CN110494632B - 具有冷却流体通道的增材制造的机械紧固件 - Google Patents

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Abstract

提供了一种增材制造的紧固件及其制造方法。该紧固件包括限定内部通道的杆部和限定与内部通道流体连通的分配腔室的头部。头部进一步限定冷却面，该冷却面限定多个冷却孔，用于接收来自内部通道和分配腔室的冷却空气流。另外，冲击挡板位于分配腔室中并且限定冲击孔，用于引导冷却空气流到冷却面上。

Description

具有冷却流体通道的增材制造的机械紧固件
联邦研究报告
本发明是在美国国防部授予的合同No.FA8650-09-D-2922的政府支持下完成的。该政府拥有本发明的某些权利。
技术领域
本主题一般涉及机械紧固件，更具体地，涉及包括内部流体通道以便于冷却的增材制造的机械紧固件。
背景技术
燃气涡轮发动机通常包括彼此流动连通布置的风扇和核心。另外，燃气涡轮发动机的核心通常以串联流动顺序包括压缩机区段，燃烧区段，涡轮区段和排气区段。在操作中，从风扇向压缩机区段的入口提供空气，其中一个或多个轴向压缩机逐渐压缩空气直到其到达燃烧区段。燃料与压缩空气混合并在燃烧区段内燃烧以提供燃烧气体。燃烧气体从燃烧区段被导向到涡轮区段。燃烧气体流通过涡轮区段驱动涡轮区段，然后被导向通过排气区段，例如通向大气。
在整个传统的燃气涡轮发动机中使用具有各种尺寸，形状和构造的机械紧固件来机械地联接发动机的各种部件或区段。通常，这些紧固件暴露于与燃气涡轮发动机的操作相关的高温下。例如，机械紧固件用于连接燃气涡轮发动机的燃烧区段内的各种部件。值得注意的是，如果暴露于如此高温下而没有充分冷却，这些紧固件可能会熔化，氧化或以其他方式劣化。另外，当紧固件头部暴露在燃气涡轮发动机的膜冷却表面内时，紧固件头部可能会破坏膜，导致局部热点。
因此，具有能够承受高温的机械紧固件的燃气涡轮发动机将是有益的。更具体地，具有集成冷却特征的机械紧固件将是特别有益的。
发明内容
本发明的方面和优势将在以下描述中部分地阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过实践本发明来得知。
在本公开的一个示例性实施例中，提供了限定中心线的增材制造紧固件。该紧固件包括沿着中心线延伸并限定内部流体通道的杆部。头部附接于杆部并且限定与内部流体通道流体连通的分配腔室，头部包括限定与分配腔室流体连通的多个冷却孔的冷却面。
在本公开的另一示例性方面中，提供了一种制造紧固件的方法。该方法包括在增材制造机器的床上沉积添加材料层，并将来自能量源的能量引导至添加材料层上，以熔合添加材料的一部分并形成紧固件。该紧固件包括限定内部流体通道的杆部和附接到杆部的头部，该头部包括限定与内部流体通道流体连通的多个冷却孔的冷却面。
参考以下描述和所附权利要求书，将更好地了解本发明的这些及其他特征、方面和优势。并入并构成该说明书的一部分的附图图示了本发明的实施例，并同描述一起用来说明本发明的原理。
附图说明
在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且可行的公开，包括其最佳模式，其参考所附的附图，其中：
图1是根据本主题的各种实施例的示例性燃气涡轮发动机的示意性横截面视图。
图2提供了根据本主题的示例性实施例的增材制造的机械紧固件的局部立体图。
图3提供了根据本主题的另一示例性实施例的增材制造的机械紧固件的立体图。
图4提供了根据本主题的另一示例性实施例的增材制造的机械紧固件的立体图。
图5提供了根据本主题的另一示例性实施例的增材制造的机械紧固件的立体图。
图6提供了根据本主题的另一示例性实施例的增材制造的机械紧固件的立体图。
图7提供了了图6的沿图6中线7-7截取的示例性机械紧固件的横截面视图。
图8提供了根据本主题的示例性实施例的增材制造的机械紧固件的头部的横截面视图。
图9提供了根据本主题的另一示例性实施例的增材制造的机械紧固件的头部的横截面视图。
图10提供了根据本主题的另一示例性实施例的增材制造的机械紧固件的头部的横截面视图。
图11提供了根据本主题的另一示例性实施例的增材制造的机械紧固件的头部的横截面视图。
