CN108071493A - 通过增材制造的具有不可移除的内部支承结构的嵌套物品 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃气涡轮的增材制造式物品，包括：本体(10)，该本体(10)具有在第一方向(5)上伸长的两个横向表面(102,103)；至少嵌套管道(107)，其被容纳在横向表面(102,103)内并在第一方向(5)上伸长；一结构，其使得嵌套管道(107)在结构上连接至横向表面(102,103)内的附连件(110)，其中至少所述本体(10)、管道(107)和结构由增材制造过程制造且所述结构包括成阵列的肋(200)，所述成阵列的肋(200)附连至管道(107)以通过弯曲变形而补偿管道(107)沿第一方向(5)相对于肋(200)的附连件(110)的不同的伸长。

Description

通过增材制造的具有不可移除的内部支承结构的嵌套物品
技术领域
本发明涉及通过增材制造的用于燃气涡轮的物品。在非限制性实施例中，燃料喷射器包括这种物品。
本发明进一步涉及具有这种物品的燃气涡轮。
背景技术
用于产生对象的增材制造方法包括使用高能束(诸如激光束或电子束)逐层地凝固材料(诸如金属粉末材料)。粉末层在构建室中被沉积在粉末床上且激光束扫描穿过对应于被构造的对象的截面的粉末层的部分。激光束使粉末熔化或烧结以形成凝固层。在层的选择性凝固之后，粉末床被降低该新凝固层的厚度且按照需要，另一层粉末散布在表面上并凝固。
增材制造能够塑造包括同心或嵌套本体的复杂结构。为了观察同心或嵌套本体的严格尺寸公差和/或形状公差，提供基本上沿着粉末床的运动方向延伸的支承结构以支承例如悬空部分。特别地，在制造期间，支承结构通过凝固层而不是通过未熔化的材料(例如通过粉末床的未熔化的粉末材料)提供支承。
在各层的凝固完成之后，为了避免在最终产品的运行期间的不利影响，支承结构应当被移除。然而，有时由于产品的复杂形状，即，因为存在嵌套和伸长的部件，这是不可行的。例如，增材制造用来制造用于燃气涡轮的物品，该物品具有在使用中暴露于不同的热膨胀下的部分，例如，该不同的热膨胀是由于高温气体稳压室围绕用于处于环境温度的液体的嵌套管道而产生的，其中管道附连到支承结构。这是例如在用于燃气涡轮的燃烧器的燃料喷射器指状物中的情形。
在燃烧器中，为了实现容许的排气污染物水平，在燃烧燃料之前需要燃料与氧化剂(诸如，最常使用的空气)的充分混合。在具有所谓的连续燃烧(诸如例如，在EP 0 718470 B1中描述的)的燃气涡轮中，后续燃烧器被提供有来自在前的涡轮的部分膨胀的、仍然富氧的用作氧化剂的烟道气。在这种燃气涡轮中，且尤其在后续燃烧器中，进入燃烧器的氧化剂(即，部分膨胀的烟道气)的温度超过了燃料的自燃温度。即，在一定的点燃延迟时间后，燃料将自发地点燃。因此在燃料点燃之前的有限的时间范围内实现完全的和均匀的燃料/氧化剂混合是至关重要的。
US 2012/0272659 A1例如公开了一种具有大体上似翼型形状的燃料喷射器装置，横向于流向，其后缘具有波状形状，其中，所述波状的空气动力学截面形成在从前缘到后缘的流向方向上。在后缘处，横向于主流向具有相反速度分量的流相遇并混合，并形成从后缘向下游传播的旋涡，所述旋涡具有基本上在波状后缘的拐点处的旋转中心。燃料通过基本上在所述拐点处布置在后缘处的燃料喷射器件被喷射，并且，由于旋涡，其与氧化剂彻底混合。
然而，该装置的内部几何形状非常复杂。用于冷却空气、运载空气和至少一种燃料的稳压室需要被设置在装置内部。而且，需要设置用于引导和排出多种流体的器件。因此，通过增材制造来制造这种装置。
发明内容
本发明的目标是通过增材制造提供一种物品，其具有嵌套和伸长的部件以及用于嵌套部件的支承结构，以优化支承部件的设计，使得支承部件可在物品的使用期间被保留和/或使得不被移除的支承部件在物品的工作寿命期间具有微不足道的影响。
本发明的基本构思是将增材制造式物品中的嵌套部分的支承结构成形为成阵列的肋。在使用物品期间，在肋的端部处的不同的热膨胀的情形下，这种肋将为了跟随不同的膨胀和避免过多的约束而弹性地弯曲。这导致在运行期间内部应力的降低和制造时间及成本的降低，因为在将物品装配在燃气涡轮中之前无需再移除支承结构。
本发明的另一目标是提供具有这种物品的燃气涡轮，这种物品在使用中暴露于不同的热膨胀下。
