CN110939514A - 用于发电机的流体通道组件 - Google Patents

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詹姆斯·帕特里克·马勒
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Abstract

一种流体通道组件以及用于制造用于发电机的流体通道组件的方法。该流体通道组件包括歧管主体，该歧管主体具有用于接收流体的入口导管，以及至少一个分配导管，该至少一个分配导管流体地联接至入口导管，用于分配流体以冷却发电机，其中至少一个分配导管的横截面包括至少一个角。

Description

用于发电机的流体通道组件
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年9月25日提交的美国专利申请号No.16/141,384的优先权和权益，其整体并入本文。
技术领域
本公开涉及一种用于流体通道的方法和设备，特别是一种用于发电机的流体通道组件。
背景技术
航空发动机，例如燃气涡轮发动机，包括多个内部流体通道，用于分配用于发动机操作的不同方面的流体，包括润滑分配和冷却剂分配。燃气涡轮发动机的内部部件可包括发电机，该发电机需要复杂路径来输送用于润滑的流体和传递热量以便维持发电机的功能温度。在一些应用中，利用油来传递热量。
发明内容
在一个方面，本公开涉及一种用于发电机的流体通道组件，该流体通道组件包括用于接收流体的入口导管、流体地联接至入口导管的腔室以及至少一个分配导管，其流体地联接至腔室并从腔室延伸，用于将流体分配到发电机，其中至少一个分配导管的横截面具有至少一个角。
附图说明
在附图中：
图1是具有附件齿轮箱，启动机/发电机，机械动力输出装置的涡轮发动机的示意性等距视图。
图2是图1的涡轮发动机的启动机/发电机和AGB的放大分解立体图。
图3是适用于图1的启动机/发电机或机械动力输出装置中的任一个或两者的流体通道组件的立体图。
图4是根据本公开的一个方面的适用于图1的启动机/发电机或机械动力输出装置中的任一个或两者的另一种流体通道组件的立体图。
图5是用于图3的流体通道组件的流体通道的放大立体图。
图6是用于图3的流体通道组件的流体通道的变型的放大立体图。
具体实施方式
本公开涉及一种用于发电机的流体通道组件，该发电机具有用于润滑和冷却剂分配的流体通道。一个非限制性示例，该发电机是安装到附件齿轮箱的发电机。虽然本文描述的示例是涉及涡轮发动机和发电机的应用，但是本公开可应用于用于润滑或冷却分配的流体通道组件的任何实施方式。
所有方向参考(例如，径向，上，下，向上，向下，左，右，侧向，前，后，顶部，底部，上方，下方，竖直，水平，顺时针，逆时针)仅用于识别目的以帮助读者理解本公开，并且不产生限制，特别是其位置，方向或用途的限制。连接参考(例如，附接，联接，连接和接合)将被广义地解释，并且除非另有指示，否则可包括元件集之间的中间元件，以及元件之间的相对移动。因此，连接参考不必推断两个元件直接连接并且处于彼此固定关系。示例性附图仅用于说明的目的，并且附图中反映的尺寸，位置，顺序和相对大小可以变化。
如本文所使用的，术语“前”或“上游”指的是在朝向发动机入口的方向上移动，或与其他部件相比，部件相对更靠近发动机入口。术语“后”或“下游”是指相对于发动机中心线朝向发动机的后部或出口的方向。另外，如本文所使用的，术语“径向”或“径向地”是指在发动机的中心纵向轴线和发动机外周之间延伸的尺度。应进一步理解，“一组”可包括任何数量的分别描述的元件，包括仅一个。
