CN109477580A - 流量阻尼器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本公开大致涉及可变蜂窝结构、制造这种蜂窝结构的方法、以及用于喷气式飞机的涡轮发动机的可变蜂窝流量阻尼器。

Description

流量阻尼器及其制造方法
技术领域
本公开大致涉及可变蜂窝结构、制造这种蜂窝结构的方法以及用于喷气式飞机的涡轮发动机的可变蜂窝流量阻尼器。
背景技术
蜂窝单元结构是已知的并且广泛地用于航空工业。例如，Hayes等的美国专利申请No.2004/0048027公开了在用于飞机机翼和翼型的前缘和副翼中使用的蜂窝芯产品。蜂窝芯产品定位在机翼的前缘上并且由外皮构件覆盖以及附连至结构支承构件。美国专利申请No.2004/0048027的全部内容通过参引方式结合到本文中。
蜂窝状结构还被用作用于喷气式飞机的燃气涡轮发动机的流量阻尼器。例如，Devi等的美国专利申请No.2012/0163955公开了一种燃气涡轮机中的蜂窝状流量阻尼器。图1示出在燃气涡轮发动机中位于转子10与定子12之间的界面的透视图。图2示出图1所示界面局部放大图，包括蜂窝状流量阻尼器14。定子12相对于转子10保持固定，转子10由于运动经过转子轮叶16的燃烧气体的力而转动。燃烧气体18的一部分通过转子尖端20与定子12之间的界面泄漏，降低了发动机的效率。为了减少泄漏，流量阻尼器14被设置在定子12与转子尖端20之间的界面处，如图2所示。转子尖端20运动经过流量阻尼器14的蜂窝状结构22的、限定摩擦路径24的一部分，如图3所示。如图2和图3所示，蜂窝单元22中的每一个具有相同的几何形状，包括具有相同相对壁厚和型线(contour)。美国专利申请No.2012/0163955的全部内容通过参引方式结合到本文中。
发明内容
以下提出本发明的一个或多个方面的概述，以便提供对这些方面的基本理解。本概述不是对全部预期方面的广泛综述，并且旨在既不标识所有方面的主要或关键因素也非描绘任何或所有方面的范围。其目的是以简化形式呈现一个或多个方面的一些构思，作为随后提出的更详细说明的前序。
本发明提供一种蜂窝结构，包括由单元壁限定的厚度尺寸和由互连单元的边缘限定的表面平面，表面平面包括单元的第一蜂窝区域，第一蜂窝区域在表面平面中具有第一最大尺寸，表面平面包括单元的第二蜂窝区域，第二蜂窝区域在表面平面中具有第二最大尺寸，其中，第二尺寸小于第一尺寸，以及第一蜂窝区域或第二蜂窝区域中的至少一者的单元壁具有非线性型线或可变厚度。
在另一个方面中，本公开提供一种涡轮发动机，包括定子、转子和位于所述定子和所述转子之间的界面区域以及位于所述界面区域处的流量阻尼器。流量阻尼器包括蜂窝结构，蜂窝结构包括由单元壁限定的厚度尺寸和由互连单元的边缘限定的表面平面，表面平面包括单元的第一蜂窝区域，第一蜂窝区域在表面平面中具有第一最大尺寸，表面平面包括单元的第二蜂窝区域，第二蜂窝区域在表面平面中具有第二最大尺寸，其中，第二尺寸小于第一尺寸。
本发明的这些以及其他方面将在审阅随后的详细说明的基础上变得被更全面地理解。
附图说明
图1是在燃气涡轮发动机中位于转子尖端与定子之间的界面的侧面透视图。
图2是在图1所示的界面处的常规蜂窝状流量阻尼器的局部放大图。
图3是示出转子尖端的摩擦路径的常规蜂窝流量阻尼器的俯视图。
图4是根据本发明的方面的流量阻尼器的蜂窝结构的示意性表示的俯视图。
图5是根据本发明的方面的流量阻尼器的可替代蜂窝结构的俯视图。
图6是图4所示第一单元类型的剖面图。
图7是图4所示第二单元类型的剖面图。
图8是图4所示第三单元类型的剖面图。
