CN105556136B - 具有温度自锁连接的装配件 - Google Patents

Abstract

一种装配件(100)，包括由复合材料制成的第一部件(10)和第二部件(20)，通过至少一个紧固件系统(50)使所述第一部件和所述第二部件靠在一起，所述紧固件系统包括螺栓(30)和螺母(40)，所述螺栓具有延伸出螺纹部分(32)的平头(31)，所述螺母具有延伸出柄(42)的平头(41)，所述柄(42)包括适于与所述螺栓(30)的螺纹部分(32)配合的攻丝(43)。所述螺栓(30)的头(31)抵靠形成在所述第一部件(10)中的埋头孔(12)。所述螺母(41)的头抵靠形成在所述第二部件(20)中的埋头孔(22)。所述紧固件系统(50)在其轴向膨胀期间适于使每一头(31、41)向容纳该每一头的埋头孔(12、22)倾斜。

Description

具有温度自锁连接的装配件

背景技术

本发明涉及采用机械连接装置来将由诸如陶瓷基复合(CMC)材料或碳/碳(C/C)材料等热结构复合材料制成的部件装配在一起，其中，这类材料通常由多孔衬底组成，例如，由陶瓷基体增密的多孔纤维衬底。特别地，该衬底的纤维可由碳或陶瓷制成。该基体可由耐火陶瓷制成，例如，耐火碳化物、氮化物、硼化物或氧化物。热结构复合材料引人注目，这是由于其具有卓越的机械性能而适于构成结构元件，且能够在高温保持这些性能。

更具体地，本发明涉及机械连接装置的空气动力和热性能，所述机械连接装置用于在由热结构复合材料制成的部件将要浸入到高温蒸汽中时将该部件装配在一起，例如，当为诸如尾喷管(也称为“排气塞”)或可变截面喷嘴调节片的航空发动机装配全部或部分后体装配件时。

在这些应用领域中，装配在一起的部件通常比较精细(厚度只有几毫米)，且需要满足空气动力学要求，这意味着优先选用铆钉来连接所述部件之间的机械连接装置。对于用来制造航空发动机后体部件的装配件而言，一般的做法是采用铆钉，该铆钉在该装配件的一侧具有平头(即头是截头圆锥形而端部是平的)，该平头容纳于形成在待装配部件之一的埋头孔之中；该铆钉在该装配件的另一侧用柱形物或垫圈来弥补铆钉之间的差胀，铆钉膨胀较大，而由热结构复合材料制成的部件则膨胀很小。将铆钉的头融合入存在于所述装配件一侧的埋头孔，可以获得良好的空气动力性能。但是，只能在所述部件的所述一侧获得良好的空气动力性能，这是因为存在于所述装配件的另一侧的柱形物和铆钉体的一部分会产生相当大的拉力。

另一方案用于制造变截面喷嘴的调节片，其在于用铆钉将由热结构复合材料制成的部件连接在一起，比如，以商标出售的铆钉，所述铆钉的一端具有头而另一端具有端部，所述端部被压平以将所述部件扣紧。然而，用该类型的铆钉，所述头和该铆钉体的压平部分从该装配件的任一侧伸出，从而伸出装配件的流线之外。

发明内容

本发明的目的是提出一项使用一种或多种紧固件系统将由复合材料制成的部件装配在一起的解决方案，该紧固件系统的热膨胀系数大于由复合材料制成的部件的热膨胀系数，有必要使该紧固件系统对该装配件的空气动力性能影响很小，甚至没有影响。

该目的是由一种装配件来实现的，该装配件包括由复合材料制成的第一部件和第二部件，通过至少一个紧固件系统使一部件抵靠另一部件，所述紧固件系统包括螺栓和螺母，所述螺栓具有延伸出螺纹部分的平头，所述螺母具有延伸出柄的平头，所述柄包括适于与所述螺栓的螺纹部分配合的攻丝，所述螺栓的头抵靠形成在所述第一部件中的埋头孔，所述螺母的头抵靠形成在所述第二部件中的埋头孔，在所述紧固件系统轴向膨胀期间，所述紧固件系统适于使所述两个头中的至少一个向容纳该两个头中的至少一个的埋头孔倾斜。

