专利名称：板条和环形陶瓷基复合材料喷嘴的制作方法
技术领域：
本发明涉及陶瓷结构，并具体涉及用于高温应用的陶瓷结构，其中高温应用例如 在发动机中，特别是在发动机排气喷嘴中。本发明通过结合此类应用被描述，但也可用于其 他应用。
背景技术：
陶瓷基复合材料(CMC)技术领域中的新发展正在开辟新的应用领域。传统上，这 些材料的生产成本极高并且显示相对低的强度和韧性。新发展降低了制造成本并且改进了 这些材料系统的强度和韧性。这些改进以及陶瓷基复合材料在高温处展现的能力使得在飞 机发动机和其他高温应用中使用陶瓷基复合材料成为可能。陶瓷基复合材料提供了降低重 力分量的潜在能力并且可在比传统金属部件达到的更高运行温度下使用这种材料。用于组成飞机的陶瓷基复合材料和金属部件可能遭受极端的热条件，其中所述 结构必须能够承受一系列条件中相对高的热负载。特别地，发动机的零件可能遭受超过 1300下的温度。由于其强度一重量比率和其对热应力的抵抗能力，所以这种零件更多地使 用陶瓷基复合材料。然而，由于一般陶瓷基复合材料具有比金属更低的热膨胀系数，所以陶 瓷基复合材料和金属部件的接合处出现了问题。这导致在陶瓷基复合材料和金属部件之间 接合点处的热应力，这可进一步致使陶瓷基复合材料部件不可用。特别关注的一个部件是发动机排气喷嘴。一般地，飞机发动机排气喷嘴具有固定 排出区域。在过去，排气喷嘴由金属制成，但一直致力于摆脱过大重量并且使得在更高气体 温度下可用，所以现在正在研究使用陶瓷基复合材料的发动机排气喷嘴。应用陶瓷基复合 材料的喷嘴面临诸多困难。喷嘴一般以一体形式制造。随着发动机温度的升高，金属发动 机截面以比陶瓷基复合材料排气喷嘴更大的速率膨胀，从而导致使陶瓷基复合材料部件不 可用的热应力。贯穿壁厚的热梯度也导致限制结构容量的连续箍状(或环状)结构(作为 排气喷嘴)中的高压力。最后，虽然陶瓷基复合材料比一体陶瓷对裂缝更有抵抗能力，但是 它们与金属结构相比更易损坏。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了组合的陶瓷基复合材料(CMC)/金属喷嘴结构，其 一般包括多个陶瓷基复合材料的板条，所述板条被附连至轴向设置的一个或多于一个支撑 环。这种结构将稳定地膨胀，以最小化由于陶瓷基复合材料和金属部件热膨胀系数的不同 以及贯穿壁厚的热梯度而产生的热应力。如果被损坏，本发明的喷嘴结构易于维修。如应 用至例如喷气发动机的发动机排气喷嘴，支撑环提供了板条之间的负载路径以及用于附连 排气喷嘴至金属发动机的基底。板条被在相邻板条之间带有小间隙地固定至支撑环，以容 纳由于陶瓷基复合材料和金属部件热膨胀系数的不同以及贯穿壁厚的热梯度而出现的相 对移动。在板条之间需要密封件，以基本消除板条之间的气流。这可通过重叠板条、在接合 处应用顺从的密封材料或者通过这些方法的组合来完成。产生的喷嘴结构不仅是更可用的并且当与同等尺寸的一体的陶瓷基复合材料结构相比较时，其具有更低的制造成本。根据本发明的另一方面，提供了包括多个板条的发动机排气喷嘴，所述板条由陶 瓷基复合材料形成。所述每个板条的一端被附连至发动机，并且所述多个板条通过至少一 个支撑环以喷嘴形状支撑，所述至少一个支撑环与板条的发动机端侧间隔。对于非常短的 板条，单个支撑环可能是足够的。本发明还提供了用于从发动机导出排气的方法，通过提供由多个喷嘴板条形成的 排气导管，喷嘴板条具有基本低于排气导管所附连的发动机部件的热膨胀系数，其中多个 陶瓷板条中的每个板条都具有并列设置的上边缘和下边缘，从而上边缘和下边缘在相邻板 条的表面重叠，由此形成基本消除相邻板条之间的空气动力学流动的密封。
