CN109386383A - 用于燃气涡轮发动机的入口框架 - Google Patents

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Abstract

提供一种入口框架(54)及其增材制造方法(300)。入口框架(54)包括前部环形体(102)，该前部环形体与后部环形体(104)间隔开，以限定与压缩机入口(108)流体连通的入口通路(106)。入口框架(54)可以限定整体水洗歧管(130)和排放端口(92)，以用于引导水洗流体流直接通过压缩机入口(108)。此外，入口框架(54)可以限定一个或多个整体环形加热增压室(84)、(186)，该一个或多个整体环形加热增压室与热空气源(150)流体连通，以对入口框架(54)的易于经历结冰状况的区域进行加热。

Description

用于燃气涡轮发动机的入口框架
技术领域
本发明主题总体涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地，涉及燃气涡轮发动机的增材制造入口框架。
背景技术
燃气涡轮发动机通常包括布置成彼此流动连通的风扇和核心。另外，燃气涡轮发动机的核心通常包括串联顺序的压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段。在操作中，空气从风扇提供到压缩机区段的入口，在所述压缩机区段，一个或多个轴向压缩机渐进地压缩空气，直到空气到达燃烧区段为止。燃料与压缩空气混合且在燃烧区段内燃烧以提供燃烧气体。燃烧气体从燃烧区段传送到涡轮区段。通过涡轮区段的燃烧气体流驱动涡轮区段，且接着被传送通过排气区段例如到大气。
某些燃气涡轮发动机包括入口框架，该等入口框架被构造成接收气流并且将气流引导至压缩机区段。这些入口框架可以限定通向核心发动机的入口并且可以包括一个或多个入口导叶(IGV)，该一个或多个入口导叶例如可以用于修改被引导至压缩机中的气流，以防止下游压缩机转子叶片失速或喘振。此外，多个流体分配系统和歧管可以安装于入口框架上以用于执行多种功能。例如，入口框架可以包括水洗歧管，该等水洗歧管定位在入口处以用于执行压缩机水洗操作，此外，防结冰歧管可以向入口框架的易于经受结冰状况的区域(例如入口筛网和IGV)提供加热空气。
然而，这些流体分配系统和歧管通常需要多个零件，从而造成组装更复杂、成本增加、以及可靠性降低。例如，传统的入口框架包括大量流体歧管、供给管道、支承结构、喷嘴和其它零件。这些零件中的每一个都必须单独定位、定向并且例如通过钎焊、焊接或者另一种联结方法连接到支承结构和入口框架。与组装这种入口框架相关的制造时间和成本非常高并且歧管与管道之间流体泄露的可能性由于所形成的接头的数量而增大。此外，制造约束规则对可以包括在入口框架中的流体分配系统和歧管的数量、尺寸、配置和位置构成限制。
因此，具有改进的入口框架的燃气涡轮发动机将是有用的。更具体地，包括改进性能并且简化制造和组装的流体分配系统和歧管的入口框架将是特别有益的。
具体地，本申请技术方案1涉及一种用于燃气涡轮发动机的入口框架，所述燃气涡轮发动机限定了轴向方向，径向方向和周向方向，所述燃气涡轮发动机包括压缩机，所述压缩机限定了压缩机入口并且能够围绕轴向方向旋转以用于对气流加压，所述入口框包括：前部环形体；后部环形体，所述后部环形体与所述前部环形体间隔开，以限定与所述压缩机入口流体连通的入口通路；由所述前部环形体限定的环形加热增压室；和流体供给管道，所述流体供给管道限定了热流体通路，所述热流体通路提供了所述环形加热增压室，与热空气源之间的流体连通，以用于向所述环形加热增压室，提供加热流体流。
本申请技术方案2涉及根据技术方案1所述的入口框架，其中所述环形加热增压室，是入口加热增压室，所述入口加热增压室接近所述燃气涡轮发动机的入口筛网被限定在所述前部环形体的径向外部。
本申请技术方案3涉及根据技术方案2所述的入口框架，其中多个加强肋被限定在所述入口加热增压室内。
本申请技术方案4涉及根据技术方案2所述的入口框架，其中所述入口筛网包括：前部入口筛网，所述前部入口筛网从所述入口加热增压室沿径向方向向外延伸，所述前部入口筛网包括多个管，所述多个管与所述入口加热增压室流体连通以用于接收加热流体流。
本申请技术方案5涉及根据技术方案4所述的入口框架，其中所述多个管是交织的。
本申请技术方案6涉及根据技术方案4所述的入口框架，其中所述前部入口筛网是弯曲的。
本申请技术方案7涉及根据技术方案4所述的入口框架，其中所述入口筛网还包括环形排放歧管，所述环形排放歧管限定了与所述入口通路流体连通的一个或多个排放端口，所述多个管中的每一个都终止于所述环形排放歧管中。
本申请技术方案8涉及根据技术方案7所述的入口框架，其中所述入口筛网还包括：外部筛网，所述外部筛网定位在径向入口之上并且基本沿轴向方向在所述环形排放歧管与所述后部环形体之间延伸，所述外部筛网与所述环形排放歧管热连通。
本申请技术方案9涉及根据技术方案1所述的入口框架，其中所述环形加热增压室，是被限定在所述前部环形体的前端上的轮叶加热增压室，所述前部环形体还限定了围绕所述前部环形体周向间隔开并且与所述轮叶加热增压室流体连通的多个开孔，并且其中多个周向间隔开的入口导叶定位在所述入口通路内，每一个入口导叶都具有主轴，所述主轴通过所述多个开孔中的一个延伸到所述轮叶加热增压室中。
本申请技术方案10涉及根据技术方案9所述的入口框架，其中所述入口导叶中的每一个限定了一个或多个内部流体通路，以用于使加热流体流通过所述入口导叶。
本申请技术方案11涉及根据技术方案1所述的入口框架，其中所述前部环形体和所述流体供给管道，整体形成为单个一体部件。
本申请技术方案12涉及根据技术方案1所述的入口框架，其中所述入口框架包括通过以下步骤形成的多个层：将增材层沉积到增材制造机的床上；和将来自能量源的能量选择性地引导到所述增材层上以熔合一部分增材。