通过根据权利要求1的物品、根据权利要求8的燃料喷射器装置和根据权利要求12的燃气涡轮实现这些和其它物品。
附图说明
为了更好地理解本发明，将参照附图进一步公开本发明，在附图中：
图1以侧视图和透视图示出根据本公开的燃料喷射器装置；
图2以透视图示出燃料喷射器装置的示范性实施例的更详细的视图；
图3示出图2的装置的侧视图；
图4示出穿过图2的装置的第一剖面；
图5a示出图2的放大的细节；
图5b示出在图5a中的细节的备选实施例的放大的细节；
图6示出根据本发明的另一实施例的装置的侧视图。
具体实施方式
根据本公开的物品(例如燃料喷射器装置)的示范性实施例的总图示于图1中。图的左侧部分示出侧视图，而图的右侧部分示出透视图。如在侧视图中看到的，燃料喷射器装置1包括本体，该本体在纵向节段上具有大体上类似于翼型件的空气动力学形状。燃料喷射器装置包括前缘11和后缘12，以及在前缘和后缘之间具有以3描绘出的流向方向。燃料喷射器装置本体进一步包括第一表面101和与第一表面相反的第二表面102，所述表面中的各个在前缘和后缘之间延伸并包括前缘和后缘，且所述表面在前缘和后缘处彼此连结。表面101和102沿着流向方向3且沿着横向方向5延伸，横向方向5描绘于图1的右侧部分。燃料喷射器装置为条形的。横断方向4在两个表面101和102之间延伸并特别地垂直于流向方向3和横向方向5。如可看到的，穿过燃料喷射器装置本体，翼型形状的纵向区段的轮廓从一个纵向区段到相邻的纵向区段而改变，导致当沿着流向方向或横向于主流向观看时，后缘12为波状的。在后缘12上设置许多燃料排出器件15。
在本文献的上下文中，流向或流向方向指的是在前缘和后缘之间非指向性的定向。在本文献的上下文中，上游被理解为与流向相反的从后缘至前缘的指向性的流向定向。
在本文献的上下中，下游被理解为在流向上从前缘到后缘的指向性的流向定向。
大体上，在本公开的进一步的讲述中，用语“倾斜的”或“倾斜的表面”将用于与流向方向形成角度的元件或表面，形成的角度小于或等于最大角度60°。在具体实施例中，最大角度为45°。
图2以透视图更具体地示出根据本公开的燃料喷射器装置。如以上提及的，燃料喷射器装置1包括前缘11、后缘12以及在前缘和后缘之间延伸并包括前缘和后缘的表面101和102。如结合图1已提及的，许多燃料排出器件15布置在后缘上。此外，许多燃料排出器件16设置在后缘上。而且，冷却空气出口器件17分别设置在表面101和102上以及后缘上。第一表面101设置在燃料喷射器装置本体的第一壁103上，而第二表面102设置在燃料喷射器装置本体的第二壁104上，所述壁包封内部空间。就像表面101和102一样，壁103和104在前缘和后缘之间延伸并包括前缘和后缘，并在前缘和后缘处连结。在内部空间的内部，设置冷却空气稳压室105、运载空气稳压室106、燃料管道107和燃料稳压室108。供应至冷却空气稳压室105的冷却空气被引导通过相近的壁冷却通道(在该绘图中不可见)，以冷却壁103和104，并通过冷却空气出口器件17排出。燃料被供应至管道107和燃料稳压室并通过燃料排出器件15和16排出。被供应至运载空气稳压室106的运载空气通过布置在燃料排出器件处的运载空气开口排出。在该程度上，许多用于将流体引导至相应的排出开口的管道需要设置在燃料喷射器装置内部。
图3示出燃料喷射器装置1的更详细的侧视图。燃料喷射器装置1包括在其上设置表面101的第一壁103和在其上设置表面102的第二壁104。壁在前缘11和后缘12之间延伸且包括前缘11和后缘12，且在前缘和后缘处，壁彼此连结。由壁包封内部空间。该内部空间包括冷却空气稳压室105、燃料管道107、燃料稳压室108和运载空气稳压室106。通过燃料稳压室壳110包封燃料稳压室107和108。通过支柱113在内部空间内支承壳。燃料油喷嘴114(示于图4中)从第一燃料管道107(在该示范性实施例中为燃料油稳压室)通至燃料排出器件15。燃料稳压室108在该实施例中旨在作为燃料气体稳压室，且燃料气体导管115将燃料气体稳压室连接至燃料气体排出器件16。壳110不接触壁103和104的内表面且在壳110以及壁103和104之间形成间隙，并从而运载空气能够在壳周围流至燃料排出器件15和16，并可以现有技术已知的方式被作为运载空气在燃料排出器件处排出。冷却空气稳压室105在其下游端部上由内部壁结构109限定。运载空气稳压室在其上游端部上由内部壁结构109限定，以及在其下游端部上由内部壁结构111限定，内部壁结构同时为壳110的一部分。燃料管道107具有通过成阵列的肋200而连接至内部壁结构111的上游部分。优选地，肋200在接近于附连件(例如接近于燃料管道107和气体壳110的壁结构111)处较厚。这帮助在远离燃料管道107和壁结构111处提供优选的断裂区域，即，较薄的部分。甚至更优选地，肋200的加厚的部分具有用以附连至燃料管道107和壁结构111的抛物线形或椭圆形的倒角，以促进逐层地熔化制造喷射器的化合物的增材制造步骤。