因此，本发明的装配件是由机械连接装置制成的，所述机械连接装置集成在连接处的两面，即，机械连接装置不会伸出所述装配在一起的部件的外表面之外。因此，本发明的装配件可浸入到高温流的两面，而不降低该连接系统的空气动力性能。

此外，所用紧固件系统设计目的在于：由该系统(高温期间该系统会倾斜)的头的至少一个施加附加的夹持力，从而使得能够对每一紧固件系统的膨胀(尤其是轴向膨胀)进行补偿，且在温度上升时保持夹持力。

在根据本发明所述装配件的一实施例中，该紧固件系统的平头的至少一个包括多个径向槽且具有一角度，该角度大于所述部件的容纳该平头的至少一个的埋头孔的角度，所述头在所述埋头孔中承受预应力。因此，当该装配件暴露于高温流之中时，该紧固件系统膨胀，而先前处于预应力状态的该头向容纳该头的埋头孔倾斜。通过以这种方式倾斜，该头施加附加力，该附加力使得该紧固件系统能够在高温时保持其施加在所述部件上的夹持力。

根据本发明所述装配件的一方面，所述螺栓和所述螺母由选自如下的至少一种材料制成：625或718，A286不锈钢和任何其他高性能钢。

在本发明另一实施例中，该紧固件系统包括橛子，该橛子在紧固系统中在该螺栓的头和该螺母的头之间延伸；该橛子的热膨胀系数大于所述螺栓和所述螺母的热膨胀系数。因此，当该装配件受到高温时，例如，当该装配件浸入到燃烧气体的热流中，该橛子比该紧固件系统膨胀得更加厉害，且该橛子分别通过其底端和顶端向该螺栓和该螺母的头的内部部分施加推力。在该橛子轴向膨胀期间，所述头向容纳该投的埋头孔倾斜，且每一头对所述部件施加力，从而使得该紧固件系统能够在高温时保持其施加在所述部件上的夹持力。

根据本发明所述装配件的一方面，所述螺栓和所述螺母由718(CTE_600℃＝14.8)制成，而所述橛子由A286不锈钢(配方26NCT25且CTE_600℃＝18)制成。根据本发明所述装配件的同一方面，所述螺栓和所述螺母由钛(CTE_600℃＝9.9)制成，而所述橛子由(CTE_600℃＝14.6)制成。

根据本发明所述装配件的另一方面，所述螺栓的头和所述螺母的头各自包括槽。所述槽可在该橛子膨胀和收缩期间促进所述头的弹性变形。

根据本发明所述装配件的另一方面，所述第一部件和第二部件由陶瓷基复合材料制成。

根据本发明所述装配件的又一方面，所述第一部件和第二部件各自具有小于3毫米(mm)的厚度。

根据本发明所述装配件的再一方面，所述第一部件和第二部件是航空发动机的后体部件。

附图说明

本发明的其他特征和优点详见本发明具体实施例(非限制性的，结合附图说明)的以下描述，图中：

图1是显示根据本发明一实施例的装配件的透视示意图；

图2A和图2B分别是显示冷却时图1中装配件的剖视图和俯视图；

图3A和图3B分别是显示图1中装配件暴露于高温流时该装配件的剖视图和俯视图；

图4是显示根据本发明一实施例的装配件的透视示意图；

图5是显示冷却时图4中装配件的剖视图；以及

图6是显示图4中装配件暴露于高温时该装配件的剖视图。

具体实施方式

本发明以通用方式应用于采用一种或多种紧固件系统的由复合材料制成的部件之间的任何装配件。该紧固件系统的热膨胀系数大于由复合材料制成的部件的热膨胀系数，有必要使该紧固件系统对该装配件的空气动力性能产生很小冲击力甚至不产生冲击力。