本申请技术方案13涉及一种加热燃气涡轮发动机的入口框架的入口筛网的方法，所述燃气涡轮发动机限定了轴向方向，径向方向，和周向方向，所述方法包括：通过入口加热管道提供来自热空气源的热空气流并且使其进入入口加热增压室；在所述入口加热增压室内围绕周向方向扩散热空气流；将热空气流分配到多个管中，所述多个管与所述入口加热增压室流体连通并且形成前部入口筛网；收集通过环形排放歧管中的多个管的热空气流；和将热空气流排放到由所述入口框架的前部环形体和后部环形体限定的入口通路中，所述入口通路与所述燃气涡轮发动机的压缩机入口流体连通。
本申请技术方案14涉及根据技术方案13所述的方法，其中所述前部入口筛网沿径向方向从所述入口加热增压室向外延伸并且朝向轴向方向向后弯曲，并且其中所述多个管是交织的。
发明内容
本发明的各方面和优势将部分地在以下描述中阐述，或可从所述描述显而易见，或可通过本发明的实践而得知。
在本发明的一个示例性实施例中，提供一种燃气涡轮发动机的入口框架。该燃气涡轮发动机限定了轴向方向，径向方向和周向方向，并且包括压缩机，该压缩机限定了压缩机入口并且能够围绕轴向方向旋转以用于对气流加压。入口框架包括前部环形体和后部环形体，后部环形体与前部环形体间隔开以限定与压缩机入口流体连通的入口通路。入口框架还包括由前部环形体限定的环形加热增压室(annular heating plenum)和限定了热流体通路的流体供给管道，热流体通路提供了环形加热增压室与热空气源之间的流体连通，以用于向环形加热增压室提供加热流体流。
在本发明的另一个示例性方面中，提供一种用于制造燃气涡轮发动机的入口框架的方法。该方法包括在增材制造机的床上沉积增材层，并选择性地将来自能量源的能量引导到增材层上以熔合增材的一部分并形成入口框架。入口框架包括前部环形体和后部环形体，后部环形体与前部环形体间隔开以限定入口通路。入口框架还包括由前部环形体限定的环形加热增压室和限定了热流体通路的流体供给管道，热流体通路提供了环形加热增压室与热空气源之间的流体连通，以用于向环形加热增压室提供加热流体流。
在本发明的又一个示例性方面中，提供一种对燃气涡轮发动机的入口框架的入口筛网进行加热的方法。该燃气涡轮发动机限定了轴向方向，径向方向和周向方向。该方法包括通过入口加热管道提供来自热空气源的热空气流并且使其进入入口加热增压室中。该方法还包括在入口加热增压室内围绕周向方向扩散热空气流并且将热空气流分配到多个管中，该多个管与入口加热增压室流体连通并且形成前部入口筛网。该方法还包括收集通过环形排放歧管中的多个管的热空气流并且将热空气流排放到由入口框架的前部环形体和后部环形体限定的入口通路中，入口通路与燃气涡轮发动机的压缩机入口流体连通。
参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入于本说明书中且构成本说明书的一部分的附图说明本发明的实施例，且连同所述描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
本说明书参考附图阐述了本发明的完整且可行的公开内容，包括其对于本领域普通技术人员而言的最佳模式。
图1是根据本公开的各种实施例的示例性涡轮螺旋桨发动机的示意性横截面图。
图2提供了根据本公开的示例性实施例的安装于涡轮螺旋桨发动机的高压压缩机上的入口框架和入口筛网的透视图，其中为了清楚起见去掉了多个细节。
图3是根据本公开的示例性实施例的图2的示例性入口框架的示意性横截面图。
图4提供了根据本公开的示例性实施例的增材制造入口框架、例如图2的示例性入口框架的透视图。
图5提供了根据本公开的示例性实施例的图4的示例性入口框架的主视图，其中入口框架的多个部分以虚线示出以显示多个整体流体分配系统。
图6提供了沿图5的线6-6截取的图4的示例性入口框架的横截面图。
图7提供图4的示例性入口框架的另一个透视横截面图。
图8提供根据本公开的示例性实施例的轮叶加热增压室和入口导叶的横截面图。
图9是根据本公开的示例性实施例的制造入口框架的方法。
图10是根据本公开的示例性实施例的对涡轮螺旋桨发动机的入口框架的入口筛网进行加热的方法。
在本说明书和图中重复使用的附图标记旨在表示本发明的相同或相似特征或元件。
具体实施方式
现将详细参考本发明的当前实施例，其中的一个或多个实例示于附图中。详细描述中使用数字和字母标号来指代图中的特征。图中和描述中使用相同或类似的标示来指代本发明的相同或类似部分。如本文中所使用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以区分一个部件与另一部件，而并非意欲表示个别部件的位置或重要性。术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。举例来说，“上游”是指流体从其流出的方向，而“下游”是指流体流到的方向。此外，当在本文中使用时，例如“约”、“基本上”或“大约”的近似术语是指在百分之十的误差范围内。
本发明总体涉及入口框架及其增材制造方法。该入口框架包括前部环形体，该前部环形体与后部环形体间隔开，以限定与压缩机入口流体连通的入口通路。该入口框架可以限定整体水洗歧管和排放端口，以用于引导水洗流体流直接通过压缩机入口。此外，入口框架可以限定一个或多个整体环形加热增压室，该一个或多个整体环形加热增压室与热空气源流体连通以用于对入口框架的易于经受结冰状况的区域进行加热。
现在参考附图，图1是根据本公开的示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意性横截面图。更确切地说，对于图1的实施例来说，燃气涡轮发动机是逆流涡轮螺旋桨发动机10，在本文中被称作“涡轮螺旋桨发动机10”。如图1中所示，涡轮螺旋桨发动机10限定轴向方向A(其平行于出于参考目的而提供的纵向中心线或中心轴线12延伸)、径向方向R和围绕轴向方向A布置的周向方向C(未示出)。涡轮螺旋桨发动机10大体包括螺旋桨区段14和在螺旋桨区段14下游布置的核心涡轮发动机16，螺旋桨区段14与核心涡轮发动机16一起操作并且由该核心涡轮发动机驱动。