图9是示出用于增材制造图4的蜂窝结构的示例设备的示意图。
具体实施方式
以下与附图结合阐述的详细说明旨在作为对各种构造的说明，而非旨在表示可以实施本文中说明的构思的唯一构造。详细说明包括为了提供对各个构思的彻底理解的具体细节。然而，本领域技术人员将理解的是，没有这些具体细节也可以实施这些构思。
图4是可被用作燃气涡轮发动机中的流量阻尼器(flow discourager)的蜂窝结构400的示意性表示的俯视图。蜂窝结构400包括多个具有不同几何形状的单元。不同的单元几何形状可以在蜂窝结构400内限定特定区域，比如图4所示的摩擦路径402。蜂窝结构400包括多个具有第一几何形状的第一单元404和多个具有第二几何形状的第二单元406。蜂窝结构400还可以包括多个具有第三几何形状的第三单元408，这些第三单元可以设置在第一类型和第二类型的单元之间的过渡处内。
尽管单元被描绘为球形或椭圆形，只要不同尺寸的单元如本文中说明地布置，每个单元的几何形状可以变化。例如，单元可以是多边形，比如用于蜂窝状结构的六边形，但具有不同的尺寸，使得整体结构具有类似于如图4所示的不同区域。例如，图5描绘了与图4相似的蜂窝结构，但利用了六边形、菱形和三角形形状的组合。在该示例中，内部流动路径区域中的单元的最大直径大于流动路径的外部和两侧上的单元。更小的单元建立在流动路径区域的外部和内部的单元之间的过渡区域中。图5示出多个具有不同几何形状的单元。不同单元几何形状可以在蜂窝结构500内的限定特定区域，比如摩擦路径502。蜂窝结构500包括多个具有第一几何形状的第一单元502和多个具有第二几何形状的第二单元504。蜂窝结构500还可以包括多个具有第三几何形状的第三单元506，这些第三单元可以设置在第一类型和第二类型的单元之间或相同类型的单元之间(例如第一类型的单元之间或第二类型的单元之间)的过渡处内。蜂窝结构还可以包括多个具有第四几何形状的单元508，这些第四单元可以设置在第一类型、第二类型或第三类型的单元之间或相同类型的单元之间(例如第一类型的单元之间、第二类型的单元或第三类型的单元之间)的过渡处内。
用于本申请的术语“尺寸”可以指代可被用于比较单元的相对尺寸的任何相似尺寸测量值。例如，在单元406的形状为椭圆形的情况下，尺寸优选地是如图4所示的最大直径410。这种情况下，第二单元406具有大于第一单元404和第三单元408的相同几何形状的尺寸(即最大直径)。在所对比的所有单元是球形(例如单元404、408)的情况下，直径412、414可以是所对比的几何形状。对于多边形(例如，单元502、504、506、508)，几何形状可以是最大直径，但也可以是多边形的一部分的尺寸，比如侧面的长度。
图6示出第一示例单元600的截面。图7示出第二示例单元700的截面。图8示出第三示例单元800的壁厚的截面。如图6-8所示，单元600、700、800中的每一个包括厚度尺寸602、702、802，厚度尺寸602、702、802可以沿着单元壁的高度604、704、804变化，例如厚度是可变的。此外，单元壁可以具有可以包括一个或多个弯曲部的非线性型线。例如，图6中示出的单元600具有朝向单元的顶部边缘606非线性地逐渐减小的厚度602。在图7所示的单元700中，厚度702朝向单元的顶部边缘706非线性地减小，但另外包括弯曲部708。在图8所示的单元800中，厚度802朝向单元的顶部边缘806非线性地减小，但另外包括形成Z形图案的多个弯曲部808。虽然图6-8示出几个示例性单元截面轮廓，可以实现其他轮廓，比如其他厚度型线和其他类型和数量的弯曲部。例如，可以具有比所示出的更少或更多的弯曲部(例如，单元壁可以包括1个、2个、3个、4个、5个、6个或更多个弯曲部)，弯曲部的尖锐度(例如角)可以小于或大于所示出的。在本发明的一个方面中，第二组多个单元406的单元壁可以具有比第一组多个单元404的单元壁更多的弯曲部。