图12提供了根据本主题的示例性实施例的安装在波纹板中的增材制造的机械紧固件的示意图。
图13提供了根据本主题的另一示例性实施例的增材制造的机械紧固件的头部的横截面视图。
图14提供了根据本主题的示例性实施例的图1的示例性燃气涡轮发动机的燃烧区段的示意图。
图15是根据本主题的示例性实施例的用于形成机械紧固件的方法。
在本说明书和附图中重复使用参考字符旨在表示本发明的相同或类似的特征或元件。
具体实施方式
现将详细地参照本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中被图示。具体说明中使用数字和字母标记来指出附图中的特征。附图和说明书中的相同或类似的标记已用于指代本发明的相同或类似的部分。
本公开一般涉及一种增材制造的机械紧固件及其制造方法。该紧固件包括限定内部通道的杆部和限定与内部通道流体连通的分配腔室的头部。头部进一步限定冷却面，该冷却面限定多个冷却孔，用于接收来自内部通道和分配腔室的冷却空气流。另外，冲击挡板位于分配腔室中并且限定冲击孔，用于引导冷却空气流到冷却面上。
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视图。更具体地，对于图1的实施例，该燃气涡轮发动机是高旁通涡轮风扇喷气发动机10，在此称为“涡轮风扇发动机10”。如图1所示，该涡轮风扇发动机10限定轴向方向A(其平行于提供参考的纵向中心线或中心轴线12延伸)和径向方向R。通常，该涡轮风扇10包括风扇区段14和设置在风扇区段14下游的核心涡轮发动机16。
描绘的示例性核心涡轮发动机16通常包括限定环形入口20的基本上管状的外壳体18。外壳体18以串联流动关系包围：压缩机区段，其包括增压器或低压(LP)压缩机22和高压(HP)压缩机24；燃烧器或燃烧区段26；涡轮区段，其包括高压(HP)涡轮28和低压(LP)涡轮30；喷射排气喷嘴区段32。高压(HP)轴或线轴34将HP涡轮28驱动地连接到HP压缩机24。低压(LP)轴或线轴36将LP涡轮30驱动地连接到LP压缩机22。
对于所描绘的实施例，风扇区段14包括可变桨距风扇38，其具有以间隔开的方式联接到盘42的多个风扇叶片40。如所描绘的，风扇叶片40通常沿径向方向R从盘42向外延伸。由于风扇叶片40可操作地联接到合适的致动构件44，每个风扇叶片40相对于盘42绕着俯仰轴线P可旋转，该致动构件44被构造成集中地一致地改变风扇叶片40的桨距。风扇叶片40，盘42和致动构件44越过动力齿轮箱46通过LP轴36绕着纵向轴线12一起旋转。动力齿轮箱46包括用于将LP轴36的旋转速度降低到更有效的旋转风扇速度的多个齿轮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者。
仍然参考图1的示例性实施例，盘42被可旋转前毂48覆盖，前毂48具有空气动力学轮廓以促进空气流通过多个风扇叶片40。另外，示例性风扇区段14包括环形风扇壳体或外机舱50，其周向上环绕风扇38和/或核心涡轮发动机16的至少一部分。应该理解的是，机舱50可以构造成通过多个周向上间隔开的出口导向轮叶52相对于核心涡轮发动机16被支撑。此外，机舱50的下游区段54可以在核心涡轮发动机16的外部上延伸，以便在它们之间限定旁通气流通道56。
在涡轮风扇发动机10的操作中，一定量的空气58通过机舱50和/或风扇区段14的关联入口60进入涡轮风扇10。当一定量的空气58穿过风扇叶片40时，如箭头62所示的空气58的第一部分被引导或导向到旁通气流通道56中，并且如箭头64所示的空气58的第二部分被引导或导向到LP压缩机22中。空气的第一部分62和空气的第二部分64的比例通常称为旁通比。当空气的第二部分64被导向通过高压(HP)压缩机24并进入燃烧区段26时，空气的第二部分64的压力被增加，在燃烧区段26其与燃料混合并燃烧以提供燃烧气体66。
燃烧气体66被导向通过HP涡轮28，在HP涡轮28中来自燃烧气体66的热能和/或动能的一部分经由联接到外壳体18的HP涡轮定子轮叶68和联接到HP轴或线轴34的HP涡轮转子叶片70的连续级被提取，从而导致HP轴或线轴34旋转，从而支撑HP压缩机24的操作。燃烧气体66然后被导向通过LP涡轮30，在LP涡轮30中经由联接到外壳体18的LP涡轮定子轮叶72和联接到LP轴或线轴36的LP涡轮转子叶片74的连续级从燃烧气体66提取热能和/或动能的第二部分，从而导致LP轴或线轴36旋转，从而支撑LP压缩机22的操作和/或风扇38的旋转。
