CN105258159B - 增材制造的表面终饰 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及增材制造的表面终饰。具体地，一种增材制造部件包括传热增强特征，该传热增强特征具有在大约125‑900微英寸之间的表面终饰。

Description

增材制造的表面终饰
技术领域
本公开涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及用于燃气涡轮发动机的表面终饰(surface finish)的增材制造控制。
背景技术
燃气涡轮发动机(例如给现代商用和军用飞行器提供动力的那些燃气涡轮发动机)通常包括压缩空气流的压缩机段、在存在压缩空气时燃烧碳氢化合物燃料的燃烧器段、以及从所生成的燃烧气体提取能量的涡轮机段。
燃烧器长时间承受高的热负载。过去，燃烧器已经实施了各种冷却布置以冷却燃烧器内衬组件。这些冷却布置包括一种双壁组件方案，其中，直接邻近燃烧气体的内衬面板通过背侧上的冲击冷却和气体侧上的膜冷却而被冷却，以将温度维持在材料极限内。
给定严苛的热和操作环境，内衬面板以熔模铸造或精细板材制造的形式由高温合金(例如镍、钴)制成。燃烧器内的温度通常可超过基础金属的温度，所以内衬面板具有冷却孔以提供膜冷却。燃烧器外壳也可包括将冷却空气射流引到内衬面板的后表面上的冲击冷却孔。
为了继续进一步提高冷却效果，也可以提供极小特征(例如销、圆柱体、棱锥和/或矩形几何体)的形式的后表面上的表面增强物。这些特征提供用于传热的有效面积增加。诸如这些的特征的优化目前受到常规制造方法/刀具加工的可靠性、精准性和成本的限制。
发明内容
根据本公开的一个公开的非限制实施例，一种增材制造部件包括传热增强特征，所述传热增强特征具有大约在125-900微英寸之间的表面终饰。
本公开的进一步实施例包括其中传热增强特征是销。
本公开前述实施例的任何一个的进一步实施例包括其中传热增强特征是翅片。
本公开前述实施例的任何一个的进一步实施例包括其中表面终饰包括被限定的轮廓。
本公开前述实施例的任何一个的进一步实施例包括其中表面终饰包括波浪饰。
本公开前述实施例的任何一个的进一步实施例包括其中表面终饰包括隆起。
本公开前述实施例的任何一个的进一步实施例包括其中表面终饰包括中空部。
本公开前述实施例的任何一个的进一步实施例包括其中表面终饰包括凹窝。
本公开前述实施例的任何一个的进一步实施例包括其中传热增强特征包括通道。
本公开前述实施例的任何一个的进一步实施例包括其中表面终饰关于空气流被布置。
本公开前述实施例的任何一个的进一步实施例包括增材制造的表面终饰，该表面终饰包括被限定的轮廓。
本公开前述实施例的任何一个的进一步实施例包括其中表面终饰大约在125-900微英寸之间。
本公开前述实施例的任何一个的进一步实施例包括其中表面终饰在增材制造部件的传热增强特征上。
本公开前述实施例的任何一个的进一步实施例包括其中表面终饰在增材制造部件的传热增强特征上。
根据本公开的另一个公开的非限制实施例的一种制造部件的方法包括增材制造具有表面终饰的部件，所述表面终饰具有被限定的轮廓。
本公开前述实施例的任何一个的进一步实施例包括将表面终饰应用于增材制造部件的传热增强特征。
本公开前述实施例的任何一个的进一步实施例包括将表面终饰应用于增材制造部件的翅片。
本公开前述实施例的任何一个的进一步实施例包括关于空气流控制表面终饰。
本公开前述实施例的任何一个的进一步实施例包括将表面终饰应用在通道内。
本公开前述实施例的任何一个的进一步实施例包括将表面终饰控制在大约125-900微英寸内。
前述特征和元件可以以不具有排除性的各种组合形式被结合，除非另有明示。本发明的这些特征和元件以及操作根据下面的描述和附图将变得更加清楚。然而应当明白，下面的描述和附图意图本质是示例性的且非限制的。
附图说明
本领域技术人员通过所公开的非限制实施例的以下详细描述将会清楚各种特征。详细描述的附图可以大概描述如下：
图1是燃气涡轮发动机的示意剖视图；
图2是根据一个非限制实施例的可以用于图1所示燃气涡轮发动机的燃烧器段的纵向放大示意剖视图；
图3是内衬面板阵列从冷侧看的放大透视图；
图4是燃烧器的壁组件的分解图；
图5是示例性的表面终饰的放大透视图；
