉片9的低壓軸。低壓渦輪殼體2是結(jié)構(gòu)部件，其有利地可以吸收由渦輪噴氣發(fā)動機產(chǎn)生的推力，以將其傳輸?shù)狡渖习惭b有渦輪噴氣發(fā)動機的飛行器。低壓渦輪殼體2由耐熱的奧氏體合金制成并在圖3所示的固定凸緣21內(nèi)在其下游端終止。下游固定凸緣21徑向地延伸，并包括多個分布在其圓周上的開口，以使軸向連接件BI連接到固定裝置4，如下將詳細介紹。****
[0030]軸向廢氣箱3—也是環(huán)形的一被安裝在低壓渦輪殼體2的下游并且可以引導來自位于高壓渦輪上游的渦輪噴氣發(fā)動機的燃燒室的廢氣。為了減少其質(zhì)量，廢氣箱3由復合材料制成。在該示例中，廢氣箱3由本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的簡稱CMC的陶瓷基復合材料制成。如圖3所示，廢氣箱3包括在其上游端的固定凸緣31，該固定凸緣31徑向地延伸并包括多個分布在其圓周的開口，以使軸向連接件B2連接到固定裝置4，如下將詳細介紹。
[0031]如圖2和3所示，低壓渦輪殼體2和廢氣箱3通過根據(jù)本發(fā)明的柔性固定裝置4連接，以彌補在所述殼體2、3之間的不同的膨脹。參考圖3，柔性固定裝置4包括柔性的環(huán)形連接元件5和剛性的環(huán)形鎖定元件6。
[0032]柔件連梓元件5
[0033]在該示例中，柔性固定裝置4的連接元件5為整體金屬部件的形式，優(yōu)選地，由鎳基耐熱奧氏體合金制成。
[0034]如圖3所示，連接元件5從上游到下游包括用于固定低壓渦輪殼體2的上游部分51、中間部分52和用于固定到廢氣箱3的下游部分53。上游固定部分21為固定凸緣的形式，所述固定凸緣徑向地延伸以及包括多個分布在其圓周的開口，以使軸向連接件BI連接到低壓渦輪殼體2的固定凸緣21。換句話說，連接元件5在上游具有L形。
[0035]連接元件5的中間部分52在固定部分51、53之間軸向地延伸并包括分布在其圓周的通孔54，以給予連接元件5柔性。在該示例中，連接元件5包括多個直徑大約500毫米的通孔54，當然孔54的數(shù)量和尺寸可改變，以為連接元件5提供所需柔性。當然，連接元件5的中間部分52也可具有另外的形狀。連接元件5的中間部分52優(yōu)選地具有大致I到2毫米的厚度，以提供柔性。
[0036]連接元件5的下游固定部分53徑向地延伸并包括多個分布在其圓周的開口，以使軸向連接件B2連接到廢氣箱3的固定凸緣31。下游固定部分53在自由端55終止，該自由端55從下游到上游從下游固定部分53的徑向下端軸向地延伸，如圖3和4所示。因此，自由端55徑向地低于連接元件5的中間部分52。換句話說，連接元件5在下游具有U形，該U形的基部徑向地延伸以及該U形的臂軸向地延伸，如圖3和4所示。因此，因為其環(huán)形性質(zhì)和徑向通孔54的存在，連接元件5具有“鼠籠式”整體形狀。
[0037]連接元件5的自由端55比連接元件5的中間部分52更厚，從而在渦輪噴氣發(fā)動機的葉片9的片段損失的情況下，形成對固定裝置4的保護。
[0038]在該示例中，參考圖4，面對鎖定元件6的自由端63的連接元件5的自由端的部分55A的厚度比不面對的部分55B的厚度薄，以限制該裝置的質(zhì)量。事實上，如果葉片片段在面對鎖定元件的自由端63的部分55A的區(qū)域內(nèi)丟失，該連接由鎖定元件6的厚度和連接元件5的厚度所保護，這提供了足夠的保護，同時限制了質(zhì)量。優(yōu)選地，連接元件5的部分55B具有大致5毫米的厚度，而連接元件5的部分55A具有大致2毫米的厚度。
[0039]剛件鎖定元件6
[0040]仍然參考圖3，固定裝置4的鎖定元件6從上游到下游包括用于固定到低壓渦輪殼體2的上游部分61，中間部分62和自由部分63 (也稱為自由端63)。上游固定部分61為固定凸緣的形式，該固定凸緣徑向地延伸并包括多個分布在其圓周的開口，以使軸向連接件BI連接到低壓渦輪殼體2的固定凸緣21以及連接元件5的固定凸緣51，如以下將詳細描述。鎖定元件6的中間部分62在鎖定元件6的固定部分61和自由端63之間整體傾斜地延伸，使得軸向地延伸的自由端63位于連接元件5的中間部分52和其自由端55之間，如圖3所示。鎖定元件6的中間部分62優(yōu)選地包括軸向上游部分62A和傾斜下游部分62B，如圖4所示。因此，傾斜下游部分62B有利地確保了鎖定元件6不與連接元件5的通孔54接觸，該通孔為連接元件5提供柔性。
