[发明专利]板条和环形陶瓷基复合材料喷嘴

说明书

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℉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。

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。

附图说明

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。