用于控制旋转约束的波纹状球形接头组件挠性界面的制作方法

相关申请案的交叉引用

本申请主张2015年7月9日提交的标题为“用于控制旋转约束的波纹状球形接头组件的挠性弹簧供能界面(flexuralspring-energizedinterfaceforbellowedball-jointassembliesforcontrolledrotationalconstraint)”的第62/190,484号美国临时专利申请以及2015年7月9日提交的标题为“用于减小动态旋转刚度的波纹状球形挠性接头组件的顺应性、挠性内部护罩(compliantflexuralinnershroudforbellowedsphericalflex-jointassembliesforreduceddynamicrotationalstiffness)”的第62/190,528号美国临时申请的优先权，这些专利申请以全文引用的方式并入本说明书中。

背景技术：

涡轮发动机特别是气体或燃气涡轮发动机是旋转式发动机，所述旋转式发动机从穿过发动机中的一系列压缩机级、燃烧器，然后到达多个涡轮级的燃烧气体流中提取能量，其中所述压缩机级包括成对的旋转叶片和固定轮叶，并且所述多个涡轮级也包括多对旋转叶片和固定轮叶。

管道组件围绕涡轮发动机设置，并且为各种工作流体流入和流出涡轮发动机提供管道。其中一种工作流体是引气(bleedair)。引气产生于压缩机中并经由进料管道从压缩机中提取。来自燃气涡轮发动机中的压缩机级的引气可以以各种方式使用。例如，引气可以为飞行器机舱提供压力、阻止飞行器的关键机件结冰，或者可以用于启动剩余的发动机。用于从压缩机提取引气的进料管道组件的构造要求在动态载荷下具备刚性，而在热载荷下具备柔性。现有技术系统使用管道中的球形接头或轴向接头来满足柔性要求，但这样会增加系统的重量，进而降低系统的动态性能。

技术实现要素：

在一个方面中，本发明涉及一种用于燃气涡轮发动机的管道组件，所述管道组件包括第一管道、第二管道以及将所述第一管道连接到所述第二管道的接头组件。所述接头组件包括：外部护罩，所述外部护罩具有限定所述接头组件的内部的内表面；以及设置在所述内部内的波纹管，所述波纹管的第一端围绕所述第一管道的外表面端部，并且所述波纹管的第二端围绕所述第二管道的外表面端部。所述接头组件进一步包括：环形扩口管，所述环形扩口管具有位于所述内部内的扩口部分和延伸超出所述外部护罩的纵向部分；运动环，所述运动环设置在邻近所述环形扩口管的所述扩口部分和所述外部护罩的所述内表面处；以及衬环，所述衬环将所述运动环固持在所述内部内。

在另一方面中，本发明涉及一种接头组件，所述接头组件包括：外部护罩，所述外部护罩具有限定所述接头组件的内部的内表面；以及波纹管，所述波纹管设置在所述内部内，并且配置成与第一管道和第二管道流体连通，所述第一管道和所述第二管道将通过接头组件流体接通。所述接头组件进一步包括：环形扩口管，所述环形扩口管具有位于所述内部内、所述内表面与所述波纹管之间的扩口部分，并且具有延伸超出所述外部护罩的纵向部分；运动环，所述运动环设置在邻近所述环形扩口管的所述扩口部分和所述外部护罩的所述内表面处；以及衬环，所述衬环将所述运动环固持在所述内部内。

在另一方面中，本发明涉及一种接头组件，所述接头组件包括：外部护罩，所述外部护罩具有限定所述接头组件的内部的内表面；波纹管，所述波纹管设置在所述内部内并且配置成与第一管道和第二管道流体连通，所述第一管道和第二管道将由所述接头组件流体接通；内部护罩，所述内部护罩位于所述内部内、所述内表面与所述波纹管之间，并且具有环形外表面；以及环，所述环设置在所述内部护罩的所述环形外表面与所外部护罩的所述内表面之间，并且配置成提供考虑到所述外部护罩或所述内部护罩中的形状变形或表面扭曲的顺应性界面。

