CN105473822A - 其中封闭有减振器的构件和形成这样的构件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种由添加式制造过程形成的构件(200,300)包括本体(206)和第一减振器(210,216,306,308)。本体(206)由添加式制造材料形成，并且限定至少第一腔体(202,204)，其完全封闭在本体(206)内。第一减振器(210,216,306,308)设置在第一腔体(202,204)内。第一减振器(210,216,306,308)包括可流动介质(214)和由添加式制造材料形成的第一固化元件(212)。可流动介质(214)包围第一固化元件(212)。

Description

其中封闭有减振器的构件和形成这样的构件的方法
技术领域
本公开的领域大体涉及减振器，并且更特别地，涉及其中封闭有减振器的构件和形成这样的构件的方法。
背景技术
机械构件的振动可引起构件疲劳和机械系统(诸如燃气涡轮发动机)内的局部噪声过大。因此，减小这样的机械系统内的机械构件的振动载荷是这样的系统的厂商和用户优先考虑的事情。
至少一些减小机械构件的振动载荷的已知努力包括在机械构件内结合充满颗粒的腔体。
但是，结合到机械构件中的这样的已知的充满颗粒的腔体一般无法将这样的构件的振动载荷减小到满意水平。此外，建造这样的构件一般需要用于形成腔体、排空腔体以及用减振颗粒粉末重新填充腔体的单独步骤。另外，由于在构件形成之后必须能够接近腔体，以便排空和重新填充腔体，所以充满颗粒的腔体可形成于机械构件内的位置受到限制。
发明内容
一方面，提供一种用添加式制造过程形成的构件。构件包括由添加式制造材料形成的本体，以及第一减振器。本体限定至少第一腔体，它完全封闭在本体内。减振器设置在第一腔体内。减振器包括可流动介质和由添加式制造材料形成的第一固化元件。可流动介质包围第一固化元件。
另一方面，提供一种燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机包括燃烧器组件、涡轮组件和压缩机组件。燃烧器组件包括多个燃料混合器。涡轮组件包括多个涡轮叶片。压缩机组件包括多个风扇叶片。燃烧器组件、燃料混合器、涡轮叶片和风扇叶片中的至少一个包括用添加式制造过程形成的构件。构件包括由添加式制造材料形成的本体，以及第一减振器。本体限定至少第一腔体，它完全封闭在本体内。减振器设置在第一腔体内。减振器包括可流动介质和由添加式制造材料形成的第一固化元件。可流动介质包围第一固化元件。
又一方面，提供一种用添加式制造过程形成构件的方法。方法包括用添加式制造材料形成构件的本体，在本体内形成第一腔体，以及在第一腔体内形成第一减振器。在第一腔体内形成第一减振器包括通过选择性地使添加式制造材料固化来形成第一固化元件，以及将第一固化元件和可流动介质封闭在第一腔体内。
附图说明
当参照附图来阅读以下详细描述时，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中，相同符号在图中表示相同部件，其中：
图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图；
图2是图1中显示的燃气涡轮发动机的示例性构件的局部横截面；
图3是适合在图1中显示的燃气涡轮发动机中使用的示例性备选构件的局部横截面；以及
图4是用添加式制造过程形成构件的示例性方法的流程图。
除非另有指示，否则本文提供的图意图示出本公开的实施例的特征。相信这些特征适用于广泛的包括本公开的一个或多个实施例的系统。因而，图不意于包括本领域普通技术人员实践本本文公开的实施例所需的所有传统特征。
具体实施方式
在以下说明和权利要求中，将参照多个用语，它们应限定为具有以下含义。
单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数个所指物，除非上下文明确地指出有所不同。
如本文在说明书和权利要求中使用的那样，可应用近似语来修饰可容许改变的任何数量表示，而不导致与其相关的基本功能改变。因此，由诸如“大约”和“基本”的用语或多个用语修饰的值不限于规定的确切值。在至少一些情况下，近似语可对应于用于测量该值的仪器的精度。在这里以及在说明书和权利要求中，范围限制可结合和/或互换，标识这样的范围，并且这样的范围包括包含在其中的所有子范围，除非上下文或语言另有指示。