在本发明的一个方面中，单元型线中的任一者可以组合为任何类型的组合中的相邻单元。例如，单元600可以与单元700和/或800连接。单元700可以与单元600和/或800连接。多个单元600(例如2个、3个、4个、5个等等)可以在单元700和/或单元800中的一个或多个(例如2个、3个、4个、5个等等)之后连接在一起。相邻单元可以交替。
蜂窝结构400具有由单元600、700、800的壁限定的厚度尺寸604、704、804。在本发明的方面中，厚度尺寸在整个蜂窝结构上是均匀的，例如，厚度尺寸604、704、804中的每一个是相同的。在另一个方面中，厚度尺寸604、704、704可以变化。蜂窝结构400包括由互连单元的边缘606、706、806限定的表面平面416。表面平面416包括单元的第一蜂窝区域，第一蜂窝区域具有位于表面平面416中的第一最大尺寸410(例如，该区域具有第二组多个单元406)。表面平面416包括单元的第二蜂窝区域，第二蜂窝区域具有位于表面平面416中的第二最大尺寸412(例如，该区域具有第一组多个单元404)。如图4所示，第二尺寸412可以小于第一尺寸410。表面平面416可以包括单元的第三蜂窝区域，第三蜂窝区域具有位于表面平面416中的第三最大尺寸414(例如该区域具有第三组多个单元408)。第三最大尺寸414可以小于第一最大尺寸410和第二最大尺寸412两者。
在本发明的一方面中，第三组多个单元408(例如所述单元具有第三最大尺寸414)可以限定第一区域与第二区域之间的过渡区域。例如，如图4所示，第三组多个单元408散布在第一组多个单元404与第二组多个单元406之间。通过使第三组多个单元408散布在第一组多个单元404与第二组多个单元406之间，提供平滑过渡区域。如图4所示，可以具有两个过渡区域，使得蜂窝结构的中心(例如摩擦路径402)由第二组多个单元406形成，中心由相对侧上的过渡区域包围。这样，从蜂窝结构400的一端开始并且在相对端部上终止(例如，附图的左侧至右侧)，单元轮廓以第一组多个单元404开始，随后是第三组多个单元408、之后是第二组多个单元406、随后是第三组多个单元408并且以第一组多个单元404终止。
在本发明的另一个方面中，并非具有第三组多个单元408，过渡区域可以包括散布的第一组多个单元404和第二组多个单元406。例如，从蜂窝结构的一端开始并且在相对端部上终止，单元轮廓以第一组多个单元404开始，随后是散布的第一组多个单元404和第二组多个单元406、之后是第二组多个单元406、随后是散布的第一组多个单元404和第二组多个单元406，并且以第一组多个单元404终止。蜂窝结构可以包括与转子10的尖端20相互作用摩擦路径402。如图4所示，摩擦路径402可以包括主要的(例如大于单元的90％，优选地大于单元的95％，优选地大于单元的99％)第二组多个单元406，并且还可以包括过渡单元的一些部分，例如，第三组多个单元408。还如图4中所示，在摩擦路径402的外部，这些单元是具有过渡单元的一些部分的主要的(例如大于单元的90％，优选地大于单元的95％，优选地大于单元的99％)第一组多个单元404，例如，第三组多个单元408。在本发明的一方面中，第二组多个单元406可以具有与第一组多个单元404相比的相对较高的径向刚度。这可以通过利用构造有足够壁厚和型线以获得所需硬度(例如单元600、700、800)的单元获得。通过主要包括在摩擦路径402中具有更高的径向刚度的单元以及包括在摩擦路径402的外部具有更低径向刚度的单元，蜂窝结构400在与转子10的尖端20相互作用时性能被优化。