图示的示例性核心涡轮发动机16大体包括沿轴向方向A延伸的基本管状外壳18。外壳18大体封装核心涡轮发动机16并且可以由单个壳体或多个壳体形成。核心涡轮发动机16以串联流动关系包括压缩机22、燃烧区段26、HP涡轮28、LP涡轮30和排气区段32。气流动路径大体延伸通过彼此流体连通的压缩机22、燃烧区段26、HP涡轮28、LP涡轮30、排气区段32。
高压(HP)轴或线轴34将HP涡轮28驱动地连接到压缩机22。低压(LP)轴或线轴36将LP涡轮30驱动地连接到涡轮螺旋桨发动机10的螺旋桨区段14。对于图示实施例而言，螺旋桨区段14包括可变桨距风扇38，该可变桨距风扇具有以间隔开的方式联接到盘42的多个螺旋桨叶片40。如图所示，螺旋桨叶片40大体沿径向方向R从盘42向外延伸。每个螺旋桨叶片40都能够围绕桨距轴线P相对于盘42旋转，原因是螺旋桨叶片40可操作地联接到合适的致动构件44，该致动构件被构造成联合地共同改变螺旋桨叶片40的桨距。螺旋桨叶片40、盘42、和致动构件44能够通过跨过动力齿轮箱46的LP轴36关于纵向轴线12一起旋转。动力齿轮箱46包括多个齿轮，以用于将LP轴36的旋转速度逐步降低到更有效的旋转风扇速度，并且通过一个或多个联接系统附接到核心框架或风扇框架中的一个或两个。盘42由可旋转前毂48覆盖，该前毂具有空气动力学轮廓以促进气流通过多个螺旋桨叶片40。
在涡轮螺旋桨发动机10操作期间，一定体积的空气50通过风扇38的叶片40并且被推向核心涡轮发动机16的径向入口52。更具体地，涡轮螺旋桨发动机10包括入口框架54，该入口框架限定了径向入口52，该径向入口将气流50的入口部分从入口52向下游引导至压缩机22。压缩机22包括一个或多个连续级压缩机定子轮叶60、一个或多个连续级压缩机转子叶片62、和叶轮64。一个或多个连续级压缩机定子轮叶60联接到外壳18并且压缩机转子叶片62联接到HP轴34以逐步压缩气流50。叶轮64进一步压缩空气50并且将压缩空气50引导至燃烧区段26中，空气50在燃烧区段与燃料混合。燃烧区段26包括燃烧器66，燃烧器燃烧空气/燃料混合物以提供燃烧气体68。
燃烧气体68流过HP涡轮28，HP涡轮包括涡轮定子轮叶70的一个或多个连续级和涡轮叶片72的一个或多个连续级。涡轮定子轮叶70的一个或多个连续级联接到外壳18并且涡轮叶片72联接到HP轴34，从其提取热能和/或动能。燃烧气体68随后流过LP涡轮30，通过额外级的涡轮定子轮叶70和联接到LP轴36的涡轮叶片72在LP涡轮处提取额外量的能量。来自HP涡轮28的能量提取通过HP轴34支持压缩机22的操作并且来自LP涡轮30的能量提取通过LP轴36支持螺旋桨区段14的操作。燃烧气体68通过排气区段32离开螺旋桨涡轮发动机10。
应当领会，图1中示出的示例性涡轮螺旋桨发动机10仅仅是示例性的，并且在其它示例性实施例中，涡轮螺旋桨发动机10可以具有任何其它合适的构造。例如，应当领会，在其它示例性实施例中，涡轮螺旋桨发动机10可改为构造成任何其它合适的涡轮发动机，例如涡轮风扇发动机、涡轮喷气发动机、内燃发动机等。此外，尽管上述的涡轮螺旋桨发动机10是用于固定翼或转子飞机的航空燃气涡轮发动机，但是在其它示例性实施例中，涡轮螺旋桨发动机10可以被构造为用于任何数量的应用的任何合适类型的燃气涡轮发动机，例如陆基工业燃气涡轮发动机或者航空燃气涡轮发动机。
此外，在其它示例性实施例中，涡轮发动机可以包括任何合适数量的压缩机、涡轮、轴等。例如，如应当领会的，HP轴34和LP轴36还可以联接到任何合适的装置以用于任何合适的目的。例如，在某些示例性实施例中，图1的涡轮螺旋桨发动机10可用于驱动直升机的螺旋桨，可用于航改式应用中，或可附接到飞机的螺旋桨。此外，在其它示例性实施例中，涡轮螺旋桨发动机10可以包括任何合适类型的燃烧器，并且可以不包括所示的示例性反流燃烧器。
仍然参照图1，涡轮螺旋桨发动机10可以包括入口框架54，以用于将气流引导至核心涡轮发动机16中。尽管下文的描述参考了入口框架54的构造，应当领会，入口框架54仅用于对本公开的方面进行解释的目的。的确，可以应用本公开的方面以形成汽车、航空、海洋和其它工业中所使用的入口框架，从而有助于将气流引导至发动机中以支持操作。
通常，本文所述的入口框架54的示例性实施例可以使用任何合适的工艺来制造或形成。然而，根据本公开的若干方面，入口框架54可以使用诸如3D打印工艺之类的增材制造工艺来形成。使用此类工艺可以允许将入口框架54一体地形成为单个一体部件，或形成为任何合适数量的子部件。具体而言，制造工艺可以允许入口框架54一体地形成，并且包括使用先前制造方法时不可能实现的各种特征。例如，本文中所描述的增材制造方法使得能够制造使用先前制造方法时不可能实现的具有多个特征、配置、厚度、材料、密度、流体通路、和安装结构的入口框架。本文中描述了这些创新特征中的一些。
如本文中所使用，术语“增材制造”或“增材制造技艺或工艺”通常是指制造工艺，其中连续的材料层被提供在彼此上以逐层“堆积”出三维部件。连续的层通常熔合在一起以形成可以具有各种一体式子部件的整体部件。尽管在本文中将增材制造技术描述为通常在竖直方向上通过逐点、逐层构建对象来实现复杂对象的制造，但其它制造方法是可能的并且在本公开主题的范围内。举例来说，尽管本文的讨论涉及添加材料以形成连续层，但所属领域的技术人员将了解，本文公开的方法和结构可以用任何增材制造技艺或制造技术来实施。举例来说，本公开的实施例可以使用增层工艺(layer-additive process)、减层工艺(layer-subtractive process)或混合工艺。