附图说明

在附图中：

图1是根据本说明书中所述各个方面的具有引气管道组件的燃气涡轮发动机的示意性截面图。

图2是根据本说明书中所述各方面的具有多个球形界面的引气管道组件的透视图。

图3是根据本说明书中所述各个方面的图2所示球形接头的截面图。

图4是根据本说明书中所述各个方面的具有扩口管的球形接头的分解图。

图5是根据本说明书中所述各个方面的图4所示扩口管的透视图。

具体实施方式

本发明所述实施例涉及提供一种预装载顺应性波纹状球形挠性接头，以在高温引气管道系统组装和热增长期间具有受约束的运动几何结构并且减小进入涡轮发动机风扇壳体内的反应性载荷。出于说明目的，将参照飞行器燃气涡轮发动机来描述本发明。燃气涡轮发动机已用于陆地和航海机车以及发电领域中，但是最常用于航空应用中，例如飞机，包括直升机。在飞机中，燃气涡轮发动机用于推进飞行器。然而，应理解，本发明不限于此且可能具有应用于非飞行器领域的普遍适用性，例如其他移动应用和非移动的工业、商业和住宅应用。

本说明书中所用的术语“前部”或“上游”是指沿某个方向向发动机入口移动，或者相对于另一部件而言，某一部件相对更靠近发动机入口。与“前部”或“上游”结合使用的术语“后部”或“下游”是指相对于发动机中心线向发动机后部或出口延伸的方向。此外，本说明书中所用术语“径向”或“径向地”是指延伸在发动机纵向中心轴与发动机外周之间的尺寸。

所有方向性词语(例如，径向、轴向、近端、远端、上、下、向上、向下、左、右、横向、前、后、顶部、底部、上方、下方、垂直、水平、顺时针、逆时针、后部等)仅用于标识目的以便于读者理解本发明，并不构成限制本发明，特别是本发明的位置、定向或使用。连接性词语(例如，附接、联接、连接和接合)应从广义上解释，并且除非另作说明，否则可包括一组元件之间的中间部件以及这些元件之间的相对移动。因此，连接性词语并不一定可推断出两个元件直接相连并且彼此固定。示例性的附图仅用于说明，相关附图中所反映的尺寸、位置、顺序和相对尺寸可以更改。

图1是用于飞行器的燃气涡轮发动机10的剖面示意图。发动机10具有大体纵向延伸的轴或者中心线12，所述轴或中心线从前部14延伸到后部16。发动机10以下游串行流关系包括：风扇部分18，所述风扇部分包括风扇20；压缩机部分22，所述压缩机部分包括增压器或低压(lp)压缩机24和高压(hp)压缩机26；燃烧部分28，所述燃烧部分包括燃烧器30；涡轮部分32，所述涡轮部分包括hp涡轮34以及lp涡轮36；以及排气部分38。

风扇部分18包括围绕风扇20的风扇壳体40。风扇20包括围绕中心线12径向设置的一组风扇叶片42。hp压缩机26、燃烧器30和hp涡轮34形成发动机10的核心44，所述核心产生燃烧气体。核心44被核心壳体46围绕，所述核心壳体可与风扇壳体40连接。

围绕发动机10的中心线12同轴设置的hp轴或线轴48驱动地将hp涡轮34连接到hp压缩机26。lp轴或线轴50围绕发动机10的中心线12同轴设置在较大直径环状hp线轴48内，所述lp轴或线轴驱动地将lp涡轮36连接到lp压缩机24和风扇20。发动机10中安装到线轴48、50中的任一者或者这两者并且随其一起旋转的部分也单独或者统一称为转子51。

lp压缩机24和hp压缩机26分别包括一组压缩机级52、54，在所述压缩机级中，一组压缩机叶片58相对于对应一组静态压缩机轮叶60、62(也称为喷嘴)旋转，以压缩或加压通过该级的流体流。在单个压缩机级52、54中，多个压缩机叶片56、58可以设置成环状，并且可以相对于中心线12从叶片平台径向向外延伸到叶片尖端，而对应的静态压缩机轮叶60、62设置在旋转叶片56、58下游并且与其相邻。应注意，图1中所示叶片、轮叶和压缩机级的数量只出于说明目的而做此选择，也可以采用其他数量。一个压缩机级的叶片56、58可安装到圆盘53上，所述圆盘分别安装到hp线轴48和lp线轴50中的对应一者，其中各级均具有其各自的圆盘。轮叶60、62以围绕转子51周向布置的方式安装到核心壳体46。