在燃料稳压室108的下游端部上，燃料稳压室108连接至燃料油喷嘴114。燃料稳压室108在其上游端部上由内部壁结构111限定，且在其下游端部上由壳的下游部分限定。肋200可基本上垂直于横断方向4，即与流向方向3对齐。然而，肋可遵循其它路径，即，肋可如在图5b中示出的那样为弓形的或波形的或其它类似的形状，尤其是平面形状。支柱113优选相对于横断方向4为倾斜的，诸如以形成顶点和两个支腿，其中顶点沿着流向方向3指向上游或下游。换句话说，壁结构相对于流向方向以小于90°的角度倾斜。壁结构109和111的顶点接合。因此，它们在通过增材制造过程(诸如例如选择性的激光熔化)的制造期间沿着流向方向彼此相互支承。
除了以下内容，在图6中示出的备选的实施例类似于关于图3所述的实施例。支柱113相对于横断方向4不是倾斜的而是基本上平行于横断方向4。为了避免在支柱113区域中的过大的张力，在壁结构109和支柱113之间存在切口201。切口201基本上平行于横向方向5且在例如通过作为在增材制造过程之后的精加工的放电加工(EDM)的制造期间被操作。作为备选，切口201可为旨在在预定的工作条件下(例如在首次发动机启动期间)使壁结构109与支柱113断开和脱开的自身可断裂的支承件产生的。
图4描绘了沿着平行于图2的方向3和5的平面的截面，并更详细地画出内部结构。多个燃料油喷嘴114从燃料管道107延伸至第一燃料排出器件15。燃料导管115从燃料稳压室108延伸至燃料排出器件(在该绘图中不可见)。冷却空气通道116从冷却空气稳压室105分支出来。
关于导管114、115、116与喷嘴114、排出器件16和出口器件17的连接的更详细的细节可在共同未决的申请EP -A1-3076084中被找到。
为了提供本发明的实施例，喷射器装置1包括嵌套在壳110内部的管道107。管道107和壳110二者都沿着一个方向(例如，横向方向5)延伸，并经历不同的热膨胀，因为例如在燃气涡轮的稳定状态的运行期间，管道107和壳110由在接近环境温度的温度下的燃料填充，而运载空气稳压室106和冷却空气稳压室105由在可超过800°C的温度下的高压压缩空气填充。在这种条件下，壳110的壁趋于比管道107的壁沿着管道107的伸长的方向(例如，沿着横向方向)膨胀地多得多。成阵列的肋200相对于管道107和壳110的伸长的方向是倾斜的或垂直的。优选地，肋200沿着增材制造过程的累积方向(即，在图的实施例中的流向方向3)伸长。特别地，肋200具有平行于流线方向3的相应的轴线A。此外，轴线A被包括在位于管道107的轴线B上的平面内。
根据本发明的物品的优点为：
肋200基本上是单维的，以在不同的热膨胀的情形下在肋的一端处的管道107和由壳110提供的、连接在肋的另一端处的附连件之间挠曲或弯曲。在制造期间，肋200确保管道107的严格的形状公差，并在运行期间，肋200的弯曲的能力确保在不同的热膨胀的情形下对物品具有微不足道的影响。因此，根据本发明，将潜在的不利元件(即，需要被移除的大型支承结构)转换成在使用期间具有有限的(如果有的话)影响并因此将不被移除的结构特征是可行的。在图的实施例中，由于在表面102、103内管道107的伸长以及在壳110内部和表面102、103内的管道107的嵌套式结构的组合，大型支承结构难以移除。
为了得到以上提及的效果，优选，肋沿着轴线A的纵横比将为至少30或更大，优选包括在45和65之间。实际上，这确保在用于燃气涡轮上的物品的工作寿命期间适当的挠曲或弯曲性质。由沿着轴线A的肋200的长度和垂直于轴线A测量的相对最小的横断尺寸限定纵横比。