根据本发明的合适的增材制造技术包括，例如：熔融沉积成型(FDM)；选择性激光烧结(SLS)；3D打印，例如通过喷墨、激光喷射和粘合剂喷射打印；立体光刻(SLA)；直接选择性激光烧结(DSLS)；电子束烧结(EBS)；电子束熔融(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)；数字光处理(DLP)；直接选择性激光熔融(DSLM)；选择性激光熔融(SLM)；直接金属激光熔融(DMLM)，以及其它已知工艺。
本文所描述的增材制造方法可以用于使用任何合适材料形成部件。举例来说，所述材料可以是塑料、金属、混凝土、陶瓷、聚合物、环氧树脂、感光聚合物树脂，或可以是固体、液体、粉末、片材、线材或任何其它合适形式的任何其它合适材料或其组合。更具体地说，根据本公开主题的示范性实施例，本文中所描述的增材制造部件可以部分地、整体地或以某一材料组合形成，所述材料包括但不限于纯金属、镍合金、铬合金、钛、钛合金、镁、镁合金、铝、铝合金和镍或钴基超合金(例如，可以从特种金属公司(Special MetalsCorporation)以名称获得的那些)。这些材料是适于在本文中所描述的增材制造工艺中使用的材料的实例，并且可以被总体称为“增材”。
此外，所属领域的技术人员将了解，可以使用各种材料和用于粘合这些材料的方法，并且将其视为在本公开的范围内。如本文中所使用，对“熔合”的提及可以指用于产生上述材料中的任何一个的结合层的任何合适工艺。举例来说，如果对象是由聚合物制成，则熔合可以指在聚合材料之间产生热固性结合。如果对象是环氧树脂，则结合可以通过交联过程来形成。如果材料是陶瓷，则结合可以通过烧结过程来形成。如果材料是粉末金属，则结合可以通过熔融或烧结过程来形成。所属领域的技术人员将了解，熔合材料通过增材制造来制造部件的其他方法是可能的，并且可以用那些方法来实践当前公开的主题。
此外，本文公开的增材制造工艺允许单个部件由多种材料形成。因此，本文中所描述的部件可以由上述材料的任何合适混合物形成。举例来说，部件可以包括使用不同材料、工艺和/或在不同增材制造机器上形成的多个层、片段或部分。以此方式，可以构造具有不同材料和材料特性以满足任何特定应用的需求的部件。另外，尽管本文中所描述的部件完全由增材制造工艺构造，但应了解，在替代实施例中，这些部件的全部或一部分可以经由铸造、机械加工和/或任何其他合适的制造工艺形成。实际上，可以使用材料与制造方法的任何合适组合来形成这些部件。
现将描述示范性增材制造工艺。增材制造工艺使用部件的三维(3D)信息，例如三维计算机模型，来制造部件。因此，部件的三维设计模型可以在制造之前限定。就此而言，可以扫描部件的模型或原型以确定部件的三维信息。作为另一实例，可以使用合适的计算机辅助设计(CAD)程序来构造部件的模型以限定部件的三维设计模型。
设计模型可以包括部件的整体配置，包括部件的外表面和内表面两者，的3D数字坐标。举例来说，设计模型可以限定主体、表面、和/或诸如开口、支承结构等之类的内部通路。在一个示范性实施例中，三维设计模型例如沿着部件的中心(例如，竖直)轴线或任何其他合适的轴线被转换成多个切片或片段。对于切片的预定高度，每一切片可以限定部件的薄横截面。多个连续的横截面切片共同形成3D部件。接着逐切片或逐层地“堆积”所述部件，直到完成。
以此方式，可以使用增材工艺来制造本文中所描述的部件，或更具体地说，例如通过使用激光能量或热或通过烧结或熔融金属粉末来熔合或聚合塑料来连续地形成每一层。举例来说，特定类型的增材制造工艺可以使用能量束，例如电子束或例如激光束等电磁辐射，以烧结或熔融粉末材料。可以使用任何合适的激光和激光参数，包括关于功率、激光束光斑大小和扫描速度的考虑。建造材料可以通过经选择以增强强度、耐久性和使用寿命，特别是在高温下的任何合适粉末或材料形成。
每一连续层可以例如在约10μm与200μm之间，但根据替代实施例，厚度可以基于任何数目个参数来选择，并且可以是任何合适的大小。因此，利用上文所描述的增材形成方法，本文中所描述的部件可以具有与增材形成过程期间使用的相关联粉末层的一个厚度，例如10μm，一样薄的横截面。
此外，利用增材工艺，部件的表面光洁度和特征可以取决于应用而视需要加以变化。举例来说，特别是在与部件表面相对应的横截面层的外周中，可以通过在增材工艺期间选择适当的激光扫描参数(例如，激光功率、扫描速度、激光焦点尺寸等)来调节表面光洁度(例如，使其更光滑或更粗糙)。举例来说，可以通过增大激光扫描速度或减小所形成的熔池的大小来实现更粗糙的光洁度，并且可以通过减小激光扫描速度或增大所形成的熔池的大小来实现更光滑的光洁度。还可以改变扫描图案和/或激光功率，以改变所选区域的表面光洁度。
值得注意的是，在示范性实施例中，由于制造约束，本文中所描述的部件的若干特征在先前是不可能的。然而，本发明人已经有利地利用增材制造技艺中的当前进展来大体上根据本公开来开发此类部件的示范性实施例。尽管本公开不限于大体使用增材制造来形成这些部件，但增材制造确实提供了多种制造优点，包括制造的容易性、降低的成本、更高的准确度，等。
就此而言，利用增材制造方法，甚至多零件部件也可以形成为单件连续金属，并且因此与先前设计相比可以包括更少的子部件和/或接头。这些多零件部件通过增材制造的一体形成可以有利地改进整个组装过程。举例来说，一体形成减少了必须组装的单独零件的数目，因此减少了相关联时间和总组装成本。此外，可以有利地减少存在的例如泄漏、单独零件之间的接头质量以及总体性能的问题。
而且，上文所描述的增材制造方法实现本文中所描述的部件的更复杂和精密的形状和轮廓。举例来说，这种部件可以包括具有一体安装特征的独特的流体通路和薄增材制造层。此外，增材制造工艺使得能够制造具有不同材料的单个部件，从而使得部件的不同部分可以展现出不同的性能特性。制造工艺的连续增材特性使得能够构造这些新颖特征。因此，本文中所描述的部件可以展示出改进的功能性和可靠性。