上文讨论的特征、功能和优点可独立于本发明的格格实施例实现或者可在其他实 施例中组合，所述实施例的进一步细节可参考以下说明和带有描述相同零件的相同编号的 附图，其中图1是根据第一实施例的发动机排气喷嘴的示意图；图2是以更多细节显示图1的发动机排气喷嘴的示意图；图3是显示替代实施例的示意图；图4是根据一个实施例显示单独板条的示意图；图5是显示根据替代实施例的单独板条的示意图；图6是显示安装在飞机的发动机上的典型金属发动机排气喷嘴的示意图；以及图7是显示本发明的另一实施例的示意图。
具体实施例方式在以下说明中，参考附图，其作为本文的一部分并且以图示说明方式显示本发明 的多个实施例。应该理解可利用其他实施例并且可在不偏离本发明范围条件下做出改变。参考图1，发动机排气喷嘴10 —般包括多个板条20，每个单独板条被连接至两个 平行定位的支撑环，即前向支撑环30和第二支撑环40。虽然第二支撑环被显示在中间，但 它可位于任何位置，包括在导管的后端。对于更短的板条，可省略第二支撑环。板条由纤维 加强陶瓷基复合材料以实心压板、夹心结构或者实心压板和夹心结构的组合结构形成。这 些环支撑这些板条并且保持喷嘴的形状。参考图2，前向支撑环30包括用于附连喷嘴至发动机的紧固组件32，例如向外延 伸的边缘35。支撑环彼此间隔一个距离以最大化对单个板条的结构支撑。前向支撑环应由 具有与发动机接合处材料相似的热膨胀系数的材料制成，其在大多数飞机中是金属。由于 其在高温处的抵抗能力，支撑环的优选材料是INCONEL 。在发动机运行温度，支撑环和发动机接合的热膨胀在每个板条之间产生间隙。发 动机喷嘴的直径、排气温度和所使用的材料是影响每个板条之间间隙大小的因素。例如， 具有60英寸直径的喷嘴的发动机，其中支撑环包括INCONEL 并且喷嘴包括28个板条，温 度从70 °F上升至1300 °F将导致支撑环的热膨胀，即每个板条之间0. 040英寸的间隙。可 以选择板条的数目来平衡这些间隙的整体空气动力学效应、密封件防止板条之间泄漏的能力、负载的结构分配以及制造单个板条的可行性。图2说明了图1中显示的排气喷嘴的实施例，其中为说明板条20和支撑环30、40 之间连接的细节示图省略了一个板条。在此实施例中，板条通过一个固定紧固组件32和一 个槽式紧固组件33被附接至前向支撑环30的外侧。槽式紧固组件33允许板条随着支撑 环的膨胀相对前向支撑环30改变其位置。前向支撑环30进一步包括用于附连喷嘴至发动 机紧固组件，例如具有单个孔36的向外延伸的凸缘35，所述单个孔36配合发动机体上的对 应孔。这种附连还便于应用能够在高温处承受较大负载的螺栓或其他紧固组件。向外延伸 的凸缘35包括多个凹口 37，以降低喷嘴的整体重量。可替代地，前向支撑环的紧固组件可通过向内延伸的边缘来提供，其中孔对应于 发动机体上的孔。可存在其他可替代的配置，包括但不限于通过使用固定紧固组件32来紧 固喷嘴至发动机体。第二支撑环40使用固定紧固组件42被紧固至多个板条20。第二支撑环平行于前 向支撑环30与其在一个距离处被定位，所述距离提供对于喷嘴的最大化结构支撑。为了进 一步增加由第二支撑环40提供的刚度量，可包括向外延伸的外缘45。在需要额外刚度的地 方，前向或第二支撑环可包括多个边缘或被构造为具有“C”、“I”、“J”、“U”或“Z”形状的截面。