hp涡轮34和lp涡轮36分别包括一组涡轮级64、66，在所述涡轮级中，一组涡轮叶片68、70相对于对应组的静态涡轮轮叶72、74(也称为喷嘴)旋转，以从通过该级的流中提取能量。在单个涡轮级64、66中，多个涡轮叶片68、70可以设置成环状，并且可以相对于中心线12从叶片平台径向向外延伸到叶片尖端，而对应的静态涡轮轮叶72、74设置在旋转叶片68、70的上游并且与其相邻。应注意，图1所示的叶片、轮叶和涡轮级的数量仅出于说明目的而做此选择，也可使用其他数量。

在操作中，旋转风扇20将环境空气供应到lp压缩机24，所述lp压缩机然后将加压环境空气供应到hp压缩机26，从而进一步加压环境空气。来自hp压缩机26中的压缩空气与燃烧机30中的燃料混合并燃烧，从而产生燃烧气体。hp涡轮34从这些气体中提取一部分功，以此驱动hp压缩机26。燃烧气体排放到lp涡轮36中，所述lp涡轮提取额外的功来驱动lp压缩机24，并且排气最终经由排气部分38从发动机10排出。lp涡轮36的驱动可驱动lp线轴50来使风扇20和lp压缩机24旋转。

来自压缩机部分22的一部分空气可以经由一个或多个引气管道组件80排出并且用于对各个部分进行冷却，特别是诸如hp涡轮34等高温部分，或用于产生电力或运行飞行器的环境系统，如机舱冷却/加热系统或除冰系统。在涡轮发动机的背景下，发动机的高温部分通常设在燃烧器30尤其是涡轮部分32的下游，其中hp涡轮34是温度最高的部分，因为该部分处于燃烧部分28的直接下游。从压缩机中排出并用于这些用途的空气称为引气。

参见图2，示例性引气管道组件80包括径向内部第一管道82和径向外部第二管道84。第一管道82和第二管道84可以固定在它们的位置上。第一管道82和第二管道84经由接头组件86连接，所述接头组件可以包括但不限于球形接头、轴向接头等。引气流88可以通过第二管道84从压缩机部分22抽送到第一管道82中，并提供到排气管道90以用在发动机10或飞行器的各种其他部分中。引气流88可以用于加热和扩张引气管道组件80的各部分。由于第一管道82和第二管道84可固定，因此接头组件86可减小或减轻诸如振动或热膨胀等作用在引气管道组件80上的力，同时提供引气组件80的操作挠性。

图3示出了可用于将预期第一管道和第二管道流体连通的示例性接头组件86。示例性接头86是球形接头，并且在截面图中更详细地示出。更确切地说，圆形壳体或外部护罩100图示成包括至少部分限定接头内部104的内表面102。外部护罩100可以是单个一体件，也可以是形成环形护罩100的多件组合。用箭头示出的通过接头组件86的引气流88可以限定接头组件86的上游侧92和下游侧94。

波纹管106设置在接头内部104内，所述接头内部位于外部护罩100的径向内侧。波纹管106具有与第二端110隔开的第一端108。第一端108与第二端110之间可以包括多个回旋部112。尽管回旋部112图示成正弦曲线转廓，但不一定是这种情况。波纹管106可以由柔性材料形成，并且其中的回旋部112允许波纹管106的膨胀或收缩。波纹管106设置在内部104内，以在接头组件86内将第一管道82和第二管道84流体连通。

波纹管106可经由第一配件114和第二配件116固持在接头内部104内的适当位置。第一配件114和第二配件116位于外部护罩100的径向内侧，并进一步限定接头内部104。第一配件114和第二配件116的外表面118邻接外部护罩100的内表面102以形成运动界面。同样，第一管道82和第二管道84的外表面119邻接第一配件114和第二配件116以形成第二运动界面。运动界面可以干涉配合、压配合或以其他方式安装在接头组件86内。在图示示例中，第一配件114将波纹管106的第一端108固持在外部护罩100内，并且第二配件116固持波纹管106的第二端110。应理解，接头组件86可以以任何适当方式，包括利用第一配件114和第二配件116来安装或以其他方式操作性地连接到第一管道82和第二管道84。

