本发明专利技术属于燃气涡轮发动机结构技术领域，尤其涉及一种浮动式陶瓷基复材涡轮外环及其与机匣的装配结构与方法。解决因涡轮外环与机匣连接处的高热应力，易造成涡轮外环与机匣的连接部位发生局部开裂以及涡轮外环与转子叶片之间的较大径向间隙的封严效果较差问题。浮动式陶瓷基复合材料涡轮外环包括陶瓷基复合材料涡轮外环主体和浮动式连接结构。通过该浮动式连接结构不仅可以提高陶瓷基复合材料涡轮外环与涡轮机匣的连接强度和可靠性，还可以使涡轮外环沿发动机径向方向上下浮动，从而实现涡轮外环与涡轮转子叶尖间隙的自适应调节。从而有利于减小与涡轮外环与涡轮转子叶尖之间的配合间隙，提高涡轮转子叶尖封严效果，提高发动机涡轮综合效能。高发动机涡轮综合效能。高发动机涡轮综合效能。
【技术实现步骤摘要】
浮动式陶瓷基复材涡轮外环及其与机匣的装配结构与方法
[0001]本专利技术属于燃气涡轮发动机结构
，尤其涉及一种径向浮动式陶瓷基复材涡轮外环及其与机匣的装配结构与方法。
技术介绍
[0002]涡轮外环是燃气涡轮发动机的涡轮系统构件之一，其主要作用是和涡轮转子共同组成燃气通道。在发动机工作条件下，涡轮外环直接承受高温燃气流的冲刷和转子叶片的刮磨。随着高性能发动机技术的发展，发动机总体设计对涡轮外环构件的重量、使用温度和结构刚度等提出了更高的需求。
[0003]目前，陶瓷基复合材料被国际公认为是发展先进发动机高温部件最具潜力的材料之一，其综合性能指标能够很好地满足高性能涡轮外环构件的使用要求，并逐步取代传统镍基和钴基高温合金，成为制备涡轮外环的首选材料。
[0004]涡轮外环安装在涡轮机匣上，与对应的涡轮转子叶片之间具有径向间隙。间隙过大，将导致涡轮转子叶尖漏气，并显著降低发动机的效率、增加耗油率；间隙过小，又可能导致转子叶片与涡轮外环的刮擦损伤，影响发动机结构完整性。当前主要的解决途径为，在涡轮外环的流道面制备可磨耗涂层，通过其与涡轮转子叶尖的刮磨来控制径向间隙，并保证涡轮外环的结构完整性。
[0005]然而，由于陶瓷基复合材料涡轮外环(简称陶瓷基复材涡轮外环)直接与高温合金材质的机匣连接，在发动机工作时复杂的力、热环境下可能产生较大的热应力，造成涡轮外环与机匣的连接部位发生局部开裂，导致结构不完整等问题；同时，随着先进航空发动机越来越多地采用陶瓷基复合材料涡轮外环、转子叶片等构件，发动机涡轮外环与转子叶片之间的径向间隙在冷态和热态工作条件下的变化范围更大，原有的可磨耗涂层无法实现较大径向间隙的封严效果，进而严重影响航空发动机的综合效能。
技术实现思路
[0006]为了解决因陶瓷基复合材料涡轮外环与机匣连接处的高热应力，易造成涡轮外环与机匣的连接部位发生局部开裂以及发动机涡轮外环与转子叶片之间的较大径向间隙的封严效果较差问题，本专利技术提出一种浮动式陶瓷基复材涡轮外环及其与机匣的装配结构与方法。采用该技术可以增强陶瓷基复合材料涡轮外环与机匣的连接可靠性，降低热应力；同时，本专利技术所涉及的陶瓷基复合材料涡轮外环可沿发动机径向随转子叶片的回转直径自适应浮动，能够实现较大径向间隙的涡轮转子叶尖封严。
[0007]本专利技术的技术方案是：
[0008]一种浮动式陶瓷基复材涡轮外环，其特殊之处在于：包括陶瓷基复合材料涡轮外环基体和n个浮动式连接结构，其中n为大于等于3的正整数；
[0009]上述陶瓷基复合材料涡轮外环基体包括m个首尾拼接的陶瓷基复合材料涡轮外环单元，其中m为小于等于n的正整数；每个陶瓷基复合材料涡轮外环单元包括一体设置的弧
形基板、位于弧形基板外表面且与弧形基板同心的弧形基座、及铺设在弧形基板裸露外表面与弧形基座外表面的盖板；弧形基座内部开设有用于安装至少一个浮动式连接结构的安装腔室；盖板及弧形基座顶部开设有与安装腔室贯通的安装孔；盖板与弧形基座侧壁开设有与安装腔室贯通的第一冷却气流孔；