[0041]鎖定元件6的自由端63優(yōu)選地在其整個長度上在連接元件5的中間部分52和其自由端55之間延伸，如圖4所示。優(yōu)選地，參考圖4，在固定裝置4的自由端55、63之間的徑向空間“e”為大致幾毫米，以限制空氣從渦輪噴氣發(fā)動機內(nèi)部到外部的循環(huán)。
[0042]在本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的將“風扇葉片飛脫”簡稱為FBO的故障情況下，固定裝置4的自由端55,63形成鄰接設(shè)備。在這種類型的故障中，廢氣箱3在橫向于發(fā)動機軸線的方向被機械地擠壓。連接元件5的自由端55有利地與鎖定元件6的自由端63徑向鄰接，以限制應力的振幅。因此加強了固定裝置4的結(jié)構(gòu)屬性。
[0043]鎖定元件6比連接元件5的中間部分52更厚，從而通過保留最接近該柔性連接件的葉片9的片段形成對于連接元件5的保護。事實上，如圖3所示，連接元件5的柔性中間部分52由鎖定元件6保護，從而在與葉片9的片段撞擊的情況下避免了任何損害。鎖定元件6優(yōu)選地具有大致5毫米的厚度。
[0044]密封元件7
[0045]優(yōu)選地，參考圖3和4，固定裝置4包括被安裝在連接元件5和鎖定元件6之間的密封部件7，適合于封閉所述元件5、6之間的環(huán)形空間。換句話說，密封部件7可以防止在殼體2、3內(nèi)側(cè)循環(huán)的高能氣流朝渦輪噴氣發(fā)動機外部循環(huán)。缺陷密封導致飛行器推進效率的損失，這是不利的。
[0046]由于連接元件5的中間部分52包括高能氣流朝外部循環(huán)的通孔54，密封部件7可以防止這種循環(huán)并避免推力的任何損失。如圖4詳細示出的，密封元件7為環(huán)形彎曲金屬板的形式，優(yōu)選地V型并由鈷/鎳基耐熱金屬合金制成，其開口向上游打開。密封部件7具有曲線主體72，其第一端71與鎖定元件6的自由端63的外表面接觸，以及其第二端73與連接元件5的中間部分52的內(nèi)表面接觸，優(yōu)選地，在如圖4所示通孔54的上游。密封部件7優(yōu)選地支撐在與鎖定元件接觸的兩個不同區(qū)域上(中間部分62和自由端63)。密封元件7優(yōu)選地被配置成根據(jù)渦輪噴氣發(fā)動機的速度變形，使得以巡航速度獲得了其最佳封閉形狀，高能氣流一循環(huán)通過固定裝置4的自由端55、63之間的徑向空間“e” 一使密封元件7變形。
[0047]密封元件7具有較低的質(zhì)量，并且能夠避免推力的任何損失，而不損害固定裝置4的柔性，該柔性是有利的。
[0048]固定裝置4簡單以裝配在低壓渦輪殼體2和廢氣箱3之間，由于低壓渦輪殼體2、鎖定元件6和連接元件5的上游固定凸緣21、61、51由相同的軸向連接件BI連接，在這種情況下為螺栓連接件BI，以及連接元件5和廢氣箱3的下游固定凸緣53、31由軸向連接件B2連接，在這種情況下為螺栓連接件B2。安裝固定裝置4是快速和牢固的，軸向連接件B1、B2能夠傳輸軸向力，不同于徑向連接件，沒有承受剪切力的風險。在連接元件5和鎖定元件6被安裝在渦輪反應器的殼體2、3上之前，密封元件7優(yōu)選地被安裝在連接元件5和鎖定元件6之間。
[0049]在運行中，由金屬制成的低壓渦輪殼體2比廢氣箱3膨脹更多，其導致固定裝置4的變形，其上游部分變直。因為固定裝置4的連接元件5的柔性，不同的膨脹被固定裝置4吸收。在相當大變形的情況下，例如風機葉片的損失，固定裝置4的變形可能非常大。鄰接設(shè)備的存在限制了該變形，當鎖定元件6的自由端63與連接元件5接觸時，由連接元件5接收的力能夠被傳輸?shù)芥i定元件6。此外，鎖定元件6以及連接元件5的自由端55的厚度允許固定裝置4在與葉片片段撞擊的情況下被保護。最后，密封元件7在渦輪噴氣發(fā)動機的運行過程中具有最佳形狀，以防止高能空氣的任何泄漏，特別地通過連接元件5內(nèi)的通孔。這能夠保持渦輪噴氣發(fā)動機的最佳輸出。