燃烧气体66随后被导向通过核心涡轮发动机16的喷射排气喷嘴区段32，以提供推进推力。同时，随着空气的第一部分62在其从涡轮风扇10的风扇喷嘴排气区段76排出之前被导向通过旁通气流通道56，空气的第一部分62的压力被显著增加，这也提供推进推力。HP涡轮28，LP涡轮30和喷射排气喷嘴区段32至少部分地限定热气体路径78，用于将燃烧气体66导向通过核心涡轮发动机16。
应该理解的是，图1中所描绘的示例性涡轮风扇10只是示例的形式，在其他的示例性实施例中，涡轮风扇10可以具有任何其他合适的构造。例如，应当理解在其他示例性实例中，涡轮风扇10可以代替地被构造成任何其他合适的涡轮发动机，例如涡轮螺旋桨发动机，涡轮喷气式发动机，内燃机等。
涡轮风扇10可包括在整个涡轮风扇10中的各个位置处的一个或多个机械紧固件100，以联接各个区段，结合多个部件或以其他方式附接涡轮风扇10的各个部件。如果在涡轮风扇10内的某些位置使用，则机械紧固件100经常暴露于非常高的温度下。例如，机械紧固件100可以用在燃烧区段26中，如下面更详细描述的。为了防止在这样的热环境中退化和过早失效，机械紧固件100包括各种特征以便于机械紧固件100和/或涡轮风扇10的位于机械紧固件100附近的位置的冷却。尽管机械紧固件100在下面示出为定位在燃烧区段26内，但是应当理解，这仅是用于描述机械紧固件100的各种特征和功能的一个示例性应用。根据替代实施例，机械紧固件100可以用在涡轮风扇10的任何合适位置或者在需要结合两个或更多个部件并且需要局部冷却的任何其他应用中。
通常，本文描述的机械紧固件100的示例性实施例可以使用任何合适的处理来制造或形成。然而，根据本主题的若干方面，机械紧固件100可使用增材制造处理形成，例如3D打印处理。这种处理的使用可以使机械紧固件100作为单个整体部件，或作为任何合适数量的子部件整体地形成。特别地，该制造处理可以允许机械紧固件100整体形成并且包括在使用现有制造方法时不可能具备的各种特征。例如，本文所述的增材制造方法使得能够制造具有使用现有制造方法时不可能具备的各种特征，构造，厚度，材料，密度和流体通道的机械紧固件。这里描述了这些新颖特征中的一些。
如本文所用，术语“增材制造的”或“增材制造技术或处理”通常指制造处理，其中，彼此提供连续材料层，以逐层“构建起”三维部件。连续层通常熔合在一起以形成整体部件，其可具有各种整体的子部件。虽然本文将增材制造技术描述为能够通过通常在竖直方向上逐点，逐层地构建物体来制造复杂物体，但是其他制造方法也是可行的，并且在本主题的范围内。例如，尽管本文的讨论涉及添加材料以形成连续层，但是本领域技术人员将理解，本文公开的方法和结构可以使用任何增材制造技术或制造技术来实施。例如，本发明的实施例可以使用加层处理，减层处理或混合处理。
根据本公开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)，诸如通过喷墨和激光喷射的3D打印，立体光刻(SLA)，直接选择性激光烧结(DSLS)，电子束烧结(EBS)，电子束熔化(EBM)，激光工程净成形(LENS)，激光净形制造(LNSM)，直接金属沉积(DMD)，数字光处理(DLP)，直接选择性激光熔化(DSLM)，选择性激光熔化(SLM)，直接金属激光熔化(DMLM)和其他已知的处理。
本文所述的增材制造处理可被用于使用任何合适的材料形成部件。例如，材料可以是塑料，金属，混凝土，陶瓷，聚合物，环氧树脂，光聚合物树脂，或任何其他合适的材料，可以是固体，液体，粉末，板材，线材或任何其它合适的形式。更具体地，根据本主题的示例性实施例，本文所述的增材制造的部件可以部分地，整体地或以材料的一些组合形成，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，可从特殊金属公司(Special Metals Corporation)获得的名称为铬镍铁合金