现在总体参考图2至8，根据本公开的示例性实施例来描述入口框架54。如图2和3中最佳示出的，入口框架54限定了在安装入口框架54时与涡轮螺旋桨发动机10的类似方向相对应的轴向方向A1、径向方向R1、和周向方向C1。应当领会，本文中描述的入口框架54仅作为用于解释本公开的方面的示例性实施例。为了清楚起见，附图中并未示出入口框架54的所有部分，并且可以对入口框架54进行改型和变型，同时仍然属于本公开的范围内。
现在特别参照图2，将根据本公开的示例性实施例来描述如燃气涡轮发动机中使用的入口框架54的透视图。尽管本文中将入口框架54描述成用于涡轮螺旋桨发动机10中，应当领会，入口框架54可以用于其它的燃气涡轮发动机中并且可以包括多种改型和变型，同时仍然属于本公开的范围内。
如图2中所示和上文简要描述的，入口框架54定位在压缩机22的上游并且限定径向入口52以用于将入口空气接收到核心发动机16中。更具体地，入口框架54大体被构造成用于将气流50的入口部分从入口52向下游引导至压缩机22。如图所示，入口框架54包括定位在径向入口52之上的入口筛网80，以用于防止不期望的碎屑进入压缩机22和核心发动机16。
现在也参照图3，将根据示例性实施例来描述入口筛网80。如图所示，入口筛网80包括前部入口筛网82，该前部入口筛网从入口加热增压室84(下文更详细地描述)沿径向方向R向外延伸。前部入口筛网82包括多个交织管86，从而限定入口空气50可以通过其中同时滤出不期望碎屑的孔。根据示例性实施例，每一个管86限定了流体通路88，该流体通路与入口加热增压室84流体连通以用于接收加热流体流。尽管本文中将入口筛网82图示为入口框架54的整体部分，但是应当领会，入口筛网82可以是以任何合适的方式与入口框架54联结的单独部件。
尽管本文中将管86图示为交织的，但是应当领会，可以根据替代性实施例使用管86的任何其它合适的形状、尺寸、和构造。例如，管86可以沿径向方向R彼此平行地延伸，以在其间限定流动通路，以用于气流50通过。此外，入口筛网80的形状可以根据替代性实施例发生变化。例如，将前部入口筛网82图示为弯曲的，使得其从入口加热增压室84基本沿径向方向R延伸，随后例如沿轴向方向A被引向后环形体104。其它的形状和构型是可能的并且属于本公开的范围内。
入口筛网80还包括环形排放歧管90，该环形排放歧管限定了与入口通路106(下文更详细地描述)流体连通的一个或多个排放端口92，以用于将加热空气排放回到气流50中。多个交织管86中的每一个都终止于环形排放歧管90中。通过该方式，限定一个连续通路以用于接收加热流体、例如压缩机22放气的流，以用于加热入口筛网80，从而防止结冰，以免堵塞入口52或者造成其它的操作性问题。更具体地，来自压缩机22的加热空气流能够通过入口加热增压室84、通过管86、并且进入环形排放歧管90，之后通过排放端口92被排放到入口通路106中。尽管本文中将环形排放歧管和90描述成围绕整个入口框架54延伸360度的单个歧管，但是应当领会，环形排放歧管90反而可以是多个分立段，该多个分立段能够独立于相邻段操作或者可以与相邻段流体连通。
此外，根据本公开的示例性实施例，入口筛网80还可以包括外部筛网94，该外部筛网定位在径向入口52之上并且基本沿轴向方向A在环形排放歧管90与后部环形体104(下文更详细地描述)之间延伸。根据图示实施例，外部筛网94包括与环形排放歧管90热连通(thermal communication)的多个交织线(interwoven wires)96。更具体地，线96从环形排放歧管90延伸，使得通过线96传导热，以进一步防止外部筛网94上结冰。应当领会，根据多个实施例，线96可以与或可以不与环形排放歧管90整体形成。
现在参考图3，提供涡轮螺旋桨发动机10的示例性入口框架54的近距示意图。如图所示，入口框架54包括前部环形体102和后部环形体104。后部环形体104沿轴向方向A1和径向方向R1与前部环形体102间隔开，以限定入口通路106。入口通路106大体提供核心涡轮发动机16的径向入口52与涡轮螺旋桨发动机10的压缩机22的压缩机入口108之间的流体连通。应当领会，当在本文中使用时，“前部”和“后部”大体用于限定部件沿入口框架54的轴向方向A1的相对定位。
如图所示，入口通路106是径向入口，该径向入口被构造成接收并且沿流动路径112将气流(由箭头50指示)引导至压缩机入口108。入口通路106大体包括两个区段：径向区段114和过渡区段116。径向区段114大体沿径向方向R1定向。通过该方式，入口通路106的径向入口52被认为是径向入口。过渡区段116定位在径向区段114的下游并且具有大致弓形或弯曲形状。过渡区段116限定了入口通路106的使流动路径112从大体径向方向R1过渡到大体轴向方向A1的段。因此，气流50基本沿径向方向R1进入入口通路106并且过渡或被再次引导以基本沿轴向方向A进入压缩机入口108。就这方面而言，应当领会，尽管本文中将涡轮螺旋桨发动机10图示为“反流”发动机，根据替代性实施例的其它构型也是可能的。
此外，参照图2至4，入口框架54包括多个支柱118，该多个支柱定位在入口通路106内并且在前部环形体102与后部环形体104之间延伸。支柱118围绕周向方向C1大体等距地定位，以向入口框架54提供结构支承。此外，支柱118可以具有空气动力学轮廓，以减少气流50的停滞并且改进气流50在入口通路106的过渡区段116与径向区段114之间的过渡。根据图示实施例，入口框架54包括五个支柱，该五个支柱沿入口通路106的流动路径112长度的一半以上延伸。然而，根据替代性实施例，入口框架54可以包括任何合适数目、尺寸、位置、和构造的支柱118。