用于装配在一起的部件可具体由热结构陶瓷基复合(CMC)材料制成，例如，由增强材料构成的材料制成，该增强材料由耐火纤维(碳或陶瓷纤维)制成，该耐火纤维由也是耐火材料的陶瓷基体(例如C/SiC、SiC/SiC或C/C-SiC等材料)来致密。所述部件也可由具有低热膨胀系数的其他热结构复合材料制成，例如C/C材料(增强材料和基体都由碳制成)。

本发明的装配件可特别地(但不限于)用于制造航空发动机的全部或部分后体装配件，例如尾喷管(也称为“排气塞”)或可变截面喷嘴调节片。

图1、2A、2B、3A和3B示出根据本发明一实施例的一种装配件。如图1所示，由热结构CMC材料制成的两个部件10和20之间的装配件100本身是通过紧固件系统50来完成的，该紧固件系统50包括置于孔11和孔21中的螺栓30和螺母40，所述孔11和孔21形成在所述部件10和部件20之中。更准确地，该螺栓30具有平头31，从该平头31延伸出螺纹部分32，该平头31容纳在形成在部件10中的埋头孔12之中。该螺母40也具有平头41，从所述平头41延伸出柄42，所述柄42包括适于与所述螺栓30的螺纹部分32配合的攻丝43。所述螺母40的平头41容纳在形成在部件20中的埋头孔22之中。特别地，该螺母和该螺栓可由以下任一种材料制成：625或718，A286不锈钢和任何其他高性能钢。

在当前所述的实施例中，该平头31和41各自具有多个径向槽310和410。并且，该螺栓30的平头31具有角度β₃₁，该角度β₃₁大于容纳该平头的埋头孔12的角度α₁₂。同样地，该螺母40的平头41具有角度β₄₁，该角度β₄₁大于容纳该平头的埋头孔22的角度α₂₂。如图2A和2B所示，该螺栓30旋入该螺母40中，产生的夹持力使得平头31和41在其各自的埋头孔12和22中承受预应力。在承受预应力的状态下，由于槽310和410的存在，使得头31和41能够弹性变形。

当该装配件100承受高温时，例如当该装配件100浸入到燃烧气体的热流中时，该紧固件系统尤其在如图3A所示的轴向方向D_A膨胀。在该紧固件系统轴向膨胀期间，先前在其各自埋头孔12和22中承受预应力的平头31和41然后向容纳该平头的埋头孔倾斜。槽310和410处于放松配置(rest configuration)中，如图3B中针对头41中的槽410所示出的。头31和41然后分别对所述部件10和20施加力E_M31和E_M41，该施加的力使得该紧固件系统能够在高温时保持其施加在所述部件上的夹持力。一旦冷却，该装配件100回到如图2A和2B所示的冷配置。

图4、5和6显示的是根据本发明的另一实施例的装配件。如图4所示，由热结构CMC材料制成的两个部件60和70之间的装配件300本身是通过紧固件系统200来制成的，该紧固件系统200包括置于孔61和孔71中的螺栓80和螺母90，所述孔61和71形成在所述部件60和70之中。更准确地，该螺栓80具有平头81，从该平头81延伸出螺纹部分82，该平头81容纳在形成在部件60中的埋头孔62之中。该螺母90也具有平头91，从所述平头91延伸出柄92，所述柄92包括用于与所述螺栓80的螺纹部分82配合的攻丝93。所述螺母90的平头91容纳在形成在部件70中的埋头孔72之中。

在当前所述的实施例中，当对紧固件系统200进行装配时，橛子110也被插入到在螺栓80和螺母90之间限定的内体积101之中(图5)。该橛子110的尺寸被定为该橛子110与该螺栓80和该螺母90的头81和91相接触。更准确地，该橛子110的底端111与该螺栓80的头81的与其连接所述螺纹部分82的部分在同一水平上的内部部分810相接触，该内部部分。而该橛子110的顶端112与该螺母90的头91的与其连接所述柄92的部分在同一水平上的内部部分910相接触。