图6-11是用于增材制造部件的示例性的表面终饰轮廓的示意图；
图12是带有局部增材制造的表面终饰的通道的示意图；并且
图13是带有增材制造的表面终饰的传热增强特征的示意图。
具体实施方式
图1示意性示出燃气涡轮发动机20。这里公开的燃气涡轮发动机20是双转子涡扇发动机，其一般包括风扇段22、压缩机段24、燃烧器段26以及涡轮机段28。风扇段22沿旁通流路和核心流路驱动空气。压缩机段24沿核心流路压缩空气以便传输到燃烧器段26中，然后经涡轮机段28膨胀。虽然在所公开的非限制实施例中以涡扇发动机被示出，但是应当明白本文所描述的概念不限于用于涡扇发动机，因为该教导可以被应用于其他类型的涡轮发动机，例如涡轮喷气发动机、涡轮轴发动机和三转子(加上风扇)涡扇发动机。
发动机20一般包括低转子30和高转子32，其被安装成围绕发动机中心纵轴线A相对于发动机静止结构36旋转。低转子30一般包括连接风扇42、低压压缩机(“LPC”)44和低压涡轮机(“LPT”)46的内轴40。内轴40直接驱动风扇42或通过齿轮结构48以低于低转子30的速度驱动风扇42。示例性的减速传动器是周转传动器，即行星或星齿轮系统。
高转子32包括连接高压压缩机(“HPC”)52和高压涡轮机(“HPT”)54的外轴50。燃烧器56被布置在HPC 52和HPT 54之间。内轴40和外轴50是同心的且绕发动机中心纵轴线A旋转。
核心空气流被LPC 44然后被HPC 52压缩，在燃烧器56内与燃料混合并燃烧，然后经HPT 54和LPT 46膨胀。LPT 46和HPT 54响应于膨胀而分别旋转地驱动低转子30和高转子32。
参见图2，燃烧器56一般包括外燃烧器壁组件60、内燃烧器壁组件62和扩压器壳体模块64。外燃烧器壁组件60和内燃烧器壁组件62隔开，使得在它们之间限定燃烧室66。燃烧室66一般是环形的。
外燃烧器壁组件60从扩压器壳体模块64的外扩压器壳54A径向向内隔开，从而限定外环形增压室(plenum)76。内燃烧器壁组件62从扩压器壳体模块64的内扩压器壳54B径向向外隔开，从而限定内环形增压室78。应当明白，虽然示出了一种具体的燃烧器，但是具有各种燃烧器内衬布置的其他燃烧器类型也将由此受益。
燃烧器内衬组件60、62容纳燃烧产物，以便引导朝向涡轮机段28。每个燃烧器壁组件60、62一般包括支撑一个或多个内衬面板72、74的各自支撑壳68、70，一个或多个内衬面板72、74安装到各自支撑壳68、70的热侧。每个内衬面板72、74可以是基本直线的，并且例如由镍基超合金、陶瓷或其他耐高温材料制造，且被布置以形成内衬阵列。在一个所公开的非限制实施例中，内衬阵列包括周向交错的多个前内衬面板72A和多个尾内衬面板72B，从而铺衬外壳68的热侧(也在图3中示出)。多个前内衬面板74A和多个尾内衬面板74B周向交错从而铺衬内壳70的热侧。
燃烧器56还包括紧接着压缩机段24下游的前组件80，从而接收从其排出的压缩空气流。前组件80一般包括环形罩82、隔板(bulkhead)组件84、多个燃料喷嘴86(一个被示出)以及多个燃料喷嘴导向器90(一个被示出)。每个燃料喷嘴导向器90在周向上与罩端口94之一对准，从而穿过隔板组件84突出。每个隔板组件84包括被固定到燃烧器内衬组件60、62的隔板支撑壳96、以及多个周向分布的围绕中心开口92被固定到隔板支撑壳96的隔板内衬面板98。
环形罩82在燃烧器内衬组件60、62的最前端之间径向延伸并被固定到最前端。环形罩82包括多个周向分布的罩端口94，其分别容纳各自的燃料喷嘴86并将空气通过中心开口92引入燃烧室66的前端。每个燃料喷嘴86可以被固定到扩压器壳体模块64并穿过罩端口94之一且穿过各自燃料喷嘴导向器90内的中心开口92突出。
前组件80将核心燃烧空气引入燃烧室66的前段，而其余的进入外环形增压室76和内环形增压室78。多个燃料喷嘴86和相邻的结构产生混杂的燃料空气混合物，其支持燃烧室66内的稳定燃烧。
与前组件80相对，外支撑壳和内支撑壳68、70被安装到HPT 54中的第一列喷嘴导叶(NGV)54A。NGV 54A是静止的发动机部件，其将核心空气流燃烧气体引导到涡轮机段28中的第一涡轮机转子的涡轮机叶片上，以促进压力能到动能的转换。核心空气流燃烧气体因为NGV 54A的会聚形状还会被它们加速，并且通常沿HPT转子旋转的方向产生“旋转”或“涡旋”。