Figure BDA0002218474170000061
下的那些)。这些材料是适用于本文所述的增材制造处理的示例性材料，并且通常可称为“添加材料”。
另外，本领域技术人员将理解，可以使用多种材料和用于结合这些材料的方法，并且在本公开的范围内设想这些材料和方法。如本文所用的，对“熔合”的参考，可以指用于创建任何上述材料的结合层的任何合适处理。例如，如果物体由聚合物制成，则熔合可以指在聚合物材料之间创建热固性结合。如果物体是环氧树脂，则可以通过交联处理形成该结合。如果材料是陶瓷，则可以通过烧结处理形成该结合。如果材料是粉末状金属，则通过熔化或烧结处理形成该结合。本领域技术人员将理解，通过增材制造熔合材料来制作部件的其他方法是可行的，并且本公开的主题可以利用那些方法来施行。
此外，本文公开的增材制造处理允许单个部件由多种材料形成。因此，本文描述的部件可以由上述材料的任何合适的混合物形成。例如，部件可包括使用不同材料，处理，和/或在不同的增材制造机器上形成的多个层，部段或部分。通过这种方式，可以构造具有不同材料和材料特性的部件，以满足任何特定应用的要求。另外，尽管这里描述的部件完全通过增材制造处理构造，但是应当理解，在替代实施例中，这些部件的全部或一部分可以通过铸造，机加工，和/或任何其他合适的制造处理形成。实际上，材料和制造方法的任何合适组合都可以用于形成这些部件。
现将描述示例性增材制造处理。增材制造处理使用部件的三维(3D)信息(例如三维计算机模型)来制造部件。因此，可以在制造之前限定部件的三维设计模型。从这方面考虑，可以扫描该部件的模型或原型来确定部件的三维信息。作为另一个例子，可以使用合适的计算机辅助设计(CAD)程序来定义部件的三维设计模型以构建部件的模型。
设计模型可以包括部件的整个构造的3D数字坐标，包括部件的外表面和内表面。例如，设计模型可以限定主体，表面和/或内部通道，例如开口，支撑结构等。在一个示例性实施例中，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片段或部段。每个片段可以限定部件的薄横截面用于片段的预定高度。多个连续的横截面片段一起形成3D部件。然后，部件通过逐片，或逐层地“构建起”，直到完成为止。
以这种方式，本文所述的部件可以使用增材处理制造，或者更具体地，每个层连续地形成，例如通过使用激光能量或热量熔合或聚合塑料，或者通过烧结或熔化金属粉末。例如，特定类型的增材制造处理可以使用能量束，例如电子束或电磁辐射，例如激光束，来烧结或熔化粉末材料。可以使用任何合适的激光和激光参数，包括关于功率，激光束光斑尺寸和扫描速率的考虑因素。构建材料可以由选择用于提高强度，耐久性和使用寿命(特别是在高温下)的任何合适的粉末或材料形成。
每个连续层的厚度，例如，在约10μm和200μm之间，虽然厚度可以基于任何数目的参数来选择，并且可以采用根据替换实施例的任何合适的尺寸。因此，利用上述增材成型方法，本文描述的部件可以具有与在增材成型处理过程中利用的相关粉末层的一个厚度(例如，10μm)一样薄的横截面。
此外，利用增材处理，部件的表面光洁度和特征可根据需要根据应用而变化。例如，可以通过增材处理中选择合适的激光扫描参数(例如，激光能量，扫描速率，激光焦斑尺寸等)来调整表面光洁度(例如，使其更光滑或更粗糙)，尤其是在对应于零件表面的横截面层的周边。例如，可以通过增加激光扫描速率或减小所形成的熔池的尺寸来实现更粗糙的光洁度，并且可以通过降低激光扫描速率或增加所形成的熔池的尺寸来实现更光滑的光洁度。还可以改变扫描图案和/或激光能量以改变所选区域中的表面光洁度。
值得注意的是，在示例性实施例中，由于制造限制，此前描述的部件的若干特征先前是不可能的。然而，本发明人有效地利用了增材制造技术的当前优势来开发通常根据本公开的这些部件的示例性实施例。虽然本公开不限于通常使用增材制造来形成这些部件，但是增材制造确实提供了各种制造优势，包括制造方便，降低成本，更高精度等。
在这方面考虑，利用增材制造方法，甚至多零件部件可以形成为单件连续金属，并且因此与现有设计相比可以包括更少的子部件和/或接头。通过增材制造这些多零件部件的整体形成可以有利地改善整个组装过程。例如，整体形成减少了必须组装的单独零件的数量，从而减少了相关时间和总组装成本。另外，可以有利地减少现有问题，例如泄漏，分离零件之间的结合质量和整体性能。