该橛子110的热膨胀系数(CTE)大于该螺栓80和该螺母90的热膨胀系数。因此，当装配件300承受高温时，例如，当该装配件300浸入到燃烧气体的热流中时，该橛子110比该紧固件系统200膨胀得更加厉害，且该橛子分别通过其底端111和顶端112向所述头81和91的内部部分810和910施加推力F₁₁₁和F₁₁₂(图6)。在该橛子110轴向膨胀期间，所述头81和91向容纳该头的埋头孔倾斜。所述头81和91然后分别对所述部件60和70施加力E_M81和E_M91，从而使得该紧固件系统能够在高温时保持其施加在所述部件上的夹持力。一旦冷却，该装配件100回到如图5所示的冷配置。

通过非限制性示例，所述螺栓和所述螺母由718(CTE_600℃＝14.8)制成，而所述橛子由A286不锈钢(配方26NCT25且CTE_600℃＝18)制成。在另一非限制性变型中，所述螺栓和所述螺母由钛(CTE_600℃＝9.9)制成，而该橛子由(CTE_600℃＝14.6)制成。

在当前所述的实施例中，该橛子110还具有中央肩部113，该中央肩部113使得该橛子110在该内体积101之中保持在位，且使得能够平衡施加在所述头81和91上的推力。此外，在当前所述的实施例中，所述头81和91各自包括槽810和910，所述槽810和910可在该橛子110膨胀和收缩期间促进所述头的弹性变形。

Claims (10)

1.一种装配件，包括由复合材料制成的第一部件和第二部件，通过至少一个紧固件系统使一部件抵靠另一部件，所述紧固件系统包括螺栓和螺母，所述螺栓具有延伸出螺纹部分的平头，所述螺母具有延伸出柄的平头，所述柄包括适于与所述螺栓的螺纹部分配合的攻丝，所述螺栓的平头抵靠形成在所述第一部件中的埋头孔，所述螺母的平头抵靠形成在所述第二部件中的埋头孔，在所述紧固件系统轴向膨胀期间，所述紧固件系统适于使所述两个平头中的至少一个向容纳该两个平头中的至少一个的埋头孔倾斜；其中，所述紧固件系统的至少一个平头具有一角度(β₃₁、β₄₁)，在所述紧固件系统的轴向膨胀期间，所述角度(β₃₁、β₄₁)增加，从而允许所述倾斜朝向埋头孔。

2.根据权利要求1所述的装配件，其特征在于：所述紧固件系统的平头中的至少一个包括多个径向槽且具有一角度(β₃₁、β₄₁)，所述角度(β₃₁、β₄₁)大于所述部件的容纳该平头中的至少一个的埋头孔的角度(α₁₂、α₂₂)，其中，至少一个平头在所述埋头孔中承受预应力。

3.根据权利要求2所述的装配件，其特征在于：所述螺栓和所述螺母由选自如下的至少一种的材料制成：625或718、A286不锈钢。

4.根据权利要求1所述的装配件，其特征在于：所述紧固件系统包括橛子，所述橛子在所述紧固件系统中在所述螺栓的平头和所述螺母的平头之间延伸；所述橛子的热膨胀系数大于所述螺栓和所述螺母的热膨胀系数。

5.根据权利要求4所述的装配件，其特征在于：所述螺栓和所述螺母由718制成，而所述橛子由A286不锈钢制成。

6.根据权利要求4所述的装配件，其特征在于：所述螺栓和所述螺母由钛制成，而所述橛子由制成。

7.根据权利要求1所述的装配件，其特征在于：所述螺栓的平头和所述螺母的平头各自包括槽。

8.根据权利要求1所述的装配件，其特征在于：所述第一部件和第二部件由陶瓷基复合材料制成。

9.根据权利要求1所述的装配件，其特征在于：所述第一部件和第二部件各自具有小于3mm的厚度。

10.根据权利要求1所述的装配件，其特征在于：所述第一部件和第二部件是航空发动机的后体部件。