支撑环的其他设置也是可能的。例如，图3显示可替代设置，其中板条120被紧固 至第二支撑环140的外侧。第二支撑环140通过紧固组件142被附连并且可包括提供增加 稳定性的边缘。存在仅需要一个环的应用，例如被轻微负载或者相对短小的喷嘴。图4显示单个板条的细节示图。组成喷嘴的单个板条在几何形状上是相同的或者 具有圆周上交替的两种几何形状(公件和母件)。单个板条具有配合支撑环以及发动机体 形状的圆周曲率。单个板条还在轴向方向上弯曲以形成希望的空气动力学喷嘴形状。板条 可被制造为实心压板、夹心结构或者实心压板和夹心结构的组合结构，以对于重量最好地 优化结构刚度和强度并且在需要处提供噪声衰减。在支撑环位于空气动力学表面的地方，板条应该包括可嵌入环的槽。槽宽24应比 支撑环宽，以防止负载传递至槽的侧面。相反地，在空气动力学未受影响的地方，可在无槽 条件下抵住板条定位环。在支撑环经历热膨胀时，板条将相对槽式紧固组件33移动。移动的方向将围绕圆 周如由箭头50所示。为了防止在板条上由于热膨胀、涡流或其他现象的进一步压力，喷嘴 可被配置为允许围绕固定紧固组件42稍微旋转。图5显示根据可替代实施例的单个板条，其中包括多个槽式紧固组件133用来附 连至前向环。这种配置对于较宽板条在提供稳定性方面是有用的。每个槽式紧固组件133 允许在围绕圆周方向上的一些移动，如由箭头150所指示的。图6说明了组装在飞机202的喷气式发动机200上的典型金属发动机排气喷嘴。板条和环的概念的使用与金属喷嘴结构和一体陶瓷结构相比具有多个优点。例 如，如果单个板条开裂，则裂纹不会延伸超过单个板条。此外，如果单个板条由于一些原因 被损坏，则单个板条可被替换而不是整个排气喷嘴被替换。此外，单个板条代替一体结构陶 瓷基复合材料(CMC)排气喷嘴的使用与形成为一体的陶瓷基复合材料排气喷嘴相比允许 在较小烤箱中维修单个板条，因而降低了陶瓷基复合材料部件的整体成本。
应该强调以上说明的本装置和过程的实施例和“优选的”实施例仅是实施方式的 可能的示例并且仅用于本发明原理的清晰理解而展示。在不偏离本发明的精神和范围下， 可设计和/或制做本文说明的板条和环陶瓷基复合材料喷嘴的很多不同实施例。例如，板 条222的一端220可被直接附连至发动机部件224，如图7所示，并且通过一个或多于一个 环226以喷嘴形状支撑，所述环226与板条的发动机端间隔。再有，可在配置中包括额外的 环以提供额外的支撑。此外，本文所公开的板条和环的概念可被用于除了飞机发动机之外 的目的，例如，固定涡轮机的排气喷嘴或其他的包括陆地车辆的推进装置，所述陆地车辆包 括火车、陆路运输，以及火箭和其他航空推进装置。本文的所有这些和其他的这种修改和变 型是打算包括在本发明的范围内并且由随附的权利要求保护。因此除非指示在随附的权利 要求中，本发明的范围将不被限制。
权利要求
一种发动机排气喷嘴(10)，包括支撑环(30，40，140)；和由陶瓷基复合材料制成的多个板条(20，120，222)，其中所述多个板条(20，120，222)中每个板条的一端被附连至所述支撑环(30，40，140)，所述多个板条(20，120，222)形成所述喷嘴(10)的形状。
2.根据权利要求1所述的发动机排气喷嘴(10)，其中所述支撑环(30，40，140)和所述 板条(20，120，222)关于所述排气喷嘴(10)的轴线对称设置。
3.根据权利要求1所述的发动机排气喷嘴(10)，其中所述发动机从包括飞机发动机、 火箭发动机和涡轮机的组中选择。
