3-筛选及标引后的专利著录项目数据及专利全文cn101946080b

1、 (19)人民国家知识产权局(12)发明专利B(10)授权公告号 CN 101946080(45)授权公告日 2014.08.20 (21)申请号 200980104925.8F01D 25/24 (2006.01) F02K 1/82 (2006.01) (22)申请日 2009.01.15(56)对比文件(30)优先权数据12/030,112 2008.02.12FR FR FR EPUS28758542875854259715716217513004385B1,2009.04.24, B1,2009.04.24, A1,1987.10.16, A1,2006.02.01,A,1961.1

2、0.17, US(85)PCT国际申请进入国家阶段日2010.08.12 (86)PCT国际申请的申请数据PCT/US2009/031161 2009.01.15审查员卫红(87)PCT国际申请的公布数据WO2009/102528 EN 2009.08.20(73)专利权人 波音公司 地址 美国伊利诺伊州(72)发明人JJ布朗 WP基思(74)专利机构 北京纪凯知识产权公司 11245 赵蓉民 有限人(51)Int.Cl.F02K 1/44 (2006.01)F02K 1/80 (2006.01)权权利利要要求求书书22页页 说说明明书书4页4 页附附图图7页7 页 (54) 发明名称板条和环

3、形陶瓷基复合材料喷嘴 (57) 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。 CN 101946080 B 权利要求书CN 101946080 B1/2 页1. 一种发动机排气喷嘴 (10)，包括 ： 支撑环

4、 (30，40)，其中所述支撑环 (30，40) 包括前向支撑环 (30) 和第二支撑环 (40) ；由陶瓷基复合材料制成的多个板条 (20，120，222)，所述板条以喷嘴的形状由至少一个 所述支撑环支撑，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前向支撑环 (30)，所述多个板条 (20，120，222) 形成所述喷嘴 (10) 的形状 ； 其中所述多个板条具有接收所述第二支撑环的对应槽 ； 其中所述多个板条的每个具有配合所述支撑环的形状的圆周曲率 ； 其中所述多个板条通过固定紧固组件 (32) 和槽式紧固组件 (33) 被附连至所述前向支撑环 (30) 的外

5、侧 ；以及 其中所述多个板条固定到所述支撑环，相邻板条之间具有小间隙。 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) 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 (20，120，22

6、2) 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)，其中所述前向支撑环 (30) 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)，其中所述前向支撑环 (30) 由具有与形成所述发动机的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)，其中所述槽式紧固组件是圆

7、周槽式附连组件。 10. 根据权利要求 1 所述的发动机排气喷嘴 (10)，其中所述第二支撑环 (40) 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。 11. 根据权利要求 1 所述的发动机排气喷嘴 (10)，其中所述槽式紧固组件允许所述板条 (20，120，222) 在圆周方向移动，并且其中所述多个板条中的每个通过第二固定附连组件被附连至所述第二支撑环 (40)。 12. 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

8、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。 13. 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 ； 提供支撑环 (30，40)，所述支撑环 (30，40) 包括前向支撑环 (30) 和第二支撑环 (40) ； 权利要求书CN 101946080 B2/2 页其中所述板条以喷嘴的形状由所述支撑环支撑，所述支撑环 (30，40) 包括连接组件，所述连接组件用于连接到发动机以及将所述多个板条的每个的一个轴端连接到所述前向支撑环 (30

9、) ； 其中所述多个板条具有接收所述第二支撑环 (40) 的对应槽 ； 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 ； 其中所述多个板条的每个具有配合所述支撑环的形状的圆周曲率 ； 其中所述多个板条通过固定紧固组件 (32) 和槽式紧固组件 (33) 被附连至所述前向支撑环 (30) 的外侧 ；以及 其中所述多个板条固定到所述支撑环，相邻板条之间具有小间隙。 3 说明书CN 101946080 B

10、1/4 页板条和环形陶瓷基复合材料喷嘴技术领域0001 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0002 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

11、下使用这种材料。 0003用于组成飞机的陶瓷基复合材料和金属部件可能遭受的热条件，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 的温度。由于其强度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。 0004 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

12、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0005 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

13、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 4 说明书CN 1

14、01946080 B2/4 页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。0006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0007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

15、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。 附图说明0008 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

16、示本发明的另一实施例的示意图。 0009001000110012001300140015具体实施方式0016 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。0017 参考图 1，发动机排气喷嘴 10 一般包括多个板条 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

17、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0018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 0019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

18、条，温度从 70 上升至 1300 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 5 说明书CN 101946080 B3/4 页力、负载的结构分配以及制造单个板条的可行性。 0020 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

19、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。 0021 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。 0022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

20、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。 0023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。 0024 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

21、)。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。 0025 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 0026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。 0027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。 00280029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