内部护罩或环形扩口管120设置在外部护罩100内。确切地说，环形扩口管120安装在外部护罩100与波纹管106之间。尽管环形扩口管120图示成位于上游侧92上，但是应理解，环形扩口管120可替代性地位于下游侧94上。环形扩口管120可以包括从轴向转变为径向定向的过渡部分。

由于制造过程产生的不圆度误差、局部表面缺陷以及外部护罩100的不对称热增长变形，外部护罩100与环形扩张管120之间存在摩擦力。这些变形和缺陷在制造过程中难以量化和控制，并且可能导致系统内产生倾斜和振动。宏观层面变形和微观层面缺陷动态地改变环形扩口管120与外部护罩100之间界面处的表面相互作用几何结构。各个组件随动态载荷和温度发生的变化是独特的，并且可能难以测量和预测。

接头组件86图示成包括顺应性界面特征，用于减小环形扩口管120与外部护罩100之间的局部摩擦力峰值。更确切地说，斜坡衬环122设置在接头内部104内、外部护罩100的上游边缘124处。斜坡部分126设置在斜坡衬环122中面向下游侧94的一侧上。

衬环122的斜坡部分126，扩口管120和外部护罩100限定环形空腔104。贴合的运动环128可以设置在该环形空腔104中。运动环128是扩口管120、外部护罩100与衬环122之间的模压成形低摩擦运动密封环。运动环128可以成形为与扩口管120、外部护罩100和衬环122的斜坡部分126邻接。衬环122的斜坡部分126将运动环128固持在接头组件86的内部104内。运动环128可以包括但不限于允许磨损和预装载的界面环。运动环128可以由任何合适的材料形成，包括但不限于允许运动环128与接头组件86内空间贴合的石墨或复合石墨金属材料。运动环128可以成形为随着运动环磨损，能够更好地贴合限定环形空腔104的表面。

在低摩擦顺应性运动环128上进行外部护罩100的拭接模压成形过程(wipeddie-formingprocess)中，可能产生残余预载荷。在外部护罩100成形期间加载的扩口管120弯曲过程中，将储存所述残余载荷。当去除外部护罩的成形载荷时，扩口管120将弹回，以将运动环128压向外护罩100的内表面102。所述储存载荷的大小取决于成形模具几何结构和环形扩口管120的相关顺应性，并且可对所述载荷大小进行调整和控制。可以通过衬环122的斜坡部分126的几何结构进一步控制过程载荷的转移。模具成形过程中可以使用所述几何结构来将运动环128推动到扩口管120中。预装载扩口管120的弹簧元件以保持运动环128与外部护罩100的内表面102之间接触。这种相互作用可形成零游隙界面。

参见图4，其中以分解图的形式进一步示出了包括在接头组件86内的元件的组合。以从上游到下游的顺流顺序，衬环122、运动环128和环形扩口管120将彼此邻接。波纹管106安装在第一配件114和第二配件116的相应部分周围，以安装到第一管道82和第二管道84，使得回旋部112设置在第一管道82与第二管道84之间。外护罩100围封衬环122、运动环128、环形扩口管120和回旋部112，将部件夹在管道82、84与外部护罩100之间。接头组件86在安装时预装载，使得接头组件86在安装之后维持其几何结构。

操作期间，发动机10的运动例如振动或热膨胀可能导致波纹管106压缩或膨胀。波纹管106支持引气管道组件80的移动和弯曲，而过度系统刚性会导致管道组件80损坏或故障。但是，波纹管106不会产生额外的宏观层面变形和微层层面缺陷，例如外部护罩100与配件114、116之间摩擦力的大小、外部护罩100和配件114、116在制造期间的圆度误差、局部表面缺陷，或者接头组件86的不对称热增长。这些变形和缺陷可以动态地改变外部护罩100与其他表面之间的表面相互作用。各个接头组件86随动态载荷和温度发生的变化是独特的，难以测量和预测。因此，需要采用部分由运动环128构建的动态顺应性界面来解决这些变形和缺陷。