类似地，蜂窝结构500具有由单元502、504、506、508的壁限定的厚度尺寸。蜂窝结构500包括由互连单元的边缘限定的表面平面510。表面平面510包括单元的第一蜂窝区域，第一蜂窝区域具有位于表面平面510中的第一最大尺寸512(例如，该区域具有第一组多个单元502)。表面平面510包括单元的第二蜂窝区域，第二蜂窝区域具有位于表面平面510中的第二最大尺寸514(例如，该区域具有第二组多个单元504)。如图5所示，第二尺寸514可以小于第一尺寸512。表面平面510可以包括单元的第三蜂窝区域，第三蜂窝区域具有位于表面平面510中的第三最大尺寸516(例如该区域具有第三组多个单元506)。第三最大尺寸516可以小于第一最大尺寸512和第二最大尺寸514两者。表面平面510可以包括单元的第四蜂窝区域，第四蜂窝区域具有位于表面平面510中的第四最大尺寸518(例如该区域具有第三组多个单元508)。第四最大尺寸518可以小于第一最大尺寸512、第二最大尺寸514和第三最大尺寸516中的全部。蜂窝结构500的单元可以如本文所述地具有与蜂窝结构400相同的壁结构，比如图6-8所示地具有相同的壁轮廓。另外，如图5所示，第二组多个单元504(例如具有第二最大尺寸514的单元)和/或第三组多个单元506(例如具有第三最大尺寸516的单元)和/或第四组多个单元508(例如具有第四最大尺寸518的单元)可以在其他区域之间限定过渡区域。例如，如图5所示，第三组多个单元506可以定位在第一组多个单元502与第二组多个单元504之间，同时第二组多个单元504和第四组多个单元508可以定位在第一组多个单元502之间。通过使第二组多个单元504、第三组多个单元506和/或在第一组多个单元502与第二组多个单元504之间的第四组多个单元508，提供平滑过渡区域。如图5所示，可以具有两个过渡区域，使得蜂窝结构的中心由第一组多个单元502形成，中心由相对侧面上的过渡区域包围。这样，从蜂窝结构500的一端开始并且在相对端部上终止(例如，附图的左至右)，单元轮廓以第二组多个单元504开始，随后是第三组多个单元506、之后是第一组多个单元502、随后是第二组多个单元504和第四组多个单元508，并且以第一组多个单元502终止。
本文中说明的蜂窝结构可以用于代替图1和图2中示出的蜂窝状结构14、22。例如，根据本发明的方面的燃气涡轮机可以包括图1和图2中示出的全部元件，包括定子、转子以及位于定子和转子之间的界面区域。
特定单元的单元壁的特定厚度和型线可以通过利用增材制造(AM)工艺获得。AM工艺大致涉及累积一种或多种材料以与减材制造工艺相比制造净成形(net shape)或近净成形(near net shape)(NNS)物体。虽然“增材制造”是行业标准术语(ASTM F2792)，但是AM包括以各种名称已知的各种制造和模型制造技术，包括形式自由制造、3D打印、快速模型制造/工具等等。AM技术能够由各种各样的材料制造复杂部件。一般地，独立物体(freestanding object)可以由计算机辅助设计(CAD)模型制造。特定类型的AM处理利用能量射束，例如，电子束或电磁辐射，比如激光束，来烧结或熔化粉末材料，产生其中粉末材料的微粒粘合在一起的实体三维物体。采用不同的材料系统，例如工程塑料、热塑性弹性材料、金属和陶瓷。激光烧结或熔化是用于功能模型制造和工具的快速制造的著名的AM工艺。应用包括复杂工件的直接制造、用于熔模铸造的模式、用于压射成型和压铸的金属模型以及用于砂型铸造的模型和芯。设计周期期间制造样品物体以加强对构思的表达和测试是AM工艺的其他公共用途。