而且，上述增材制造方法允许本文所述部件的形状和轮廓可以更错综复杂。例如，这些部件可包括薄的增材制造层和具有独特尺寸，形状和取向的流体通道。此外，增材制造处理使得能够制造具有不同材料的单个部件，使得部件的不同部分可以表现出不同的性能特征。制造处理的连续添加性质使得能够构建这些新颖的特征。结果，这里描述的部件可以表现出改善的热传递效率和可靠性。
现在大体参考参照图2至图14，将根据本主题的示例性实施例描述机械紧固件100的各种实施例。由于所描述的实施例的相似性，类似的附图标记将用于表示来自每个附图的机械紧固件100的相同或相似的部分。另外，应当理解，本文描述的机械紧固件100的示例性实施例仅用于描述本主题的各方面。在这方面，例如，机械紧固件的形状，尺寸，位置和取向及其内部通道可以改变或修改，同时保留在本主题的范围内。
现在具体参考图2，紧固件100通常限定中心线C和垂直于中心线C延伸的径向方向R。紧固件100包括沿中心线C延伸的杆部102和附接到杆部102的头部104。更具体地，根据所示实施例，头部104附接到轴向端，例如杆部102的第一端106。杆部102可以进一步限定沿着中心线C定位在第一端106对面的第二端108。
根据所示实施例，靠近第二端108的杆部102的一部分是带螺纹的，例如形成为具有螺纹110，用于结合螺母，凸台或具有互补螺纹的其他特征。然而，应该理解的是，根据替代实施例，杆部102可以是简单的圆柱体或者可以限定不同的紧固机构，例如构造用于接收保持环，卡环，开口销，锻制配件，铆钉等的凹槽。另外，根据示例性实施例，第二端108可以被键联接以接收能够使紧固件100旋转的工具。例如，如图所示，第二端108限定内六角插口112，其可以接收内六角键或内六角扳手，以允许从第二端108旋转紧固件100。
根据应用，杆部102和头部104可具有任何合适的尺寸或形状。例如，根据所示实施例，杆部102和头部104都是围绕中心线C的圆柱形。然而，根据替代实施例，杆部102和/或头部104可以替代地具有基本上正方形的横截面区域。例如，简要地参考图12，头部104可以具有基本上椭圆形的形状，例如，用于容纳在具有波纹表面的部件内，用于另外的方式使紧固件100沿特定方向对准。根据替代实施例，头部104可以是轴对称的，不对称的，椭圆形的或不规则形状的。另外，杆部102的第二端108和/或头部104可以限定任何其他合适的形状或限定为凹部，以帮助旋转和/或结合紧固表面，例如六角头，螺钉头等。
另外，根据所示的实施例，头部104具有沿着径向方向R测量的比杆部102更大的直径，例如用于结合用于附接的表面。然而，杆部102和头部可以具有基本相同的尺寸，或者可以具有用于结合附接表面的任何其他合适的特征。应当理解，如本文所使用的，近似项，例如“近似”，“基本上”或“大约”是指误差范围在10％以内。另外，杆部102和头部104可以以90度角结合，或者可以具有如图中所示的倒圆角接头。
头部104限定配合面120和冷却面122，配合面120和冷却面122沿中心线C分开并面向相反的方向。在这方面，例如，杆部102和头部104在配合面120上结合，配合面120基本上朝向第一端106。相比之下，冷却面122相对于杆部102定位在头部104的远端上，使得其背向杆部102。另外，头部104可以限定周边124。周边124是头部104的径向最外部分，其在配合面120和冷却面122之间延伸。
仍然参考图2至图14，紧固件100通常可以限定构造成用于接收冷却空气流或另一种合适的流体的多个流体通道。冷却流体通道可以整体形成在紧固件100的杆部102和头部104内，以将冷却空气引导至可能存在局部热点的位置或者其他需要冷却的位置。这里描述的冷却流体通道仅是示例性的，并且根据本主题的替代示例性实施例，可以在紧固件100之间修改和互换。
如图所示，杆部102限定内部流体通道130。根据所示实施例，内部流体通道130限定横截面直径132，其近似为杆部宽度134的一半。然而，根据特定紧固件100的结构和冷却需求，流体通道130的尺寸可以相应地改变。另外，内部流体通道130示出为沿着中心线C沿着杆部102的整个长度延伸。然而，根据替代实施例，内部流体通道130可以仅沿杆部102的一部分延伸，可以是弓形的，可以包括多个流体通道，或者可以以任何其他合适的方式形成。
