本申請(qǐng)涉及渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，具體涉及渦輪外環(huán)支撐裝置及發(fā)動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
1、陶瓷基復(fù)合材料因其輕質(zhì)化、耐高溫性能及高比強(qiáng)度等優(yōu)勢(shì)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用價(jià)值，尤其是渦輪外環(huán)等承受極端溫度載荷的部件。然而，該材料與金屬部件的可靠連接成為制約其工程化應(yīng)用的核心技術(shù)瓶頸。由于陶瓷基復(fù)合材料與金屬材料在物理性能上存在顯著差異，特別是線膨脹系數(shù)差異可達(dá)1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，在高溫工況下異質(zhì)材料界面極易因熱膨脹失配引發(fā)應(yīng)力集中，進(jìn)而導(dǎo)致連接結(jié)構(gòu)失效，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行安全性和壽命可靠性提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
2、現(xiàn)有技術(shù)中，渦輪外環(huán)的陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主要采用分體多扇形段式與整體環(huán)式兩種形式。其中，大型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)多采用分體式掛鉤連接結(jié)構(gòu)，通過金屬機(jī)匣的掛鉤卡槽實(shí)現(xiàn)裝配定位；而小型發(fā)動(dòng)機(jī)則探索整體式設(shè)計(jì)，采用外圓周向銷釘孔徑向定位或側(cè)邊凹槽與金屬凸臺(tái)配合的定心方案。例如，通過激光加工外環(huán)周向定位銷孔實(shí)現(xiàn)整體式渦輪外環(huán)安裝，或者，在環(huán)體側(cè)壁加工陣列式榫槽與金屬定位臺(tái)形成過盈配合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
3、然而，現(xiàn)有技術(shù)中均未考慮異種材料的非線性熱膨脹特性，缺乏梯度過渡或膨脹補(bǔ)償設(shè)計(jì)，在高溫狀態(tài)下工作時(shí)金屬與陶瓷基復(fù)合材料界面產(chǎn)生超過材料屈服強(qiáng)度的擠壓應(yīng)力，嚴(yán)重影響部件服役壽命。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N渦輪外環(huán)支撐裝置及發(fā)動(dòng)機(jī)，以解決在高溫狀態(tài)下工作時(shí)金屬與陶瓷基復(fù)合材料界面產(chǎn)生超過材料屈服強(qiáng)度的擠壓應(yīng)力的問題。
2、第一方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N渦輪外環(huán)支撐裝置，包括機(jī)匣、支撐組件和外環(huán)本體。機(jī)匣的外圍側(cè)壁上設(shè)置有進(jìn)氣孔，適于供冷卻氣體通過。支撐組件包括支撐件，所述支撐件與所述機(jī)匣的內(nèi)圍側(cè)壁相連，所述機(jī)匣的內(nèi)圍側(cè)壁與所述支撐件的外圍側(cè)壁之間構(gòu)成第一腔室，所述進(jìn)氣孔與所述第一腔室連通。所述支撐件包覆在所述外環(huán)本體的外側(cè)，且所述外環(huán)本體的外圍側(cè)壁與所述支撐件的內(nèi)圍側(cè)壁相連，所述支撐件設(shè)置有第二腔室，所述第一腔室和所述第二腔室均沿所述外環(huán)本體的周向延伸，所述支撐件的外圍側(cè)壁上設(shè)置有連通孔，所述第一腔室和所述第二腔室通過所述連通孔連通，所述支撐件的內(nèi)圍側(cè)壁上設(shè)置有出氣孔，所述出氣孔與所述第二腔室連通。
3、有益效果：通過設(shè)置連通的第一腔室和第二腔室，并引入冷卻氣體從進(jìn)氣孔流入、經(jīng)出氣孔排出，形成主動(dòng)冷卻路徑。該設(shè)計(jì)可有效降低外環(huán)本體與支撐件界面處的溫度梯度，緩解陶瓷基復(fù)合材料與金屬因熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的應(yīng)力集中，從而提高部件在高溫工況下的可靠性和壽命。
4、在一種可選的實(shí)施方式中，所述第二腔室內(nèi)設(shè)置有第一桿體、第二桿體和第三桿體，三者均設(shè)置有多個(gè)，所述第一桿體的軸向與所述外環(huán)本體的軸向平行，所述第二桿體的軸向與所述外環(huán)本體的徑向平行，所述第三桿體的軸向與所述外環(huán)本體的切線方向平行，其中，所述第一桿體、所述第二桿體和所述第三桿體兩兩相交，使得所述第二腔室內(nèi)構(gòu)成多個(gè)相互的連通的通道。