参见图4，多个柱100从内衬面板72、74延伸，从而允许内衬面板72、74利用紧固件102(例如螺母)被安装到它们各自的支撑壳68、70。也就是说，柱100从内衬面板72、74刚性地突出并穿过各自的支撑壳68、70，从而在它的螺纹远端接收紧固件102。
多个冷却冲击孔104穿过支撑壳68、70，以允许空气从各自环形增压室76、78进入空腔106A、106B，所述空腔106A、106B形成在燃烧器内衬组件60、62中，位于支撑壳68、70和内衬面板72、74之间。冷却冲击孔104一般垂直于内衬面板72、74的表面。空腔106A，106B中的空气提供内衬面板72、74的背侧冲击冷却，这在本文中一般被定义为经由内部对流的除热。
多个冷却膜孔108穿过每个内衬面板72、74。膜孔的几何参数(例如直径、形状、密度、表面角度、入射角度等等)以及孔相对于高温主流的位置都影响流出膜冷却。冲击孔104和膜孔108的组合可以被称为冲击膜浮壁组件。
冷却膜孔108允许空气从由内衬面板72、74的冷侧110部分地限定的空腔106A、106B流到内衬面板72、74的热侧112，由此促进沿热侧112的冷却空气膜的形成。冷却膜孔108通常多于冲击孔104，从而促进沿热侧112的膜冷却的形成，从而覆盖内衬面板72、74。本文所定义的膜冷却是沿暴露于高温环境的表面在一个或多个离散位置引入相对较冷的空气流，以在空气流喷射的中间区域及其下游保护该表面。
多个稀释孔116沿公共轴线穿过各自支撑壳68、70和内衬面板72、74两者，从而通过将冷却空气直接供应到燃烧室66中来急冷或以其他方式影响热气体。
多个传热增强特征118从每个内衬面板72、74的冷侧110延伸。传热增强特征118的各种形状、高度、宽度和长度可以被采用。另外，传热增强特征118在周向和/或横向上可以采用各种分布和组合。
在所公开的非限制例子中，支撑壳68、70以及内衬面板72、74通过增材制造过程被制造，这有利地允许在制造期间纳入相对小的传热增强特征118以及冷却冲击孔104、冷却膜孔108和/或稀释孔116。
增材制造过程包括但不限于直接选择激光烧结(DSLS)、电子束烧结(EBS)、电子束熔化(EBM)、激光工程化净成形(LENS)、激光净成形制造(LNSM)、直接金属沉积(DMD)和激光粉末床熔合(LPBF)。增材制造过程顺序地建立原子化合金和/或陶瓷粉末材料的层，包括但不限于625合金、718合金、230合金、不锈钢、工具钢、钻铬、钛、镍、铝、沃斯帕洛伊合金、钨铬钴合金、钛、钢、不锈钢、钴铬、Hastalloy X以及其他。例如625、718和230的合金对于运行在高温环境中的部件可具有特定的益处，例如航空航天和燃气涡轮发动机部件所通常遭遇的环境。
由此，呈销、圆柱体、棱锥、矩形和/或其他几何形状的传热增强特征118以及孔104、108、116被嵌入或固有地嵌到分层金属建造结构。在一个所公开的非限制实施例中，传热增强特征118在厚度或直径上在大约0.01″-1.0″(0.254-25.4mm)之间。应当明白的是，用于本文所一般性限定为传热增强特征118的各种几何结构也将由此受益。
换句话说，前述技术具有将粉末金属在特定区域中和以目标尺寸进行熔化、烧结或焊接的“打印分辨率”，以提供所需要的传热增强特征118。这些技术具有20-50微米级别的层分辨率，这足以产生具有如传热增强特征118的益处的被良好限定的形状。直接金属激光烧结(DMLS)是一种自由形状制造、粉末床制造过程。利用如下过程以一层接一层的方式建造硬件：先将CAD文件切割成20μm(0.8毫英寸)或更大的层。该经过改变的CAD文件被装入DMLS机器，该机器一次建造一层硬件，如新的CAD文件所定义那样。电子束熔化(EBM)是一种粉末床增材制造过程。然而，EBM在真空中使用电子束来一层一层地熔化所沉积的粉末金属，以建立三维部件。CAD文件被切割成50μm或70μm(2.0毫英寸或2.8毫英寸)厚度层，存储为STL文件，该STL文件然后被装入EBM机器。电子束由流过钨丝的电流产生，然后在其上产生电势以剥掉电子。电子被磁场操纵并聚焦到建造板。运动部件的缺失允许高达8000m/s的非常快的扫描速度。