本文描述的构件、系统和方法使得能够高效地使用添加式制造技术来在构件内形成减振器。特别地，本文描述的构件、系统和方法通过在添加式制造过程期间有策略地将未固化的添加式制造材料和/或固化元件(一个或多个)捕捉和封闭在形成于构件内的一个或多个腔体内，来利用添加式制造过程的添加性质。减振器可精确地形成和有策略地定位在构件内，以便不损害构件的结构完整性。另外，通过使用添加式制造技术，本文描述的构件、系统和方法使得能够在构件内的本来无法接近的位置处形成颗粒减振器。因此，与已知工件和制造这样的工件的方法相比，本文描述的构件、系统和方法有利于建造其中封闭有减振器的构件，并且提供相比于已知工件得到改进的减振性能。
图1是示例性燃气涡轮发动机(大体在100处指示)的示意图。在示例性实施例中，燃气涡轮发动机100包括燃烧器组件102、低压涡轮组件104和高压涡轮组件106，它们共同称为涡轮组件104和106。燃气涡轮发动机100还包括低压压缩机组件108和高压压缩机组件110，它们大体被称为压缩机组件108和110。在示例性实施例中，燃气涡轮发动机100是飞机发动机，但在备选实施例中，燃气涡轮发动机100可为任何其它适当的燃气涡轮发动机，诸如发电燃气涡轮发动机或陆地燃气涡轮发动机。
低压压缩机组件108和高压压缩机组件110各自分别包括多个风扇叶片112和114，以压缩流到燃气涡轮发动机100中的周围空气。燃烧器组件102包括多个燃料混合器116，以混合燃料与加压空气，以及/或者将燃料或空气/燃料混合物喷射到燃烧室118中。低压涡轮组件104和高压涡轮组件106各自分别包括多个涡轮叶片120和122。
在运行中，周围空气(由箭头124表示)进入燃气涡轮发动机100，并且被低压压缩机组件108和/或高压压缩机组件110加压。加压空气(由箭头126表示)通过燃料混合器116与燃料混合，并且在燃烧室118内燃烧，从而产生高能燃烧产物(由箭头128表示)。燃烧产物128从燃烧室118流到高压涡轮组件106，并且通过第一驱动轴130驱动高压压缩机组件110。然后燃烧产物128流到低压涡轮组件104，并且通过第二驱动轴132驱动低压压缩机组件108。燃烧产物128通过排气喷嘴134离开燃气涡轮发动机100，并且对燃气涡轮发动机100提供至少一部分射流推力。
燃气涡轮发动机100的构件在运行期间可遭受振动力，这部分地因为压缩机组件108和110和涡轮组件104和106旋转，以及燃气涡轮发动机100内的气体燃烧。
图2是燃气涡轮发动机100的示例性构件200的局部横截面。在示例性实施例中，构件200是涡轮叶片120，特别是空心涡轮叶片，但在备选实施例中，构件200可为燃气涡轮发动机100的任何其它构件，诸如风扇叶片112和114或燃料混合器116。在另外的备选实施例中，构件200可为燃气涡轮发动机100的构件之外的构件。
在示例性实施例中，构件200通过选择性激光烧结(SLS)过程建造而成，但任何其它适当的添加式制造过程(也称为快速成型、快速制造和3D打印)可用来建造构件200，诸如直接金属激光烧结(DMLS)、电子束熔化(EBM)、选择性热烧结(SHS)或立体平版印刷(SLA)。构件200可由任何适当的添加式制造材料建造而成，诸如金属粉末(一种或多种)(例如钴铬合金、钢、铝、钛和/或镍合金)、气体雾化金属粉末(一种或多种)、热塑性粉末(一种或多种)(例如聚乳酸(PLA)、丙烯腈(ABS)和/或高密度聚乙烯(HDPE))、光聚合物树脂(一种或多种)(例如UV固化光聚合物)、热固性树脂(一种或多种)、热塑性树脂(一种或多种)，或者使得构件200能够如本文描述的那样起作用的任何其它适当的材料。如本文所用，用语“添加式制造材料”包括可用来通过添加式制造过程(诸如上面描述的添加式制造过程)建造构件的任何材料。
构件200包括第一腔体202和第二腔体204，它们各自限定在构件200的本体206内。第一腔体202和第二腔体204各自由一个或多个腔体壁208限定，并且完全封闭在构件200的本体206内。在备选实施例中，一个或多个腔体202和204可仅部分地封闭在本体206内。在示例性实施例中，构件200总共包括两个腔体202和204，但构件200可包括使得构件200能够如本文描述的那样起作用的任何适当数量的腔体202和204。另外，在示例性实施例中，第一腔体202和第二腔体204各自具有大体长方形形状，但在备选实施例中，第一腔体202和第二腔体204可具有使得构件200能够如本文描述的那样起作用的任何适当的形状。
第一腔体202包括封闭在其中的减振器210。减振器210包括固化元件212和可流动介质214。在运行中，行进通过构件200的振动能量使固化元件212和可流动介质214彼此相互作用和碰撞，从而对振动能量产生运动和/或摩擦阻尼。