5、有益效果：通過在第二腔室內(nèi)設(shè)置多方向交叉的桿體結(jié)構(gòu)，形成復(fù)雜連通的冷卻通道網(wǎng)絡(luò)。該結(jié)構(gòu)可增強(qiáng)冷卻氣體流動(dòng)的均勻性和湍流效應(yīng)，提升散熱效率，避免局部過熱，同時(shí)增強(qiáng)支撐件的結(jié)構(gòu)剛度，減少高溫下的變形風(fēng)險(xiǎn)。
6、在一種可選的實(shí)施方式中，所述支撐件沿所述外環(huán)本體軸向的兩端分別設(shè)置有第一連接部和第二連接部，所述第一連接部設(shè)置為環(huán)形結(jié)構(gòu)，且與所述支撐件的內(nèi)圍側(cè)壁相連，所述第二連接部設(shè)置為環(huán)形結(jié)構(gòu)，且與所述支撐件的外圍側(cè)壁相連，所述外環(huán)本體沿其軸向的第一端與所述第一連接部沿其軸向的第一端相抵，所述第一連接部沿其軸向的第一端側(cè)面設(shè)置有導(dǎo)流槽，所述導(dǎo)流槽的軸向與所述外環(huán)本體的徑向平行，且所述導(dǎo)流槽與所述出氣孔連通。
7、有益效果：導(dǎo)流槽的設(shè)計(jì)將冷卻氣體定向引導(dǎo)至外環(huán)本體的軸向端面，針對(duì)高溫區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)冷卻。該定向?qū)Я骺蓛?yōu)化冷卻效率，降低外環(huán)本體與金屬支撐件接觸面的溫差，進(jìn)一步抑制熱膨脹失配應(yīng)力。
8、在一種可選的實(shí)施方式中，所述機(jī)匣的內(nèi)圍側(cè)壁沿其軸向的第一端設(shè)置有環(huán)形凸臺(tái)，且所述環(huán)形凸臺(tái)的內(nèi)圍部分沿所述機(jī)匣的軸向朝向所述支撐件的方向翻折，所述環(huán)形凸臺(tái)與所述第一連接部沿其軸向的第二端相抵。
9、有益效果：環(huán)形凸臺(tái)與翻折結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定的軸向限位，防止支撐件在熱膨脹作用下發(fā)生軸向竄動(dòng)。同時(shí)，翻折結(jié)構(gòu)增加了機(jī)匣與支撐件的接觸面積，分散界面應(yīng)力，避免局部應(yīng)力超過材料屈服強(qiáng)度。
10、在一種可選的實(shí)施方式中，所述機(jī)匣的內(nèi)圍側(cè)壁沿其軸向的第二端設(shè)置有環(huán)形槽，所述環(huán)形槽沿所述機(jī)匣的軸向靠近所述支撐件的槽壁設(shè)置有限位槽，所述第二連接部的外圍側(cè)壁設(shè)置有限位塊，所述限位塊與所述限位槽插接，其中，所述環(huán)形凸臺(tái)、所述第一連接部、所述支撐件、所述第二連接部和所述機(jī)匣的內(nèi)圍側(cè)壁構(gòu)成所述第一腔室。
11、有益效果：限位塊與限位槽的插接設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)支撐件的周向定位和約束，限制支撐件與機(jī)匣之間的相對(duì)周向位移。結(jié)合環(huán)形槽結(jié)構(gòu)，允許一定程度的軸向熱膨脹補(bǔ)償，同時(shí)保持裝配穩(wěn)定性，避免因熱變形導(dǎo)致的連接松動(dòng)。
12、在一種可選的實(shí)施方式中，所述外環(huán)本體的外圍側(cè)面設(shè)置有弧形凸起，且所述弧形凸起的延伸方向與所述外環(huán)本體的徑向平行，所述支撐件的內(nèi)圍側(cè)壁設(shè)置有與所述弧形凸起相適配的弧形凹槽。
13、有益效果：弧形凸起與凹槽的配合形成柔性接觸界面，允許外環(huán)本體在熱膨脹時(shí)沿徑向發(fā)生微小形變，通過弧面滑動(dòng)釋放部分應(yīng)力。這種設(shè)計(jì)替代剛性連接，降低了陶瓷基復(fù)合材料因脆性導(dǎo)致的界面開裂風(fēng)險(xiǎn)。
14、在一種可選的實(shí)施方式中，所述支撐組件還包括壓緊環(huán)，設(shè)置為環(huán)形結(jié)構(gòu)，設(shè)置在所述支撐件沿其軸向靠近所述第二連接部的一端設(shè)置有壓緊槽，所述壓緊槽設(shè)置為環(huán)形結(jié)構(gòu)，所述壓緊槽與所述壓緊環(huán)的外圍側(cè)壁卡接，所述壓緊環(huán)沿其軸向朝向所述外環(huán)本體的一側(cè)設(shè)置有抵接部，所述抵接部設(shè)置為環(huán)形結(jié)構(gòu)，且所述抵接部與所述外環(huán)本體相抵。
15、有益效果：壓緊環(huán)通過抵接部對(duì)外環(huán)本體施加軸向預(yù)緊力，確保高溫下外環(huán)本體與支撐件緊密貼合，確保外環(huán)本體的軸向穩(wěn)定性。
16、在一種可選的實(shí)施方式中，所述支撐組件還包括第一封嚴(yán)環(huán)，設(shè)置在所述第一連接部與所述環(huán)形凸臺(tái)之間，且所述第一封嚴(yán)環(huán)沿其軸向的兩端分別與所述第一連接部和所述環(huán)形凸臺(tái)相抵。