现在还参照图5至8，入口框架54可以包括多个流体分配和/或空气供给管道和增压室以用于起到多种作用。总体而言，使用本文中所描述的增材制造技术，这些多个流体循环特征中的一些或全部都可以在单个增材制造过程期间整体形成在入口框架54内。除了减少所需部件的数目、组装时间、成本、和可靠性考虑因素(例如，与泄露相关)，使用增材制造来整体形成这种特征可以提供显著的性能优点，下文将描述其中的一些。
如图5至7中最佳示出的，入口框架54可以包括环形水洗歧管130，该环形水洗歧管限定了环形水洗增压室132。入口框架54还包括入口管道134，该入口管道限定了与环形水洗增压室132流体连通的水洗流体通路136。如图6中最佳示出的，入口管道134定位成接近并且/或者位于后部环形体104的前壁137内，并且在涡轮螺旋桨发动机10的径向入口52与环形水洗歧管130之间沿径向方向R1延伸。遍布入口框架54限定的前壁137和其它壁可以以任何合适的厚度制造。例如，根据示例性实施例，前壁137的厚度小于十毫米并且图示实施例的前壁137的厚度为大约两毫米。
入口管道134可以流体联接到水洗流体供给部138。通过该方式，水洗流体流可以通过水洗流体通路136从水洗流体供给部138被供给并且进入环形水洗增压室132中。环形水洗歧管130沿周向方向C1延伸，以围绕环形水洗增压室132分配水洗流体流。尽管图示出单个入口管道134(例如，在图6中)，但是应当领会，可以根据替代性实施例使用多于一个的入口管道(例如沿周向方向C1间隔开)。此外，根据一个示例性实施例，前部环形体102、后部环形体104、环形水洗歧管130、和入口管道134整体形成为单个一体部件。
如图7中最佳示出的，入口框架54还包括多个排放端口140。更具体地，排放端口140例如使用本文中所描述的增材制造技术由后部环形体104限定并且整体形成在该后部环形体内。总体而言，排放端口140提供环形水洗增压室132与入口通路106之间的流体连通。通过该方式，当水洗流体流从水洗流体供给部138被供给到环形水洗歧管130中时，水洗流体从排放端口140被喷出并且被喷入涡轮螺旋桨发动机10的压缩机22中，以执行水洗操作。排放端口140可以具有任何合适的尺寸、几何形状和取向，以便实现期望的喷洒体积、圆锥尺寸和轨道。例如，根据图示实施例，排放端口140沿径向方向R1伸长，例如，使得喷洒圆锥高度覆盖压缩机入口108的整个高度。
值得注意的是，由于制造约束，传统的水洗流体歧管定位在入口框架外侧，例如位于入口框架的入口径向外侧的位置处。这种构造可能导致清洁低效，原因在于水洗流体流将依赖转动发动机来将流从径向方向再次导向轴向方向，以用于与压缩机的定子轮叶和转子叶片的直接接触。就这方面而言，频繁间接喷洒水洗流体降低了清洁操作的有效性。
为了改进水洗系统的清洁效率，入口框架54的排放端口140定位在压缩机入口108的视线内。当在本文中使用时，“视线”用于表示两个部件或特征直接并且无视角遮挡的相对定位。根据另一个实施例，流体喷洒线142在多个排放端口140中的每一个与压缩机入口108的中点144之间沿径向方向R1延伸。根据一个实施例，流体喷洒线142与轴向方向A1基本平行。通过该方式，水洗流体流可以通过压缩机入口108从排放端口140被直接喷出并且进入压缩机22中，例如使得其可以直接撞击并且清洁定子轮叶60和转子叶片62。根据另一个实施例，排放端口140定位成在前部环形体102与第一压缩机翼型件148的前部边缘之间相对于相交部146径向向内。
根据图示实施例，入口框架54包括沿周向方向C1围绕后部环形体104等距间隔开的十四个排放端口140。应当注意到，使用本文中所描述的增材制造技术，排放端口140可以根据执行特定清洁操作的需要形成于任何合适的位置处并且具有任何合适的尺寸、形状、或取向。例如，排放端口140可以形成于任何合适的位置(多个位置)处、以任何合适的角度(多个角度)定向、并且可以沿周向方向C1和/或径向方向R1交错或径向偏置。通过整体形成环形水洗歧管130和入口管道134，并且通过在后部环形体104中限定排放端口140，水洗系统的清洁效率和可靠性得以改进，同时入口框架54的总体重量减小并且维护问题和成本减少。
现在总体参照图2至8，入口框架54还可以包括多个抗结冰特征，该多个抗结冰特征定位在入口框架54的在涡轮螺旋桨发动机10操作期间经受冷空气并且具有结冰倾向的区域内或接近该区域。总体而言，入口框架54可以包括例如由前部环形体102限定的一个或多个环形加热增压室。此外，入口框架54能够包括流体供给管道，该流体供给管道限定了与环形加热增压室流体连通的热流体通路。这些环形加热增压室和流体供给管道(下文将提供其实例)被大体构造成用于提供热空气流，以加热入口框架54的区域，从而降低积冰的可能性或者从而融化已形成的冰。例如，环形加热增压室可以与热空气源150流体连通，以用于向环形加热增压室提供加热流体流。根据图示实施例，热空气源150是涡轮螺旋桨发动机10的压缩机22并且加热流体流是压缩机22放出的热压缩空气。
例如，根据一个实施例，入口框架54限定了入口筛网80(例如，如上文所述以及图2和3中所示)，该入口筛网被构造成定位在入口52上方的过滤装置。入口筛网80由于其在涡轮螺旋桨发动机10操作期间经受的非常冷的温度而易于结冰。因此，环形加热增压室可以是入口加热增压室84(上文同样描述)。入口加热增压室84是环形增压室，该环形增压室接近涡轮螺旋桨发动机10的入口筛网80被限定于前部环形体102的径向外部。此外，流体供给管道可以是入口加热管道164，该入口加热管道限定了与入口加热增压室84流体连通的热流体通路。
入口筛网80可以简单地通过传导加热来加热，例如通过接近入口加热增压室84与入口框架54相接触。替代性地，入口筛网80可以限定一个或多个流体通路88(例如，如上文所描述的)，该一个或多个流体通路与入口加热增压室84流体连通，以用于从入口加热管道164接收加热空气。通过该方式，例如，热压缩空气流可以从热空气源150(例如，压缩机22)放出并且通过入口加热管道164通向入口加热增压室84，在该入口加热增压室处，热压缩空气流被分配到多个流体通路88以用于加热入口筛网80。