管道107包括倾斜的壁，且肋200为有倒角的和/或倾斜的，使得大大地促进了通过增材制造式方法(诸如例如选择性激光熔化或选择性电子束熔化)产生物品，在增材制造式方法中，逐层地使金属粉末选择性地被熔化并再凝固。这可实现是因为，避免了横向于累积方向(例如在图的实施例中的流向方向5)延伸的大型悬空结构的产生。如果例如将通过选择性激光熔化或其它增材制造方法制造悬空结构，则在一个层中，如果没有设置用于已凝固材料的新层的支承，悬空结构可挠曲。结果，可出现差的产品品质，或可取消制造过程。如果所述悬空结构大致是倾斜的，如在公开的装置的制造期间可行的那样，针对各个层，只产生有短的悬臂长度的小的悬空结构。因此，各个小的悬空将通过之前已凝固材料而得到充分支承。
所公开的物品从而特别好地适用于由增材制造过程制造，其中在图的燃料燃烧器的情形下，累积方向从后缘指向前缘或反之亦然。此外，避免了相对于累积方向以大角度(尤其是垂直地)延伸的大型悬空。
理解的是，以上公开的特征和实施例可相互组合。将进一步理解的是，在本公开和要求保护的主题的范围内，进一步的实施例是可想到的，这些实施例对于技术人员来说是显而易见和明显的。
例如，表面可限定伸长的圆柱形表面(即，管或管子)，该表面包封嵌套的伸长壳和/或管道。
此外，取决于使用，表面102、103可仅在一侧处被接合，而在另一边缘处是独立式的，例如，大体“C”形截面形状。当物品也伸长时，该布局使得内部支承结构难以移除。

Claims (12)

1. 一种用于燃气涡轮的增材制造式物品，包括：本体(10)，所述本体(10)具有在第一方向(5)上伸长的两个横向表面(102, 103)；至少嵌套管道(107)，其被容纳在所述横向表面(102, 103)内并在所述第一方向(5)上伸长；一结构，其使得所述嵌套流体管道(107)在结构上连接至所述横向表面(102, 103)内的附连件(110)，其中至少所述本体(10)、所述管道(107)和所述结构由增材制造过程制造且所述结构包括成阵列的肋(200)，所述成阵列的肋(200)附连至所述管道(107)以通过弯曲变形而补偿所述管道(107)沿第一方向(5)相对于所述肋(200)的所述附连件(110)的不同的伸长。
2.根据权利要求1所述的物品，其特征在于，所述肋(200)在接近所述管道(107)和所述附连件(110)处较厚。
3.根据权利要求2所述的物品，其特征在于，所述肋(200)沿着抛物线形或椭圆形轮廓以倒角的方式过渡到所述管道(107)和/或所述附连件(110)。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的物品，其特征在于，至少一个肋(200)的第一轴线(A)平行于所述增材制造过程的累积方向(5)并被包括在位于所述管道(107)的第二轴线(B)上的平面中。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的物品，其特征在于，所述肋(200)的纵横比为至少30。
6. 根据前述权利要求中的任一项所述的物品，其特征在于，所述附连件(110)为被容纳在所述第一和第二表面(102, 103)内并容纳所述管道(107)的壳。
7. 根据前述权利要求中的任一项所述的物品，其特征在于，所述本体(10)为流线型的以沿着流体流使用，且所述第一和所述第二表面(102, 103)被浸入在所述流中，并在它们的上游侧处彼此接合以形成所述本体(10)的前缘(11)且/或在它们的下游侧处接合以形成所述本体的后缘(12)。
8.一种燃料喷射器装置，包括根据前述权利要求中的任一项所述的物品，其特征在于，所述管道(107)为油燃料管道。
9.根据权利要求6和8所述的燃料喷射器装置，其特征在于，所述壳(110)限定气体燃料稳压室(108)。
10. 根据权利要求9所述的燃料喷射器装置，其特征在于，包括在所述第一和所述第二表面(102, 103)内且在所述管道(107)上游的冷却空气稳压室(105)，且其中，所述壳(110)与在下游限定所述冷却空气稳压室(105)的壁结构(109)分开。
11. 根据权利要求10所述的燃料喷射器装置，其特征在于，包括在所述第一和所述第二表面(102, 103)内由所述壳(110)和所述壁结构(109)限定的运载空气稳压室(106)。
12.一种燃气涡轮，包括根据权利要求1至7中的任一项所述的物品和/或根据权利要求8至11中的任一项所述的燃料喷射器装置。
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