采用增材制造过程来制造部件(例如支撑壳68、70和内衬面板72、74)还提供表面终饰140(图5)的特定控制。表面终饰140限定了纹理的表面粗糙度，它是表面纹理中的更细小的表面不规则性的度量并且由三个分量构成：粗糙度、波度和形状。这些是用于产生表面的制造过程(这里指增材制造过程)的产物。表面粗糙度均值(Ra)，也称为算术均值(AA)，被定为表面的谷和峰的算术均差，以微英寸或者微米为单位。ISO标准使用术语CLA(中线均值)。如易于理解的，1微英寸＝0.000001英寸(百万分之一英寸)。
在一个所公开的非限制实施例中，期望的表面终饰140可以通过增材制造过程被控制。也就是说，例如，传热增强特征118可以被增材制造为具有特定的表面终饰140。通过表面终饰140的控制，表面区域被选择性地控制，由此控制空气流紊流，从而以局部地或一般性的方式来调整传热。
在一个所公开的非限制实施例中，在实施增材制造的同时，表面终饰140被控制在大约125-900微英寸内。另外，期望的表面终饰140可具有被限定的轮廓142，例如关于空气流(图)被限定的翅片(图6)、销(图7)、钩(图8)、波浪饰(图9)、隆起(图10)、凹窝(图11)等等。
参见图12，在一个所公开的非限制实施例中，表面终饰140被应用在通道144内。表面终饰140可以被局部化，例如邻近弯曲部146以促进流从中通过。
参见图13，在另一个所公开的非限制实施例中，表面终饰140被应用于翅片150。通过增材制造而制造的翅片150可为大约0.02英寸(2毫英寸；0.5mm)厚。应当明白尽管一个翅片150被示出，但多个这样的翅片可以如同换热器或其他此类装置那样被增材制造。
增材制造的表面终饰控制是可操作的，以例如优化传热，降低制造成本，减少操作，提高零件寿命，控制局部流动，控制局部紊流和/或其他结构性益处。应当明白尽管在本文中关于具体部件被描述，但是表面终饰的增材制造控制易于应用到任何工业-航空航天、HVAC、汽车和工业发电、马达、导弹/火箭、国防、电子热管理等等。
在说明书的上下文中(尤其在所附的权利要求书的上下文中)所使用的“一”、“一个”、“该”以及类似的指代被理解为涵盖单数和复数，除非本文另有其他说明或与上下文明确矛盾。结合数量被使用的修饰语“大约”包括被列举的值并具有上下文所规定的含义(例如，它包括与具体量的测量相关的误差的程度)。本文公开的所有范围包括端点，并且端点能够独立地彼此组合。
虽然不同的非限制实施例具有特定的图示部件，但是本发明的实施例不限于那些具体组合。可以使用来自任何非限制实施例的某些部件或特征与来自其他非限制实施例的特征或部件进行组合。
应当明白，遍及几幅附图，相同的数字标记表示相应或相似的元件。还应当明白虽然所示实施例公开了具体的部件布置，但其他布置也将由此受益。
虽然示出、描述和请求保护了具体的步骤顺序，但应当明白除非另有说明，步骤可以以任何顺序执行，被分开或被组合，并且仍将会从本公开受益。
前面的描述是示例性的而不是限制性的。本文公开了各种非限制实施例，但是本领域普通技术人员将意识到根据上述教导的各种修改和变化将会落入所附权利要求的范围内。因此，应当明白在所附权利要求的范围内，本公开可以不同于所具体描述的方式被实施。为此，应当研究所附的权利要求以确定真正的范围和内容。

Claims (7)

1.一种增材制造部件，包括：
传热增强特征，所述传热增强特征具有增材制造的表面终饰，所述增材制造的表面终饰限定了在125-900微英寸之间的表面粗糙度均值（Ra），其中，所述增材制造的表面终饰包括关于空气流被布置的被限定的轮廓，以控制空气流紊流，从而调整传热。
2.如权利要求1所述的部件，其中，所述传热增强特征是翅片。
3.如权利要求1所述的部件，其中，所述表面终饰包括波浪饰。
4.如权利要求1所述的部件，其中，所述传热增强特征包括通道。
5.如权利要求1所述的部件，其中，所述部件是燃气涡轮发动机燃烧器的支撑壳。
6.如权利要求1所述的部件，其中，所述部件是燃气涡轮发动机燃烧器的内衬面板。
7.一种增材制造部件的传热增强特征，包括：
增材制造的表面终饰，所述增材制造的表面终饰限定了在125-900微英寸之间的表面粗糙度均值（Ra），其中，所述增材制造的表面终饰包括关于空气流被布置的被限定的轮廓，以控制空气流紊流，从而调整传热。
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