[0010]浮动式连接结构包括连接导杆、组合叠簧、平垫片和异型螺母；异型螺母、组合叠簧及平垫片从下至上依次叠层设置，位于陶瓷基复合材料涡轮外环单元的安装腔室内，且与安装孔同轴；连接导杆的下端从上至下依次穿过安装孔、平垫片及组合叠簧与异型螺母拧紧；连接导杆的上端用于与机匣连接。
[0011]进一步地，为了便于预制体定型以及浮动式连接结构组件的安装，用于安装浮动式连接结构安装腔室的周向截面为矩形。
[0012]进一步地，连接导杆包括螺杆及沿螺杆周向设置的定位凸台；螺杆下端沿径向开设贯穿螺杆的第二冷却气流孔；定位凸台在盖板上的投影面积大于安装孔面积，用于限定连接导杆的轴向位移。
[0013]进一步地，定位凸台沿螺杆径向的截面轮廓为跑道形。
[0014]进一步地，组合叠簧包括至少两个叠层设置的锥形弹簧；每个锥形弹簧可实现在其厚度方向上0.2
‑
0.5mm的径向变形协调量。根据装配空间和所需封严的径向间隙大小，可采用叠合或对合两种形式。其中叠合形式的锥形弹簧具有刚度大，能以小变形承受大载荷，适合于轴向密封间隙小的场合。对合形式的锥形弹簧则具有变形量大，缓冲吸振能力强的特点，适合于轴向密封间隙大的场合。采用具备高强度极限、屈服极限、弹性极限和疲劳极限材料，如弹簧钢等。
[0015]进一步地，当装配空间允许时，组合叠簧也可以用常规螺旋弹簧代替。
[0016]进一步地，为了防止陶瓷基复合材料涡轮外环在浮动过程中锥形弹簧与涡轮外环内壁面直接接触，不断滑动，从而导致在使用过程中锥形弹簧的磨损或发生失效。因此在涡轮外环内壁面与锥形弹簧之间加入平垫片，平垫片根据其使用部位的温度，可选用高温合金或合金钢材质。
[0017]进一步地，为了防止连接导杆与异型螺母拧紧过程中，异性螺母转动，无法拧紧的情况出现，异型螺母的至少一个侧面为平面，该平面抵靠在安装腔室的平面壁面，在拧紧过程中，实现自锁紧；异型螺母沿螺纹孔径向开设第三冷却气流孔；根据其使用部位的温度，可选用高温合金或合金钢材质。
[0018]进一步地，为了方便加工，降低加工成本，异性螺母沿螺纹孔径向的截面为类梯形截面。
[0019]进一步地，可采用点焊或锁紧丝的方式固定异型螺母，防止陶瓷基复合材料涡轮外环基体沿连接导杆中心轴发生旋转运动。
[0020]本专利技术还提供一种浮动式陶瓷基复材涡轮外环与机匣的装配结构，其特殊之处在于：机匣上开设通孔，浮动式陶瓷基复合材料涡轮外环中各个陶瓷基复合材料涡轮外环单元的连接导杆上端穿入机匣上的通孔，利用螺母拧紧实现紧固。
[0021]本专利技术还提供了上述浮动式陶瓷基复合材料涡轮外环装配方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0022](1)从下至上将异型螺母、组合叠簧和平垫片依次叠放，并放入陶瓷基复合材料涡
轮外环单元的安装腔室内，并确保与安装孔同轴放置。
[0023](2)将连接导杆由陶瓷基复合材料涡轮外环单元上方的安装孔插入，依次穿过安装孔、平垫片及组合叠簧与异型螺母拧紧；本步骤完成后即获得一组浮动式陶瓷基复合材料涡轮外环单元。
[0024](3)重复步骤(1)至(2)，直至完成所有浮动式陶瓷基复合材料涡轮外环单元，之后将所有浮动式陶瓷基复合材料涡轮外环单元首尾拼接形成整环，即为浮动式陶瓷基复合材料涡轮外环。
[0025]进一步地，其中组合叠簧可采用1
‑
8个锥形弹簧，采用叠合或对合的形式使用。
[0026]进一步地，步骤(2)中，可采用点焊或锁紧丝的方式固定异型螺母，防止陶瓷基复合材料涡轮外环基体沿连接导杆中心轴发生旋转运动。
