火焰筒前端固定结构及其球头衬套组件的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及航空燃气涡轮发动机的燃烧室的火焰筒固定结构，尤其涉及火焰筒前端固定结构。
【背景技术】
[0002]作为航空燃气涡轮发动机的主要热端部件，燃烧室是决定发动机使用寿命和可靠性的主要因素之一。燃烧室典型类型有三种，即单管燃烧室、环管燃烧室和环形燃烧室。二十世纪六十年代以后研制的发动机基本采用全环燃烧室，主要组成部件包括扩压器、机匣、火焰筒、喷嘴、旋流器和头部端壁等。火焰筒在高温、剧烈振动和严重热冲击等恶劣条件下工作，会产生很大的热应力、蠕变应力和疲劳应力，从而导致产生裂纹、变形、掉块、烧蚀和腐蚀等故障。据统计，发动机燃烧室故障中63%与火焰筒有关。因此，解决火焰筒可靠性问题成为发动机燃烧室重要的研宄方向。
[0003]为了保证全环燃烧室的两股气流通道，火焰筒悬定在燃烧室内外机匣构成的环形通道中。因此，如何选择火焰筒的轴向定位和径向支撑是燃烧室结构设计过程中非常重要的问题。由于火焰筒在工作时承受着巨大的气动载荷和振动载荷，以及因受冷热冲击引起的不可忽视的胀缩现象，火焰筒的定位与支撑设计不仅要求结构简单、可靠和燃烧室拆装方便，还必须充分考虑热补偿问题。
[0004]为避免燃烧室火焰筒受冷热冲击引起的胀缩产生热应力，需要保证火焰筒工作时的轴向自由伸张。因此，火焰筒相对机匣只能有一个截面定位，而且轴向定位销不能在径向对火焰筒产生约束。目前常用的火焰筒定位方案有前端定位、后端定位和混合定位三种方式。采用前端定位方案的火焰筒头部温度低，承力可靠，喷嘴与头部相对轴向和径向位置变化小，定位和支撑可合二为一，而且后端自由伸张对燃烧室出口温度场的影响也较小，因此这种定位方案在燃烧室火焰筒的结构设计中被广泛选用。
[0005]针对火焰筒的前端定位方案，国内外已经做了很多工作。例如，PW4000发动机采用了圆柱销定位方式，Spey发动机采用了矩形销定位方式，JT3D发动机采用了前安装边定位方式等。虽然这些技术方案各有特点，且基本满足火焰筒定位与支撑结构的设计要求，但是并没有完全解决火焰筒工作时连接部位的变形协调性问题。具体而言，若单纯采用定位销钉进行火焰筒的前端定位很难同时解决火焰筒径向和轴向的变位协调问题，且容易造成配合面处应力集中，进而磨损失效。通常的球铰式火焰筒前端定位结构基本采用球头与定位销钉一体化加工成型的方式，这种带球头的定位销钉加工成本高，并且沿火焰筒径向的变位协调性较差，另外与之配装的衬套往往采用分体式结构设计，装配要求高，拆装更换不方便。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型的目的在于提供一种火焰筒前端固定结构及其球头衬套组件，其中的球头衬套组件能提供较好的火焰筒径向变位协调性。
[0007]为实现所述目的的火焰筒前端固定结构的球头衬套组件，其特点是包括球头和衬套，所述球头具有供定位销钉穿过的柱形通孔以及位于外侧的外球面，所述衬套的套孔的侧壁为内球面，所述内球面的直径方向的两端分别具有缺口，所述缺口允许所述球头置入所述套孔，所述内球面的侧壁上还具有环形槽，所述外球面和所述内球面的直径相等。
[0008]所述的球头衬套组件，其进一步的特点是，所述环形槽相对所述衬套的中心对称面对称。
[0009]所述的球头衬套组件，其进一步的特点是，所述球头的对应所述通孔的两端面为平行的平面，两端面到所述外球面的球心距离相等，所述衬套的轴向两端面平行且到所述内球面球心的距离相等。
[0010]所述的球头衬套组件，其进一步的特点是，所述缺口对应的内壁面为圆柱面，两个所述缺口的圆柱面直径与所述外球面直径相等。
[0011]所述的球头衬套组件，其进一步的特点是，所述环形槽延伸到所述缺口。
[0012]为实现所述目的的火焰筒前端固定结构，将火焰筒在外帽罩处通过定位销钉与燃烧室外机匣连接，包括球头衬套组件和所述定位销钉，其特点是，所述球头衬套组件包括球头和衬套，所述球头具有供定位销钉穿过的柱形通孔以及位于外侧的外球面，所述衬套的套孔的侧壁为内球面，所述内球面的直径方向的两端分别具有缺口，所述缺口允许所述球头置入所述套孔，所述内球面的侧壁上还具有环形槽，所述外球面和所述内球面的直径相等，所述定位销钉的头部为横截面尺寸同等大小的柱形结构，所述头部穿过所述柱形通孔并与所述柱形通孔接触配合，所述头部的长度大于所述柱形通孔的长度，以便于能消除火焰筒发生胀缩或振动时沿定位销钉轴向的约束。
[0013]所述的火焰筒前端固定结构，其进一步的特点是所述定位销钉的连接所述头部的中部的外侧面为圆锥形，用于限定火焰筒在定位销钉轴向的变位范围。
[0014]所述的火焰筒前端固定结构，其进一步的特点是所述衬套通过压板固定安装于所述外帽罩上的安装座内。
[0015]所述的火焰筒前端固定结构，其进一步的特点是所述定位销钉的所述头部和与之对应的所述球头的所述柱形通孔的横截面是圆柱形、带圆角矩形或椭圆形。
[0016]所述的火焰筒前端固定结构，其进一步的特点是所述定位销钉与所述球头的配合面、所述球头与所述衬套的配合面具有被硬化处理的表面。
[0017]本实用新型的定位销钉头部和球头的柱形通孔表面配合接触，且销钉头部长度比球头柱形通孔长度的要大，借此可消除火焰筒发生胀缩或振动时沿定位销钉轴向的约束，球头和衬套之间球面配合接触，当火焰筒因受冷热冲击引起胀缩或剧烈振动时可实现前端固定结构的变位协调，还可以解决火焰筒装配时的协调性问题，避免存在初始安装应力。因此，本实用新型提供的火焰筒前端固定结构可有效地消除自身在装配和工作过程中的应力集中，并实现火焰筒在燃烧室内的可靠定位与支撑。并且环形槽的存在不仅去除了衬套加工时产生的接刀痕，避免了接刀痕对球头球面的磨损，还可有效的释放衬套的加工应力，提高衬套的使用寿命。
【附图说明】
[0018]本实用新型的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中:
[0019]图1为本实用新型一实施例中燃烧室的示意图。
[0020]图2为图1中火焰筒前端固定结构的示意图。
[0021 ]图3为图2所示固定结构的分解视图。
[0022]图4A为图2中球头的示意图。
[0023]图4B为图2中衬套的示意图。
[0024]图5A为图2中球头衬套组件的装配过程的示意图。
[0025]图5B为图2中球头衬套组件最终装配状态的示意图。
【具体实施方式】
[0026]在以下的描述中，参考各实施例对本实用新型进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本实用新型的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本实用新型的实施例的全面理解。然而，本实用新型可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。
[0027]如图1