选择性激光烧结、直接激光烧结、选择性激光熔化以及直接激光熔化是用于指代利用激光束来烧结或熔化细粉末生产三维(3D)物体的通用行业术语。例如，美国专利号4,863,538和美国专利号5,460,758描述了常规激光烧结技术。更准确地，烧结需要以粉末物料的熔点以下的温度熔融(凝结)粉末的微粒，而熔化需要完全熔化粉末的微粒以形成固体均质块。与激光烧结或激光熔化有关的物理工艺包括热传递至粉末材料，以及然后烧结或熔化粉末材料。尽管激光烧结和熔化工艺可被应用于广泛范围的粉末材料，但是生产路线的学术和技术方面，例如，层制造工艺期间的关于显微结构演化的烧结或熔化速率以及工艺参数的效果尚未被较好地理解。该制造方法伴随着多种模式的热传递、质量传递和动量传递，以及使得工艺非常复杂的化学反应。
图9是用于直接金属激光烧结(DMLS)或直接金属激光熔化(DMLM)的示例性常规系统900的横截面视图的示意图。该设备900利用由比如为激光器920的光源产生的能量射束936通过烧结或熔化粉末材料(未示出)以逐层方式建造物体，例如蜂窝结构60。通过能量射束熔化的粉末通过储器926供给以及利用沿方向934前进的重涂臂916在建造板914上方均匀地散布，以将粉末保持在水平918并且去除在粉末水平918之上方延伸至废料容器928的过量粉末材料。能量射束936在振镜扫描器(galvo scanner)932的控制下烧结或熔化蜂窝结构的横截面层。建造板914降下并且另一层粉末散布在所建立的建造板和物体上方，随后通过激光器920连续地熔化/烧结粉末。重复该工艺，直到蜂窝结构400、500完全由熔化/烧结的粉末材料建造为止。可以通过包括处理器和存储器的计算机系统控制激光器920。计算机系统可以对于每一层确定扫描模式并且控制激光器920以根据扫描模式照射粉末材料。在完成蜂窝结构400、500的制造之后，各种后期处理过程可以应用于蜂窝结构400、500。后期处理过程包括通过例如吹气或抽真空去除过量粉末。其他后期处理过程包括应力消除处理。另外，热和化学后期处理过程可被用于完成蜂窝结构400、500。
AM工艺可以利用任何适当的材料来形成蜂窝结构400、500，并且特别是用于燃气轮机的材料。示例材料可以从由钢、钴铬合金、铬镍铁合金、铝和钛组成的组中选择。因此，所形成的蜂窝结构中的每个单元可以包括或包含从由钢、钴铬合金、铬镍铁合金、铝和钛组成的组中选择的材料。
该文字说明书利用示例以公开本发明，包括优选实施例，并且还使得本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可获得专利的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有并非不同于权利要求的字面语言的结构元件，或者这些其他示例包括与权利要求的字面语言无实质性区别的等同结构元件，则这些其他示例确定为在权利要求的范围内。所述各个实施例的方面以及对于每个这种方面的其他已知的等同方案可以由本领域普通技术人员组合和匹配以根据本申请的原理构造另外的实施例和技术。

Claims (20)

1.一种蜂窝结构，包括：
由单元壁限定的厚度尺寸和由互连单元的边缘限定的表面平面；
所述表面平面包括所述单元的第一蜂窝区域，所述第一蜂窝区域在所述表面平面中具有第一最大尺寸；