[0027]本专利技术还提供了上述浮动式陶瓷基复合材料涡轮外环与机匣的装配方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0028]步骤1、在机匣上沿其径向开设n个通孔；
[0029]步骤2、将步骤1加工后的机匣置于浮动式陶瓷本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种浮动式陶瓷基复材涡轮外环，其特征在于：包括陶瓷基复合材料涡轮外环基体和n个浮动式连接结构，其中n为大于等于3的正整数；陶瓷基复合材料涡轮外环基体包括m个首尾拼接的陶瓷基复合材料涡轮外环单元(01)，其中m为小于等于n的正整数；每个陶瓷基复合材料涡轮外环单元(01)包括一体设置的弧形基板(11)、位于弧形基板(11)外表面且与弧形基板(11)同心的弧形基座(12)、及铺设在弧形基板(11)裸露外表面与弧形基座(12)外表面的盖板(13)；弧形基座(12)内部开设有用于安装至少一个浮动式连接结构的安装腔室(14)；盖板(13)及弧形基座(12)顶部开设有与安装腔室(14)贯通的安装孔(15)；盖板(13)与弧形基座(12)侧壁开设有与安装腔室(14)贯通的第一冷却气流孔(16)；浮动式连接结构包括连接导杆(21)、平垫片(23)、组合叠簧(22)和异型螺母(24)；异型螺母(24)、组合叠簧(22)及平垫片(23)从下至上依次叠层设置，位于陶瓷基复合材料涡轮外环单元(01)的安装腔室(14)内，且与安装孔(15)同轴；连接导杆(21)的下端从上至下依次穿过安装孔(15)、平垫片(23)及组合叠簧(22)与异型螺母(24)拧紧；连接导杆(21)的上端用于与机匣(3)连接。2.根据权利要求1所述的浮动式陶瓷基复材涡轮外环，其特征在于：安装腔室(14)的周向截面为矩形。3.根据权利要求2所述的浮动式陶瓷基复材涡轮外环，其特征在于：连接导杆(21)包括螺杆(211)，螺杆(211)的两端为螺纹段，中部为光杆，沿光杆周向设置有定位凸台(212)，定位凸台(212)在盖板(13)上的投影面积大于安装孔(15)面积；位于定位凸台(212)上方的光杆部位用于与机匣(3)配合，位于定位凸台(212)下方的光杆部位用于与平垫片(23)配合；螺杆(211)下端沿径向开设贯穿螺杆(211)的第二冷却气流孔(213)。4.根据权利要求3所述的浮动式陶瓷基复材涡轮外环，其特征在于：定位凸台(212)沿螺杆(211)径向的截面轮廓为跑道形。5.根据权利要求4所述的浮动式陶瓷基复材涡轮外环，其特征在于：组合叠簧(22)包括至少两个采用叠合或对合方式叠层设置的锥形弹簧。6.根据权利要求5所述的浮动式陶瓷基复材涡轮外环，其特征在于：锥形弹簧采用具备高强度极限、屈服极限、弹性极限和疲劳极限的材料，每个锥形弹簧可实现在其厚度方向上0.2
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0.5mm的径向变形协调量。7.根据权利要求4所述的浮动式陶瓷基复材涡轮外环，其特征在于：组合叠簧(22)为常规螺旋弹簧。8.根据权利要求1
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7任一所述的浮动式陶瓷基复材涡轮外环，其特征在于：平垫片(...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨勇，刘持栋，张晰，张紫琦，张海昇，李苗，文磊，
申请(专利权)人：西安鑫垚陶瓷复合材料有限公司，
类型：发明
国别省市：
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