如图3和7中最佳示出，前部环形体102还可以限定位于入口加热增压室84内的多个加强肋(stiffening ribs)168。加强肋168可以在入口加热增压室84内周向地定位在期望位置处，以用于向入口框架54提供必要的结构支承。此外，根据示例性实施例，加强肋168可以被构造成用于分开和/或再次引导加热空气流，以改进加热入口筛网80。
参照图8，入口框架54还可以包括围绕入口通路106周向布置的多个入口导叶180。入口导叶180可以是固定或可变导叶，该导叶具有定位在入口通路106内的轮叶182和联接到前部环形体102的主轴184。入口导叶180被构造成用于修改和引导气流50，以使发动机性能最大化并且提供安全发动机操作条件等其它益处。具体而言，入口导叶180被构造成修改气流50，以根据压缩机22的操作条件或操作点向压缩机22输送限定预旋。例如，这可以保证实现广泛操作范围内的充分的压缩机失速/喘振。
类似于入口筛网80，入口导叶180易于在涡轮螺旋桨发动机10的操作期间结冰。因此，环形加热增压室可以是被限定在前部环形体102的前端(例如，接近压缩机入口108)上的轮叶加热增压室186。此外，流体供给管道可以是轮叶加热管道188，该轮叶加热管道限定了与轮叶加热增压室186流体连通的热流体通路。应当注意到，每一个入口导叶180的主轴184都延伸到轮叶加热增压室186中以用于加热。更具体地，例如，前部环形体102可以限定围绕前部环形体102周向间隔开并且与轮叶加热增压室186流体连通的多个开孔189。每一个主轴184都可以延伸通过开孔189中的一个并且延伸到轮叶加热增压室186中以用于加热。如图6中最佳示出，衬套可以定位在每一个开孔189内，以保护主轴184和环形体102。衬套可以由不同金属制成，以承受高强度磨损并且能够在需要时易于更换。
入口导叶180可以简单地通过传导加热来加热，例如通过与轮叶加热增压室186内的热空气相接触。替代性地，入口导叶180可以限定一个或多个流体通路190，该一个或多个流体通路与轮叶加热增压室186流体连通，以用于从轮叶加热管道188接收加热空气。通过该方式，例如，热压缩空气可以从热空气源150(例如，压缩机22)放出并且通过轮叶加热管道188通向轮叶加热增压室186，在轮叶加热增压室处，热压缩空气流被分配到多个流体通路190以用于加热入口导叶180。
现在参照图5，入口框架54还包括由后部环形体104限定的排油管道194。排油管道194与入口框架54的集油区域196流体连通。例如，根据一个示例性实施例，排油管道194在涡轮螺旋桨发动机10的A-sump内沿周向方向C1定位在六点钟位置处。通过该方式，收集到的油将在重力的作用下通过排油管道194下降至储油器198(图5)以用于循环或处理。排油管道194的其它位置和构型是可能的并且属于本公开的范围内。
应当领会，本文仅出于解释本公开的各个方面的目的描述入口框架54。举例来说，入口框架54在本文中将用于描述入口框架54的示例性构型、构造、和制造方法。应该领会，本文讨论的增材制造技术可以用于制造用于任何合适的装置、用于任何合适的目的以及用于任何合适的工业的其它的入口框架。因此，本文中所描述的示范性部件和方法仅用于说明本公开公开的示范性方面，而不意欲以任何方式限制本公开的范围。
既然已经呈现了根据本公开的示例性实施例的入口框架54的构造和配置，提供根据本公开的示例性实施例的用于形成入口框架的示例性方法200。方法200能够被制造商用于形成入口框架54、或者任何其它合适的入口框架。应该理解，本文仅讨论示例性方法200以描述本公开的示例性方面，而不是限制性的。
现在参考图9，方法200包括，在步骤210处，在增材制造机的床上沉积增材层。方法200还包括，在步骤220处，将来自能量源的能量选择性地引导到增材层上，以熔合一部分增材并形成燃气涡轮发动机的入口框架。
例如，使用来自上文的实例，在步骤220处形成的入口框架可以包括前部环形体，该前部环形体与后部环形体间隔开以限定入口通路；环形水洗歧管，该环形水洗歧管限定了环形水洗增压室；入口管道，该入口管道限定了与环形水洗增压室流体连通的水洗流体通路；和多个排放端口，该多个排放端口由后部环形体限定并且在环形水洗增压室与入口通路之间提供流体连通。应当注意到，根据示例性实施例，前部环形体、后部环形体、环形水洗歧管、和入口管道整体形成为单个一体部件。
方法200还可以包括在步骤230处形成位于前部环形体内的环形加热增压室。此外，流体供给管道可以形成为限定热流体通路，该热流体通路与环形加热增压室流体连通。根据一个实施例，热流体通路提供环形加热增压室与热空气源、例如压缩机放气源之间的流体连通，以用于将加热流体流提供到环形加热增压室。
方法200还可以包括在步骤240处形成位于后部环形体内的整体排油管道。根据示例性实施例，排油管道与入口框架的集油区域流体连通。应当领会，可以根据替代性实施例包括其它的流体分配歧管、管道和通路。
现在参照图10，描述了用于对燃气涡轮发动机的入口框架的入口筛网进行加热的示例性方法300。接续来自上文的实例，入口框架可以是入口框架54并且燃气涡轮发动机可以是涡轮螺旋桨发动机10，使得涡轮螺旋桨发动机10限定了轴向方向、径向方向和周向方向。然而，应当领会，本文中讨论的示例性方法300仅用以描述本公开的示例性方面，而不意在构成限制。
现在参照图10，方法300包括在步骤310处通过入口加热管道提供来自热空气源的热空气流并且使其进入入口加热增压室中。步骤320包括在入口加热增压室内围绕周向方向散布热空气流并且步骤330包括将热空气流分配到多个管中，该多个管与入口加热增压室流体连通并且形成前部入口筛网。在步骤340处，方法300包括收集通过环形排放歧管的多个管的热空气流。方法300还包括在步骤350处将热空气流排放到由入口框架的前部环形体和后部环形体限定的入口通路中，入口通路与燃气涡轮发动机的压缩机入口流体连通。