所述表面平面包括所述单元的第二蜂窝区域，所述第二蜂窝区域在所述表面平面中具有第二最大尺寸，其中，所述第二尺寸小于所述第一尺寸；以及
所述第一蜂窝区域或所述第二蜂窝区域中的至少一者的所述单元壁具有非线性型线或可变厚度。
2.根据权利要求1所述的蜂窝结构，其中，所述表面平面包括位于所述第一蜂窝区域与所述第二蜂窝区域之间的过渡区域，所述过渡区域由所述过渡区域中的单元限定，所述过渡区域具有小于所述第一尺寸或第二尺寸的第三尺寸。
3.根据权利要求1所述的蜂窝结构，其中，所述非线性型线包括至少一个弯曲部。
4.根据权利要求4所述的蜂窝结构，其中，所述非线性型线包括三个或更多个弯曲部。
5.根据权利要求1所述的蜂窝结构，其中，所述第一蜂窝区域包括在所述单元壁中具有两个或更多个弯曲部的单元。
6.根据权利要求5所述的蜂窝结构，其中，所述第二蜂窝区域包括在所述单元壁中比所述第一蜂窝区域中的所述单元具有更少弯曲部的单元。
7.根据权利要求1所述的蜂窝结构，其中，所述可变厚度包括从所述单元的底部指向所述表面平面的锥体。
8.根据权利要求1所述的蜂窝结构，其中，所述表面平面包括位于所述第一蜂窝区域与所述第二蜂窝区域之间的过渡区域，其中，所述过渡区域包括散布有具有第二最大尺寸的单元的具有第一最大尺寸的单元。
9.根据权利要求1所述的蜂窝结构，其中，所述第一蜂窝区域夹持在所述第二蜂窝区域的两个部分之间。
10.根据权利要求1所述的蜂窝结构，其中，所述单元中的每一个包括从由钢、钴铬合金、铬镍铁合金、铝和钛组成的组中选择的材料。
11.一种涡轮发动机，包括：
定子、转子和位于所述定子和所述转子之间的界面区域；以及
流量阻尼器，所述流量阻尼器位于所述界面区域处，所述流量阻尼器包括蜂窝结构，所述蜂窝结构包括：
由单元壁限定的厚度尺寸和由互连单元的边缘限定的表面平面；
所述表面平面包括所述单元的第一蜂窝区域，所述第一蜂窝区域在所述表面平面中具有第一最大尺寸；
所述表面平面包括所述单元的第二蜂窝区域，所述第二蜂窝区域在所述表面平面中具有第二最大尺寸，其中，所述第二尺寸小于所述第一尺寸。
12.根据权利要求11所述的涡轮发动机，其中，所述表面平面包括位于所述第一蜂窝区域与所述第二蜂窝区域之间的过渡区域，所述过渡区域由所述过渡区域中的单元限定，所述过渡区域具有小于所述第一尺寸或第二尺寸的第三尺寸。
13.根据权利要求11所述的涡轮发动机，其中，所述第一蜂窝区域或第二蜂窝区域中的至少一者的所述单元壁具有非线性型线或可变厚度，以及其中，所述非线性型线包括至少一个弯曲部。
14.根据权利要求14所述的涡轮发动机，其中，所述非线性型线包括三个或更多个弯曲部。
15.根据权利要求11所述的涡轮发动机，其中，所述第一蜂窝区域包括在所述单元壁中具有两个或更多个弯曲部的单元。
16.根据权利要求15所述的涡轮发动机，其中，所述第二蜂窝区域包括在所述单元壁中比所述第一蜂窝区域中的所述单元具有更少弯曲部的单元。
17.根据权利要求11所述的涡轮发动机，其中，所述可变厚度包括从所述单元的底部指向所述表面平面的锥体。
18.根据权利要求11所述的涡轮发动机，其中，所述表面平面包括位于所述第一蜂窝区域与所述第二蜂窝区域之间的过渡区域，其中，所述过渡区域包括散布有具有第二最大尺寸的单元的具有第一最大尺寸的单元。
19.根据权利要求11所述的涡轮发动机，其中，所述第一蜂窝区域夹持在所述第二蜂窝区域的两个部分之间。
20.根据权利要求11所述的涡轮发动机，其中，所述单元中的每一个包括从由钢、钴铬合金、铬镍铁合金、铝和钛组成的组中选择的材料。
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