在示例性实施例中，在用来建造构件200的同一添加式制造过程期间建造固化元件212。因而，固化元件212可由用来建造构件200的相同的添加式制造材料建造而成。在备选实施例中，固化元件212可由用来建造构件200的添加式制造材料之外的材料建造而成。而且在示例性实施例中，可流动介质214是未固化的添加式制造材料，即，在建造构件200的期间未固化的添加式制造材料。因而，取决于用来建造构件200的添加式制造过程，可流动介质214可为液体和/或固体。在备选实施例中，可流动介质214可包括未固化添加式制造材料之外的材料。例如，在建造构件200的期间，可将添加式制造材料之外的可流动材料添加到第一腔体202。
在示例性实施例中，固化元件212在形状上设置成基本与第一腔体202互补(即，大体长方形)，但在备选实施例中，固化元件212可具有使得减振器210能够如本文描述的那样起作用的任何适当的形状。在一些实施例中，固化元件212可具有较大的表面积-体积比，以提高摩擦阻尼。例如，固化元件212的表面可不平、参差不齐或有纹理，以提高固化元件212的表面积-体积比。
在示例性实施例中，固化元件212和可流动介质214至少占用被第一腔体202封闭的容积的大约95%，而且更特别地，被第一腔体202封闭的容积的至少大约98%。在备选实施例中，固化元件212和可流动介质214可占用被第一腔体202封闭的容积的不到大约95%。在另外的备选实施例中，在第一腔体202在添加式制造过程期间完全形成之前，可移除残留在第一腔体202中的一些未固化的添加式制造材料，使得固化元件212和可流动介质214占用不到被第一腔体202封闭的基本整个容积。
在示例性实施例中，固化元件212占用被第一腔体202封闭的容积的大约80%，并且可流动介质214占用被第一腔体202封闭的容积的大约10-20%之间的范围。在备选实施例中，被固化元件212和可流动介质214占用的相对容积可改变。例如，固化元件212的大小可改变，使得固化元件212占用被第一腔体202封闭的容积的大约20%和大约90%之间的范围，并且更特别地，被第一腔体202封闭的容积的大约50%至大约80%之间。封闭在第一腔体202内的可流动介质214的量也可改变(例如，通过在建造过程期间移除未固化的添加式制造材料)，使得可流动介质214占用被第一腔体202封闭的容积的大约5%和大约100%之间的范围，并且更特别地，被第一腔体202封闭的容积的大约20%至大约50%之间。
减振器210的固化元件212以机械的方式与腔体壁208脱开，并且至少部分地被可流动介质214悬浮。第二腔体204包括减振器216，它基本类似于减振器210，只是减振器216的固化元件212通过连接元件218以机械的方式联接到腔体壁208上。连接元件218可构造成在固化元件212部分地形成之后，与腔体壁208和/或固化元件212脱开。例如，为了使得固化元件212能够完全被可流动介质214悬浮，连接元件218可在结构上是脆弱和/或不稳定的，使得在建造后处理期间和/或在构件200的正常使用期间，连接元件218可与腔体壁208和/或固化元件212脱开。备选地，连接元件218可构造成永久地联接到固化元件212和腔体壁208上，使得连接元件218是减振器216的一部分。
在示例性实施例中，振动阻尼器216的固化元件212在沿着腔体壁208的单个点处机械联接到腔体壁208上，但在备选实施例中，固化元件212可在沿着腔体壁208的使得减振器216能够如本文描述的那样起作用的任何适当数量的点处以机械的方式联接到腔体壁208上。在连接元件218构造成与腔体壁208和/或固化元件212脱开的实施例中，固化元件212可在沿着腔体壁208的不超过两个点处以机械的方式联接到腔体壁208上。
在示例性实施例中，减振器210和216各自包括单个固化元件212，但在备选实施例中，一个或两个减振器210和216可包括不止一个固化元件212。例如，一个或多个减振器210和216可包括两个或更多个不同的固化元件212，它们设置在相应的腔体202和204内。
图3是适合在燃气涡轮发动机100中使用的示例性备选构件300的局部横截面。构件300基本与构件200(在图2中显示)相同，只是除了主减振器306和308之外，构件300还包括辅助减振器302和304。因而，图3中显示的元件标有图2中使用的相同参考标号。