另外，头部104可以限定与内部流体通道130流体连通的分配腔室140。冷却面122还限定与分配腔室140流体连通的多个冷却孔142。在这方面，例如，分配腔室140可以被配置用于接收例如来自内部流体通道130或直接通过配合面120的冷却流体流，并且遍及整个头部104分配冷却流体流并且分配到每个冷却孔142。
冷却孔142可以以任何合适的取向被限定在冷却面122中，以实现所需的冷却。例如，根据一个示例性实施例，冷却孔142基本上平行于中心线C延伸穿过冷却面122，例如垂直于冷却面122，用于将冷却空气喷射到邻近冷却面122的空间中(参见例如图8)。根据例如图7，9，11，和13所示的替代实施例，冷却孔142以相对于中心线C的角度144延伸穿过冷却面122。可以选择角度144以最大化由紧固件100实现的膜冷却效果。例如，根据所示实施例，角度144约为45度，但根据替代实施例可以是任何其他合适的角度。
紧固件100可在任何合适的位置限定一个或多个流体入口150，用于接收冷却流体流。例如，如图4所示，头部104的配合面120限定多个周向间隔开的流体入口150。在这方面，冷却流体直接从紧固件100外部的周围环境流入分配腔室140。根据这样的实施例，头部104必须足够大以允许配合面120结合紧固表面而不阻塞流体入口150。应当理解，根据该示例性实施例，可以的是内部流体通道130不需要实现头部104的冷却，但是可以包括内部流体通道130，例如，以在整个紧固件100中接收冷却流体。
相比之下，杆部102可以限定一个或多个流体入口150。例如，参考图2，第一端106可以限定平行于中心线C延伸(例如，通过内六角插口112)的流体入口150。根据图3和图5，杆部102可以限定以多个周向间隔开的孔或槽的形式的流体入口150。根据图6和图7中所示的又一实施例，杆部102可以限定槽和勺形式的流体入口150，其仅沿着杆部102定位在一个径向位置处。以这种方式，紧固件100可以被旋转，使得流体入口150可以定位成朝向流体通道内的上游，例如，以接收更高的压力流，或者可以定位成朝向流体通道内的下游，例如，以减少流体通道内的污染物的摄入。
现在参考图9和10，紧固件100进一步可包括冲击挡板160，用于将冷却流体流冲击到冷却面122上。更具体地，冲击挡板160可以由头部104限定并且定位在分配腔室140内，例如，沿着中心线C与冷却面122间隔开。冲击挡板160限定多个冲击孔162，用于引导冷却流体流到冷却面122上，以便于在所需位置处的冷却。根据所示实施例，冲击挡板160基本上沿径向方向R平行于冷却面122延伸，并且冲击孔162基本上平行于中心线C延伸。然而，根据替代实施例，冲击挡板160和冲击孔162可以以任何合适的方式确定尺寸，定位和取向。
另外，根据本主题的示例性实施例，头部104和/或冲击挡板160可以限定额外的流体通道以用于其他特定目的。例如，参见图9和图10，头部104限定至少一个周边冷却通道164，其相对于中心线C成角度地延伸穿过冲击挡板160，以将冷却流体流直接引导至周边124上。
紧固件100的各个部分可以使用任何合适的材料，以任何合适的几何形状，密度和厚度构建，以根据需要为紧固件100提供必要的结构支撑。另外，紧固件100可以限定一个或多个支撑结构170，以确保紧固件100的结构刚度。根据图10所示的实施例，支撑结构170是在分配腔室140内的周向间隔开的支柱，其在配合面120和冷却面122之间延伸，以为头部104提供结构刚度。然而，根据替代实施例，支撑结构170可具有任何合适的尺寸，形状和位置。例如，支撑结构170可以采用杆部102或头部104内的加强材料基底，内部圆角或加强脊的形式。
值得注意的是，使用本文所述的制造方法，紧固件100可以形成为单个整体件或多个组装件。在这方面，例如，参考图11，杆部102和头部104的一部分可以形成为一件，并且冷却面122可以被锻造或卡扣到头部104上，例如，以简化维修或更换。另外，紧固件100可以由一种或多种材料形成。例如，高强度材料可用于杆部102，耐温材料可用于头部104。其他构造是可能的并且在本主题的范围内。