参见图5，扩口管120可以分成纵向部分130和扩口部分132。纵向部分130可以延伸超过外部护罩100覆盖波纹管106的环形第一端108。所述扩口部分可以位于图3所示的内部104内，并且可以设置成与运动环128和外部护罩100的内表面102相邻。扩口部分132可以包括一组狭缝134，所述狭缝可以限定围绕扩口管120设置的一组挠性件136。狭缝134可以部分或完全延伸通过扩口部分132或甚至延伸到纵向部分130中，从而限定位于扩口部分132内并潜在地延伸到纵向部分130中的挠性件部分136。尽管挠性件136图示成均匀间隔，但是也可以设想到，挠性件136可以不均匀地隔开或设计成更大、更小、更宽、更薄或以其它方式定向以适应特定接头组件86的特定需要。有关该组挠性件的细节，可参见与本申请案同时提交的案号为282895/72170-0018的美国专利申请pct/us2016/030724，该专利申请以全文引用的方式并入本说明书中。挠性件136可以作为偏置元件或弹簧操作，以运动地限制并且动态地贴合外部护罩100与运动环128之间的界面。例如，挠性件136可以作为分立的弹簧操作，它可以基于宏观层面和微型层面变形和缺陷，根据接头组件86的局部移动或增长而沿上游方向或下游方向挠曲。这样，扩口管120和运动环128可以作为能够在操作期间动态地适应接头组件86的局部变化的顺应性零游隙界面操作。此外，挠性件136可以进一步降低管道组件80的旋转或扭转刚度，使得接头组件86处能够进行更大的可变运动。

通过这种方式，提供了考虑到宏观层面形状变形和微观层面表面特征的动态顺应性界面表面。运动环128提供了顺应性零游隙界面表面设计，这种设计将增加弹簧供能的挠性件，以运动地约束和动态地顺应外部护罩100与贴合运动环128之间的界面。一个优点是顺应性和贴合性特征的独特组合，包括扩口管120、斜坡衬环122和运动环128，可以最小化或消除两个配合表面的残余界面失配。这些增强特征不会显著影响当前制造工艺，也不需要额外或新工具。运动环128提供近乎理想的均匀力分布。

上述公开内容允许零游隙安装几何结构，这对于减少系统加压期间的潜在系统载荷至关重要。此外，波纹管106的推力载荷形成和操作几何结构与操作压力和热增长有关。通过使用类似的热增长材料，所述效果可主要由压差载荷引起。随着波纹管106膨胀，推力载荷增大。宏观层面变形和微观层面缺陷进一步引起界面载荷，进而增大总体界面载荷。零游隙设计减轻了推力载荷和压差，从而降低了接头组件86的旋转刚度和操作载荷。运动环128处的多个挠性件136可以减轻这些影响并且减小由于压差大小而产生的旋转刚度影响。

此外，扩口管120、斜坡衬环122和运动环128的组合可最小化配件114、116与外部护罩100之间的两个配合表面的残余界面失配。接头组件86可以针对高循环疲劳和环磨损和载荷进行优化。

应理解，在运动环128上使外部护罩100成形期间，可能存在残余预载荷。此外，在运行期间产生热增长和压差时，波纹管界面表面上的载荷将增大。这些增大的载荷与宏观层面变形和微观层面缺陷将共同形成总表面载荷，该载荷可以局部的，也可以是离散的。具有挠性件136的扩口管120提供一种顺应性零游隙设计，所述设计可以减少管道组件80的旋转刚度和不均匀操作载荷。随着运动环128磨损，它将更好地贴合其周围的元件。

上述公开内容提供了各种优点，包括可以提供一种预装载顺应性波纹状球形挠性接头，并且可以在高温引气管道系统的组装和热增长期间具有受限的运动几何结构并且减小反应性载荷。

在尚未描述的范围内，各种实施例的不同特征和结构可根据需要彼此组合使用。一项特征未在所有实施例中展示不表示可解释为其无法用于所有实施例，而是仅出于简要说明的目的。因此，不同实施例的各种特征可以根据需要组合和匹配，以形成新的实施例(无论该新实施例是否被明确说明)。本发明公开的内容未涵盖本说明书中所述特征的所有组合或排列。

本说明书使用各个实例来公开本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的可取得专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员所想到的其他示例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应在权利要求书的覆盖范围内。