[0050]已經(jīng)描述了金屬上游部件和由復合材料制成的下游部件，但是當然本發(fā)明適用于任何布置的部件，特別地由復合材料制成的上游部件和金屬下游部件。
【權(quán)利要求】
1.一種用于飛行器推進的燃氣渦輪發(fā)動機，所述發(fā)動機從上游到下游軸向地延伸，并包括復合部件(3)，金屬部件(2)以及一種用于柔性固定所述部件(2、3)的裝置(4)，所述固定裝置(4)包括: 一柔性連接元件(5)，其包括通過軸向連接件(BI)連接到所述金屬部件(2)的第一固定部分(51)以及通過軸向連接件(B2)連接到所述復合部件(3)的第二固定部分(53)，所述連接元件(5)包括軸向延伸自由端(55);以及 一剛性鎖定元件(6)，其包括通過軸向連接件(BI)和軸向延伸的自由端(63)連接到所述金屬部件(2)的固定部分(61)，所述鎖定元件￠)的自由端￠3)與所述連接元件(5)的自由端(55)徑向地對齊，以當發(fā)動機處于運行時限制所述連接元件(5)的變形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機，其中，所述鎖定元件￠)的自由端￠3)在所述連接元件(5)的自由端(55)的徑向外側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的發(fā)動機，其中，所述柔性連接元件(5)包括將所述第一固定部分(51)連接到所述第二固定部分(53)的中間部分(52)，所述中間部分(52)包括通孔(54)，以賦予所述連接元件(5)柔性。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)動機，其中，所述柔性連接元件(5)的中間部分(52)軸向地延伸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4任一項所述的發(fā)動機，其中，所述固定裝置包括一個安裝在所述連接元件(5)和所述鎖定元件(6)之間的密封部件(7)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)動機，其中，所述密封元件(7)優(yōu)選為彎曲金屬片的形式。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6任一項所述的發(fā)動機，其中，所述連接元件(5)和所述鎖定元件(6)通過相同的軸向連接件(BI)連接到所述金屬部件(2)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7任一項所述的發(fā)動機，其中，所述固定裝置(4)的徑向內(nèi)部比其徑向外部厚，以能夠保留發(fā)動機的任何碎片。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到8任一項所述的發(fā)動機，其中，所述鎖定元件(5)比所述連接元件(5)更厚。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到9任一項所述的發(fā)動機，其中，所述連接元件(5)的自由端(55)比其固定部件(51、53)更厚。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到10任一項所述的發(fā)動機，其中，所述金屬部件(2)是渦輪噴氣發(fā)動機的渦輪殼體，并且所述復合部件(3)是渦輪噴氣發(fā)動機的廢氣箱。
【文檔編號】F02K1/04GK104428496SQ201380034053
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年6月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月28日
【發(fā)明者】安東尼·讓-飛利浦·鮑賈德, 杰克斯·雷內(nèi)·巴特 申請人:斯奈克瑪