现在参考图13和14，描述紧固件100的一个示例性应用。如图所示，紧固件100定位在燃气涡轮发动机10的燃烧区段26内，以将稀释空气180提供到燃烧室182中，并为燃烧器衬里184提供膜冷却。在这方面，例如，紧固件100被附接至燃烧器衬里184并且限定中央旁通通道186，用于将稀释空气传递到燃烧室182中，同时还限定冷却孔142用于膜冷却燃烧器衬里184(例如，如膜冷却箭头188所示)。旁通通道186因此延伸穿过冲击挡板160和冷却面122并且与内部流体通道130流体连通。应当理解，在燃烧区段26中使用紧固件100仅是一个示例性应用，并不旨在限制本主题的范围。
应当理解，本文描述的机械紧固件100仅用于解释本主题的各方面的目的。例如，机械紧固件100在本文中用于描述制造机械紧固件100的示例性构造，结构和方法。应当理解，本文所讨论的增材制造技术可用于制造其他紧固件，以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。因此，本文描述的示例性部件和方法仅用于说明本主题的示例性方面，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。
现在已经呈现了根据本主题的示例性实施例的机械紧固件100的结构和构造，提供了根据本主题的示例性实施例的用于形成机械紧固件的示例性方法200。制造商可以使用方法200来形成机械紧固件100或任何其他合适的紧固件。应当理解，本文讨论的示例性方法200仅用于描述本主题的示例性方面，并且不旨在限制。
现在参考图15，方法200包括：步骤210，在增材制造机器的床上沉积添加材料层。步骤220包括将来自能量源的能量选择性地引导至添加材料层上以熔合添加材料的一部分并形成机械紧固件。例如，根据一个实施例，机械紧固件可包括沿中心线延伸并限定内部流体通道的杆部。机械紧固件进一步可包括附接至杆部的轴向端的头部和限定与内部流体通道流体连通的多个冷却孔的冷却面。
根据其他实施例，步骤230可以包括选择性地引导来自能量源的能量以熔合添加材料的一部分以形成沿着中心线与冷却面间隔开的冲击挡板，该冲击挡板限定多个冲击孔。另外，步骤240可包括形成一个或多个支撑结构，使得它们定位在紧固件的头部内，例如，以为冷却面，头部或机械紧固件的其他区域提供结构支撑。应当理解，例如使用上述任何方法沉积添加材料和熔合该材料的步骤可用于形成机械紧固件的任何其他合适的特征。
图15描绘了出于说明和讨论的目的以特定顺序执行的步骤。使用本文提供的公开内容，本领域普通技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以以各种方式调整，重新布置，扩展，省略或修改本文所讨论的任何方法的步骤。此外，尽管使用机械紧固件100作为示例解释了方法200的各方面，但是应当理解，这些方法可以应用于制造任何合适的机械紧固件。
以上描述了增材制造的机械紧固件和制造该紧固件的方法。值得注意的是，机械紧固件100通常可包括内部冷却流体通道和有助于改善冷却的几何结构，并且如本文所述，通过增材制造处理促进其实际执行。例如，使用本文所述的增材制造方法，机械紧固件可包括整体流体通道，分配腔室，冲击挡板，冷却孔和提高冷却效率的独特头部形状。这些特征可以在机械紧固件的设计期间引入，使得它们可以在构建过程中容易地集成到机械紧固件中，而几乎没有或没有额外的成本。此外，包括杆部，头部，冲击挡板，内部支撑结构和其他特征的整个机械紧固件可以整体地形成为单个整体部件。
该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结合的方法。本发明的可专利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他示例。如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言相同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其他示例意图落入权利要求的范围内。

Claims (17)

1.一种增材制造的紧固件，所述紧固件限定中心线，其特征在于，所述紧固件包括：