4.根据权利要求1所述的发动机排气喷嘴(10)，其中所述多个板条(20，120，222)中 的每个板条在尺寸和形状上是基本相同的。
5.根据权利要求1所述的发动机排气喷嘴(10)，其中所述多个板条(20，120，222)具 有围绕圆周交替设置的两种几何形状。
6.根据权利要求1所述的发动机排气喷嘴(10)，其中所述多个板条(20，120，222)具 有实心压板结构、夹心结构或者实心压板和夹心结构的组合结构。
7.根据权利要求1所述的发动机排气喷嘴(10)，其中所述支撑环(30，40，140)包括用 来附连至所述发动机的附连组件。
8.根据权利要求1所述的发动机排气喷嘴(10)，其中所述支撑环(30，40，140)由具有 与形成发动机部件的材料相似的热膨胀系数的材料形成，所述喷嘴(10)被连接到所述发 动机。
9.根据权利要求1所述的发动机排气喷嘴(10)，其中所述多个板条(20，120，222)中 的每个板条通过圆周槽式附连组件被附连至所述支撑环(30，40，140)。
10.根据权利要求1所述的发动机排气喷嘴(10)，进一步包括至少一个附加支撑环 (30，40，140)，所述附加支撑环被附连至所述多个板条(20，120,222)。
11.根据权利要求10所述的发动机排气喷嘴(10)，其中所述至少一个附加支撑环(30， 40,140)被构造为在截面上具有基本相似于包括“L”、“C”、“I”、“J”、“U”和“Z”的组中选择 的字母的形状。
12.根据权利要求10所述的发动机排气喷嘴(10)，其中所述多个板条(20，120，222) 中的每个板条通过槽式附连组件被附连至所述支撑环(30，40，140)中的一个，所述槽式附 连组件允许所述板条(20，120，222)在圆周方向移动，并且所述每个板条通过第二固定附 连组件被附连至所述至少一个附加支撑环(30，40，140)。
13.根据权利要求1所述的发动机排气喷嘴(10)，其中通过相邻板条(20，120，222) 的重叠或者通过被附连至所述板条(20，120，222)中一个板条的密封件，在相邻板条(20， 120,222)之间的接合处建立密封，所述密封基本消除相邻板条(20，120，222)之间的空气 动力学流动。
14.一种用于从发动机导出发动机排气的方法，包括提供由多个喷嘴板条(20，120，222)形成的排气导管，所述喷嘴板条具有基本低于所 述排气导管所附连的发动机部件的热膨胀系数，其中所述多个陶瓷板条(20，120，222)中 的每个板条都具有并列设置的上边缘和下边缘，从而所述上边缘和下边缘在相邻板条(20，` 120,222)的表面重叠，由此形成基本消除相邻板条(20，120，222)之间的空气动力学流动 的密封。
全文摘要
一种发动机排气喷嘴，其包括多个陶瓷基复合材料(CMC)板条(20)，所述板条被附连至轴向设置的一个或多于一个支撑环(35，40)。所述支撑环在所述板条之间提供环圆周的负载路径并且用来附连所述排气喷嘴(10)至金属发动机部件。所述板条被带有间隔地固定至所述支撑环，所述间隔用来容纳由于陶瓷基复合材料和金属部件热膨胀系数的不同以及贯穿壁厚的热梯度而出现的相对移动。所产生的装置是轻质的、缓解了喷嘴的热应力并且易于制造和维修。
文档编号F02K1/44GK101946080SQ200980104925
公开日2011年1月12日 申请日期2009年1月15日 优先权日2008年2月12日
发明者J·J·布朗, W·P·基思 申请人:波音公司