主减振器306和308基本与减振器210和216相同，只是主减振器306、308包括辅助减振器302和304。如图3中显示的那样，各个主减振器306和308的固化元件212限定第三腔体310和第四腔体312，它们完全封闭在相应的固化元件212内。第三腔体310和第四腔体312各自包括设置在其中的辅助减振器302和304。辅助减振器302和304可具有基本类似于减振器210和216(在图2中显示)和/或主减振器306和308的构造，并且/或者可包括上面参照图2描述的减振器210和216的任何特征和/或本文描述的主减振器306和308的任何特征。例如，各个辅助减振器302和304包括第二固化元件314和第二可流动介质316。另外，辅助减振器304的第二固化元件314通过基本类似于连接元件218的连接元件320而以机械的方式联接到第四腔体312的腔体壁318上。
图4是通过添加式制造过程来形成构件的示例性方法的流程图。在示例性方法中，减振器210、216、302、304、306和308有利地在用来建造构件200和300的添加式制造过程期间在原地形成。特别地，参照图4，大体在400处指示形成构件(诸如构件200(在图2中显示)或构件300(在图3中显示))的示例性方法。用添加式制造材料形成402构件的本体，诸如金属粉末(一种或多种)(例如钨、铁、铝、钛和/或镍合金)、气体雾化金属粉末(一种或多种)、热塑性粉末(一种或多种)、光聚合物树脂(一种或多种)、热固性树脂(一种或多种)或热塑性树脂(一种或多种)。在本体内形成404第一腔体。通过借助于选择性地使添加式制造材料固化来形成第一固化元件，以及将第一固化元件和可流动介质封闭在第一腔体内，来在第一腔体内形成406第一减振器。第一减振器可形成为使得第一减振器在形状上设置成基本与第一腔体互补。
在一个实施例中，在第一腔体的腔体壁和第一固化元件之间形成408连接元件，以在建造过程期间支承第一固化元件。在至少部分地形成第一固化元件之后，可使第一固化元件与连接元件脱开410。可选地，在第一腔体形成之后，第一固化元件可与连接元件脱开(例如，通过正常使用构件或通过建造后处理)。另外或备选地，不可脱开的连接元件可形成于第一腔体的腔体壁和第一固化元件之间。
当形成第一腔体时，以及/或者当在第一腔体内形成第一减振器时，可通过将未固化的制造材料留在第一腔体内(即，通过不移除未固化制造材料)，来将未固化的添加式制造材料封闭412在第一腔体内，以使其充当第一减振器的可流动介质。备选地，在第一腔体完全形成或封闭之前，可通过将其它材料添加到第一腔体，来将其它材料封闭在第一腔体内，以使其充当可流动介质。
形成第一减振器包括通过选择性地使添加式制造材料固化来形成414第二固化元件，以及将第二固化元件封闭416在第一腔体内。另外或备选地，可在第一和第二固化元件中的一个或多个内形成418第二腔体，并且可在第二腔体内形成420第二减振器。
上面描述的构件、系统和方法使得能够高效地使用添加式制造技术来在构件内形成减振器。特别地，本文描述的构件、系统和方法通过在添加式制造过程期间有策略地将未固化的添加式制造材料和/或固化元件(一个或多个)捕捉和封闭形成于构件中的一个或多个腔体内，来利用添加式制造过程的添加性质。减振器可精确地形成和有策略地定位在构件内，以便不损害构件的结构完整性。另外，通过使用添加式制造技术，本文描述的构件、系统和方法使得能够在构件内的本来无法接近的位置处形成颗粒减振器。因此，与已知工件和制造这样的工件的方法相比，本文描述的构件、系统和方法使得能够更快、更高效地建造其中封闭有减振器的构件，并且提供相比于已知工件得到改进的减振性能。
本文描述的系统和方法的示例性技术效果包括下者中的至少一个：(a)改进使用添加式制造过程建造的构件的减振性能；以及(b)减少建造其中封闭有减振器的构件所需的时间量和成本。
虽然可能在一些图中显示本发明的各种实施例的具体特征，而在其它图中不显示，但这仅是为了方便。根据本发明的原理，图的任何特征可结合任何其它图的任何特征来引用和/或要求保护。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及实行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们意于处在权利要求的范围之内。

Claims (20)

1.一种由添加式制造过程形成的构件，所述构件包括：
由添加式制造材料形成的本体，所述本体限定至少第一腔体，所述第一腔体完全封闭在所述本体内；以及
设置在所述第一腔体内的第一减振器，所述第一减振器包括：
可流动介质；以及
由所述添加式制造材料形成的第一固化元件，其中，所述可流动介质包围所述第一固化元件。
2.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述第一固化元件在形状上设置成基本与所述第一腔体互补。