杆部，所述杆部沿着所述中心线延伸并限定内部流体通道；和
头部，所述头部附接至所述杆部并且限定与所述内部流体通道流体连通的分配腔室，所述头部包括冷却面，所述冷却面限定与所述分配腔室流体连通的多个冷却孔，进一步包括冲击挡板，所述冲击挡板定位在所述分配腔室内，并且沿着所述中心线与所述冷却面间隔开，所述冲击挡板沿径向方向平行于所述冷却面延伸，所述冲击挡板限定多个冲击孔；其中所述头部限定沿着垂直于所述中心线的径向方向沿着所述头部的最外部分延伸的周边，并且其中所述头部限定至少一个周边冷却通道，所述至少一个周边冷却通道相对于所述中心线成角度地延伸穿过所述冲击挡板，以将冷却流体流直接引导至所述周边上。
2.根据权利要求1所述的紧固件，其特征在于，其中所述杆部限定与所述内部流体通道流体连通的流体入口。
3.根据权利要求1所述的紧固件，其特征在于，其中所述紧固件的所述头部限定沿着所述中心线与所述冷却面相对地定位的配合面，所述配合面限定与所述分配腔室流体连通的一个或多个流体入口。
4.根据权利要求1所述的紧固件，其特征在于，其中所述冷却孔基本上平行于所述中心线延伸穿过所述冷却面。
5.根据权利要求1所述的紧固件，其特征在于，其中所述冷却孔相对于所述中心线成角度地延伸穿过所述冷却面。
6.根据权利要求1所述的紧固件，其特征在于，其中所述冲击孔基本上平行于所述中心线延伸穿过所述冲击挡板。
7.根据权利要求1所述的紧固件，其特征在于，进一步包括旁通空气通道，所述旁通空气通道延伸穿过所述冲击挡板和所述冷却面，所述旁通空气通道与所述内部流体通道流体连通。
8.根据权利要求1所述的紧固件，其特征在于，进一步包括定位在所述分配腔室内的一个或多个支撑结构。
9.根据权利要求1所述的紧固件，其特征在于，其中所述杆部具有螺纹或限定用于接收卡环的凹槽。
10.根据权利要求1所述的紧固件，其特征在于，其中所述杆部或所述头部限定用于紧固所述紧固件的部件，包括至少一个孔，用于接收开口销、用于铆钉的螺旋端、锻造紧固件或有键的插入件。
11.根据权利要求1所述的紧固件，其特征在于，其中所述紧固件定位在燃气涡轮发动机的燃烧区段内，所述紧固件穿过燃烧器衬里并限定与燃烧室流体连通的中央旁通通道，以提供稀释空气。
12.根据权利要求1所述的紧固件，其特征在于，其中所述紧固件的第一部分由第一材料形成，并且所述紧固件的第二部分由第二材料形成，所述第二材料不同于所述第一材料。
13.根据权利要求1所述的紧固件，其特征在于，其中所述紧固件包括沿着所述紧固件的所述中心线限定的多个层，所述多个层中的每个层通过以下方式形成：
在增材制造机器的床上沉积添加材料层；和
将来自能量源的能量选择性地引导至所述添加材料层上以熔合所述添加材料的一部分。
14.一种制造紧固件的方法，其特征在于，所述方法包括：
在增材制造机器的床上沉积添加材料层；和
将来自能量源的能量引导至所述添加材料层上以熔合所述添加材料的一部分并形成限定内部流体通道的杆部和附接到所述杆部的头部，所述头部包括限定与所述内部流体通道流体连通的多个冷却孔的冷却面，进一步形成沿着中心线与所述冷却面间隔开的冲击挡板，所述冲击挡板沿径向方向平行于所述冷却面延伸，所述冲击挡板限定多个冲击孔；其中所述头部限定沿着垂直于所述中心线的径向方向沿着所述头部的最外部分延伸的周边，并且其中所述头部限定至少一个周边冷却通道，所述至少一个周边冷却通道相对于所述中心线成角度地延伸穿过所述冲击挡板，以将冷却流体流直接引导至所述周边上。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在所述杆部或所述头部上形成用于紧固所述紧固件的部件，包括至少一个孔，用于接收开口销、用于铆钉的螺旋端、锻造紧固件或有键的插入件。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括：
形成位于所述紧固件的所述头部内的一个或多个支撑结构。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，其中所述杆部和所述头部一体地形成为单个整体部件。
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