17、有益效果：第一封嚴(yán)環(huán)填充第一連接部與環(huán)形凸臺(tái)之間的間隙，可降低支撐組件的熱膨脹帶來的應(yīng)力水平。
18、在一種可選的實(shí)施方式中，所述支撐組件還包括第二封嚴(yán)環(huán)，設(shè)置在所述壓緊環(huán)沿其軸向背向所述外環(huán)本體的一側(cè)，且與所述壓緊環(huán)相抵。
19、有益效果：第二封嚴(yán)環(huán)可進(jìn)一步降低支撐組件的熱膨脹帶來的應(yīng)力水平。
20、第二方面，本申請(qǐng)還提供了一種發(fā)動(dòng)機(jī)，包括渦輪外環(huán)支撐裝置。
21、因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)包括渦輪外環(huán)支撐裝置，具有與渦輪外環(huán)支撐裝置相同的效果，在此不再贅述。
1.一種渦輪外環(huán)支撐裝置，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪外環(huán)支撐裝置，其特征在于，所述第二腔室(6)內(nèi)設(shè)置有第一桿體(9)、第二桿體(10)和第三桿體(11)，三者均設(shè)置有多個(gè)，所述第一桿體(9)的軸向與所述外環(huán)本體(5)的軸向平行，所述第二桿體(10)的軸向與所述外環(huán)本體(5)的徑向平行，所述第三桿體(11)的軸向與所述外環(huán)本體(5)的切線方向平行，其中，所述第一桿體(9)、所述第二桿體(10)和所述第三桿體(11)兩兩相交，使得所述第二腔室(6)內(nèi)構(gòu)成多個(gè)相互的連通的通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪外環(huán)支撐裝置，其特征在于，所述支撐件(3)沿所述外環(huán)本體(5)軸向的兩端分別設(shè)置有第一連接部(12)和第二連接部(13)，所述第一連接部(12)設(shè)置為環(huán)形結(jié)構(gòu)，且與所述支撐件(3)的內(nèi)圍側(cè)壁相連，所述第二連接部(13)設(shè)置為環(huán)形結(jié)構(gòu)，且與所述支撐件(3)的外圍側(cè)壁相連，所述外環(huán)本體(5)沿其軸向的第一端與所述第一連接部(12)沿其軸向的第一端相抵，所述第一連接部(12)沿其軸向的第一端側(cè)面設(shè)置有導(dǎo)流槽(14)，所述導(dǎo)流槽(14)的軸向與所述外環(huán)本體(5)的徑向平行，且所述導(dǎo)流槽(14)與所述出氣孔(8)連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的渦輪外環(huán)支撐裝置，其特征在于，所述機(jī)匣(1)的內(nèi)圍側(cè)壁沿其軸向的第一端設(shè)置有環(huán)形凸臺(tái)(15)，且所述環(huán)形凸臺(tái)(15)的內(nèi)圍部分沿所述機(jī)匣(1)的軸向朝向所述支撐件(3)的方向翻折，所述環(huán)形凸臺(tái)(15)與所述第一連接部(12)沿其軸向的第二端相抵。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的渦輪外環(huán)支撐裝置，其特征在于，所述機(jī)匣(1)的內(nèi)圍側(cè)壁沿其軸向的第二端設(shè)置有環(huán)形槽(16)，所述環(huán)形槽(16)沿所述機(jī)匣(1)的軸向靠近所述支撐件(3)的槽壁設(shè)置有限位槽(17)，所述第二連接部(13)的外圍側(cè)壁設(shè)置有限位塊(18)，所述限位塊(18)與所述限位槽(17)插接，其中，所述環(huán)形凸臺(tái)(15)、所述第一連接部(12)、所述支撐件(3)、所述第二連接部(13)和所述機(jī)匣(1)的內(nèi)圍側(cè)壁構(gòu)成所述第一腔室(4)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪外環(huán)支撐裝置，其特征在于，所述外環(huán)本體(5)的外圍側(cè)面設(shè)置有弧形凸起(19)，且所述弧形凸起(19)的延伸方向與所述外環(huán)本體(5)的徑向平行，所述支撐件(3)的內(nèi)圍側(cè)壁設(shè)置有與所述弧形凸起(19)相適配的弧形凹槽(20)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的渦輪外環(huán)支撐裝置，其特征在于，所述支撐組件還包括：
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的渦輪外環(huán)支撐裝置，其特征在于，所述支撐組件還包括：
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的渦輪外環(huán)支撐裝置，其特征在于，所述支撐組件還包括：
10.一種發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，包括：