Узел соединения керамической оболочки с металлическим шпангоутом

Узел соединения керамической оболочки с металлическим шпангоутом

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для соосного нахлесточного соединения полых цилиндрических деталей, а именно, металлических деталей с керамическими или композитными, работающих с неконтролируемым нагревом соединяемых деталей.

Известен узел соединения керамической оболочки с металлическим шпангоутом с помощью адгезионного клеевого слоя-герметика (Русин М.Ю. Проектирование головных обтекателей ракет из керамических и композиционных материалов. Учебное пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005. - 64 с. (с. 55-56, рис. 3.12)). Однако главным недостатком является то, что при неконтролируемом нагреве соединения за счет разности термических коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) металлического шпангоута и керамической оболочки возникают значительные температурные расширения металлического шпангоута и, как следствие, недопустимые радиальные напряжения в керамической оболочке, в связи с чем ограничивается температура эксплуатации соединения.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является конструкция соединения керамической оболочки с металлическим шпангоутом, описанная в книге Русина М.Ю. Проектирование головных обтекателей ракет из керамических и композиционных материалов. Учебное пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - 64 с. (с. 51-53, рис. 3.9.в), где соединение керамической оболочки и шпангоута осуществляется с помощью гофрированного соединительного элемента, позволяющего полностью компенсировать температурные деформации шпангоута и снизить уровень напряжений в керамической оболочке. Главными недостатками этого варианта соединения являются, во-первых, то, что гофрированный элемент снижает прочность и жесткость крепления керамической оболочки к шпангоуту, в связи с чем конструкция не будет выдерживать больших поперечных сил и изгибающих моментов; и, во-вторых, усложняется сборка конструкции.

Технический результат изобретения - уменьшение термических напряжений в керамической оболочке от температурного расширения металлического шпангоута с одновременным повышением жесткости крепления керамической оболочки к шпангоуту.

На чертеже показан общий вид узла соединения керамической оболочки с металлическим шпангоутом.

Шпангоут 1 выполнен в виде цилиндрической оболочки, составленной из нескольких цилиндрических сегментов, имеющих в окружном направлении на краях ступенчатую форму так, как показано на сечении А-А. Между соседними сегментами шпангоута в их ступенчатой части установлены цилиндрические сегменты-вставки 2, выполненные из материала с более высоким термическим коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) (например, из алюминиевого сплава). Эти сегменты-вставки 2 могут быть соединены с сегментами шпангоута 1 либо за счет сварных швов 3, либо с помощью заклепок. В окружном сечении по периметру между сегментами шпангоута 1 и сегментами 2 выполнены зазоры Z. Такой составной шпангоут может быть соединен с корпусом 6 с помощью байонетного соединения. Керамическая оболочка-обтекатель 4 насажена на составной шпангоут и закреплена на нем с помощью высокотемпературного клея-герметика 5.

Устройство работает следующим образом.

При неконтролируемом нагреве происходит расширение, как керамической оболочки-обтекателя, так и шпангоута. Но так как ТКЛР материала сегментов шпангоута 1 выше, чем ТКЛР материала керамической оболочки-обтекателя 4, то сегменты шпангоута 1 будут иметь термические деформации (увеличение диаметра сегментов шпангоута 1) больше, чем термические деформации керамической оболочки. Цилиндрические сегменты-вставки 2, имеющие ТКЛР больше, чем ТКЛР сегментов шпангоута 1, при нагреве получат более значительные деформации, чем деформации сегментов шпангоута 1. За счет этого термического расширения сегмента-вставки 2 произойдет стягивание ступенчатых краев сегментов шпангоута с уменьшением зазоров Z с одновременным сохранением наружного диаметра составного шпангоута.

Длина дуги L_в цилиндрического сегмента-вставки 2 может быть определена по следующей формуле

где α_ш - ТКЛР материала шпангоута; α_к - ТКЛР материала керамической оболочки; α_в - ТКЛР материала цилиндрического сегмента-вставки; D_ш - наружный диаметр шпангоута; D_к - внутренний диаметр керамической оболочки; - разница начальной и конечной температуры шпангоута; - разница начальной и конечной температуры керамической оболочки. Так, например, при нагреве керамической оболочки с внутренним диаметром 510 мм от 20 до 420°С и соответствующем нагреве стального шпангоута с наружным диаметром 510 мм от 20 до 400°С потребуется алюминиевая вставка с длиной дуги, равной 79,8 мм, которая может быть разбита на несколько цилиндрических сегментов.

Предлагаемый узел соединения керамической оболочки с металлическим шпангоутом позволит существенно снизить уровень радиальных напряжений в керамической оболочке, предотвращая ее преждевременное разрушение, а также сохранить высокую устойчивость при боковых нагрузках.

Узел соединения керамической оболочки с металлическим шпангоутом, имеющим форму полого цилиндра с наружным диаметром, меньшим внутреннего диаметра керамической оболочки, соединенные соосно внахлестку, отличающийся тем, что шпангоут выполнен составным из нескольких цилиндрических сегментов, соединенных между собой цилиндрическими сегментными нахлесточными вставками из металлического сплава с увеличенным термическим коэффициентом линейного расширения по сравнению с материалом шпангоута.