为了说明和讨论的目的，图9和10示出以特定次序执行的步骤。所属领域的技术人员使用本文中所提供的公开内容应理解，可以以各种方式调整、重新布置、扩展、省略或修改本文中所讨论的方法的步骤，而不会偏离本发明的范围。此外，尽管使用入口框架54作为例子来解释方法200和300的各方面，但应该领会，这些方法可以应用于制造任何合适的入口框架或部件。
以上描述了增材制造的入口框架以及制造该入口框架的方法。应当注意到，入口框架54可以大体包括增强性能的几何形状，清洁特征、和抗结冰特征，通过增材制造过程来促进其实际实施方案，如下所述。例如，使用本文中所描述的增材制造方法，入口框架可以包括改进的压缩机水洗系统、用于入口筛网和/或入口导叶的抗结冰增压室、和整体排油管道。可以在设计入口框架期间引入这些特征，使得其可以易于以较少或在不增加成本的情况下在建造工艺期间整体形成到入口框架中。此外，包括前部环形体、后部环形体、支柱、水洗歧管、加热歧管、多个入口管道、和其它特征在内的整个入口框架能够整体形成为单个一体部件。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使所属领域的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执行任何所并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书限定，且可包括所属领域的技术人员所想到的其它实例。如果此类其它实例包括并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么它们既定在权利要求范围内。
零件列表

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮发动机(10)的入口框架(54)，所述燃气涡轮发动机(10)限定了轴向方向(A)，径向方向(R)和周向方向(C)，所述燃气涡轮发动机(10)包括压缩机(22)，所述压缩机限定了压缩机入口(108)并且能够围绕轴向方向(A)旋转以用于对气流(50)加压，所述入口框架(54)包括：
前部环形体(102)；
后部环形体(104)，所述后部环形体与所述前部环形体(102)间隔开，以限定与所述压缩机入口(108)流体连通的入口通路(106)；
由所述前部环形体(102)限定的环形加热增压室(84)，(186)；和
流体供给管道(164)，(188)，所述流体供给管道限定了热流体通路，所述热流体通路提供了所述环形加热增压室(84)，(186)与热空气源(150)之间的流体连通，以用于向所述环形加热增压室(84)，(186)提供加热流体流。
2.根据权利要求1所述的入口框架(54)，其中所述环形加热增压室(84)，(186)是入口加热增压室(84)，所述入口加热增压室接近所述燃气涡轮发动机(10)的入口筛网(80)被限定在所述前部环形体(102)的径向外部。
3.根据权利要求2所述的入口框架(54)，其中多个加强肋(168)被限定在所述入口加热增压室(84)内。
4.根据权利要求2所述的入口框架(54)，其中所述入口筛网(80)包括：
前部入口筛网(82)，所述前部入口筛网从所述入口加热增压室(84)沿径向方向(R)向外延伸，所述前部入口筛网(82)包括多个管(86)，所述多个管与所述入口加热增压室(84)流体连通以用于接收加热流体流。
5.根据权利要求4所述的入口框架(54)，其中所述多个管(86)是交织的。
6.根据权利要求4所述的入口框架(54)，其中所述前部入口筛网(82)是弯曲的。
7.根据权利要求4所述的入口框架(54)，其中所述入口筛网(80)还包括环形排放歧管(90)，所述环形排放歧管限定了与所述入口通路(106)流体连通的一个或多个排放端口(92)，所述多个管(86)中的每一个都终止于所述环形排放歧管(90)中。
8.根据权利要求7所述的入口框架(54)，其中所述入口筛网(80)还包括：
外部筛网(94)，所述外部筛网定位在径向入口(52)之上并且基本沿轴向方向(A)在所述环形排放歧管(90)与所述后部环形体(104)之间延伸，所述外部筛网(94)与所述环形排放歧管(90)热连通。
9.根据权利要求1所述的入口框架(54)，其中所述环形加热增压室(84)，(186)是被限定在所述前部环形体(102)的前端上的轮叶加热增压室(186)，所述前部环形体(102)还限定了围绕所述前部环形体(102)周向间隔开并且与所述轮叶加热增压室(186)流体连通的多个开孔(189)，并且其中多个周向间隔开的入口导叶(182)定位在所述入口通路(106)内，每一个入口导叶(182)都具有主轴(184)，所述主轴通过所述多个开孔(189)中的一个延伸到所述轮叶加热增压室(186)中。
10.一种加热燃气涡轮发动机的入口框架的入口筛网的方法(300)，所述燃气涡轮发动机限定了轴向方向，径向方向，和周向方向，所述方法(300)包括：
通过入口加热管道提供来自热空气源的热空气流并且使其进入入口加热增压室(310)；
在所述入口加热增压室(320)内围绕周向方向扩散热空气流；
将热空气流分配到多个管中，所述多个管与所述入口加热增压室流体连通并且形成前部入口筛网(330)；
收集通过环形排放歧管(340)中的多个管的热空气流；和
将热空气流排放到由所述入口框架的前部环形体和后部环形体限定的入口通路中，所述入口通路与所述燃气涡轮发动机(350)的压缩机入口流体连通。
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