3.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述第一腔体由至少一个腔体壁限定，所述第一固化元件在沿着所述至少一个腔体壁的不超过两个点处以机械的方式联接到所述腔体壁上。
4.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述第一固化元件与所述本体脱开，并且所述第一固化元件至少部分地被所述可流动介质悬浮。
5.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述第一减振器进一步包括由所述添加式制造材料形成的第二固化元件，所述可流动介质包围所述第二固化元件。
6.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述第一腔体具有封闭在其中的容积，以及其中，所述第一固化元件和所述可流动介质占用被所述第一腔体封闭的容积的至少大约95%。
7.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述可流动介质包括未固化的添加式制造材料。
8.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述第一固化元件限定第二腔体，所述第二腔体完全封闭在所述第一固化元件内，所述构件进一步包括设置在所述第二腔体内的第二减振器。
9.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述添加式制造材料包括下者中的一个：金属粉末、热塑性粉末、光聚合物树脂、热固性树脂、热塑性树脂或者它们的组合。
10.一种燃气涡轮发动机，包括：
燃烧器组件，其包括多个燃料混合器；
涡轮组件，其包括多个涡轮叶片；以及
压缩机组件，其包括多个风扇叶片，所述燃烧器组件、燃料混合器、涡轮叶片和风扇叶片中的至少一个包括根据权利要求1形成的构件。
11.一种用添加式制造过程形成构件的方法，所述方法包括：
用添加式制造材料形成所述构件的本体；
在所述本体内形成第一腔体；以及
通过下者在所述第一腔体内形成第一减振器：
通过选择性地使所述添加式制造材料固化来形成第一固化元件；以及
将所述第一固化元件和可流动介质封闭在所述第一腔体内。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，形成所述第一减振器进一步包括在所述第一腔体的腔体壁和所述第一固化元件之间形成连接元件。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，形成所述第一减振器进一步包括在至少部分地形成所述第一固化元件之后，使所述第一固化元件与所述连接元件脱开。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，脱开所述第一固化元件包括在所述第一腔体形成之后，使所述第一固化元件与所述连接元件脱开。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，将所述第一固化元件和可流动介质封闭在所述第一腔体内包括使未固化的添加式制造材料封闭在所述第一腔体内。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，形成第一固化元件包括形成形状基本与所述第一腔体互补的第一固化元件。
17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述第一腔体内形成第一减振器进一步包括：
通过选择性地使所述添加式制造材料固化来形成第二固化元件；以及
将所述第二固化元件封闭在所述第一腔体内。
18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在所述第一固化元件内形成第二腔体，以及在所述第二腔体内形成第二减振器。
19.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，用所述添加式制造材料形成所述本体包括通过选择性激光烧结过程、直接金属激光烧结过程、电子束熔化过程、选择性热烧结过程、立体平版印刷过程或者它们的组合来形成所述本体。
20.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述添加式制造材料包括下者中的一个：金属粉末、热塑性粉末、光聚合物树脂、热固性树脂、热塑性树脂或者它们的组合。
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