如图1所示，启动机/发电机10联接至附件齿轮箱(AGB)12，也称为变速箱壳体，并且示意性地示出为一起安装到涡轮发动机14，例如燃气涡轮发动机。该组件通常被称为集成启动机/发电机齿轮箱(ISGB)。虽然示出为启动机/发电机10，但应该理解，启动机/发电机可以是启动机或发电机，或任何类型的发电机，例如机械动力输出单元。涡轮发动机14包括具有风扇16的进气口，风扇16将空气供应到高压压缩区域18。具有风扇16的进气口和高压压缩区域统称为涡轮发动机14的燃烧上游的“冷区段”。高压压缩区域18为燃烧室20提供高压空气。在燃烧室中，高压空气与燃料混合并燃烧。在从涡轮发动机14排出之前，热的加压燃烧气体通过高压涡轮区域22和低压涡轮区域24。当加压气体通过高压涡轮区域22的高压涡轮(未示出)和低压涡轮区域24的低压涡轮(未示出)时，涡轮从通过涡轮发动机14的气流中提取旋转能量。高压涡轮区域22的高压涡轮可通过轴联接至高压压缩区域18的压缩机构(未示出)，为压缩机构提供动力。低压涡轮可通过轴联接至进气口的风扇16，为风扇16提供动力。
涡轮发动机可以是涡轮风扇发动机，例如通用电气GEnx或CF6系列发动机，通常用于现代商业和军事航空，或者可以是各种其他已知的涡轮发动机，例如涡轮螺旋桨发动机或涡轮轴发动机。涡轮发动机还可以具有后燃器，该后燃器在低压涡轮区域24的下游燃烧额外量的燃料，以增加排出气体的速度，从而增加推力。
AGB 12通过机械动力输出装置26在高压或低压涡轮区域22，24处联接至涡轮发动机14。机械动力输出装置26包含多个齿轮和用于将AGB 12机械联接至涡轮发动机14的装置。在正常操作条件下，动力输出装置26将动力从涡轮发动机14转移到AGB 12，以为飞行器的附件提供动力，例如但不限于燃油泵，电气系统和舱环境控制。启动机/发电机10可以安装在包含风扇16的进气区域的外侧或者安装在靠近高压压缩区域18的核心上。
启动机/发电机10和机械动力输出装置26可包括用于任何已知发电机的发电机壳体28，包括作为非限制性示例的同步或异步发电机，永磁发电机，低极数发电机等。
现在参考图2，启动机/发电机10和AGB 12在立体图中进行了描述。AGB 12和启动机/发电机10可由任何已知的材料和方法形成，包括但不限于压铸高强度和轻质金属，例如铝，不锈钢，铁或钛。对于AGB 12和启动机/发电机10的壳体可形成为具有足以提供足够的机械刚性的厚度，而不会给AGB 12和发电机10以及飞行器增加不必要的重量。
可以使用增材制造(AM)来制造发电机壳体28。AM是用于描述通过逐层添加材料来构建3D物体的技术的特定名称，无论材料是塑料还是金属。AM技术利用计算机，3D建模软件(计算机辅助设计或CAD)，机器设备和分层材料。一旦生成CAD草图，AM设备就从CAD文件中读取数据，放置或添加液体，粉末，片材，或其他的连续层，以逐层的方式制造3D物体。应当理解，术语AM包括许多技术，包括诸如3D打印，快速成型(RP)，直接数字制造(DDM)，分层制造和添加式制造的子集。
虽然示出为发电机，但启动机/发电机10可以是本领域中已知的任何发电机。启动机/发电机10可以作为发电机运行，以为附接到AGB 12的附件提供动力，这些附件例如但不限于燃油泵，油泵或单独的发动机启动机。还可以考虑，启动机/发电机10可以在必要时作为供应机械输出的电动机运行，例如但不限于提供足以启动发动机的机械输出扭矩。
启动机/发电机10可包括输出轴52和输入轴54，输入轴54可从输出轴52内延伸并可操作地联接至AGB 12的一部分。
发电机壳体28可包括与发电机壳体28一体的流体通道组件30。如图所示，流体通道组件30的部分可沿发电机壳体28的外部32定位，而流体通道组件30的其他部分(图中虚线所示)可位于发电机壳体28内。流体通道组件30可包括入口导管34，用于接收流体以进行润滑或冷却。至少一个分配导管36(示出为多个分配导管36)流体地联接至入口导管34。
图3示出用于发电机壳体28的示例性流体通道组件30的一部分的立体图。发电机壳体28本身已被移除以示出多个流体通道流动路径38。入口导管34和至少一个分配导管36制造有复杂的流动路径38，以传递用于润滑的流体并经由冷却剂传递热量以维持发电机壳体28中的功能温度。冷却剂可首先冷却静止部件，然后移动到转动部件，使得冷却剂冷却发电机/启动机10的定子和转子。此外，冷却剂可用于润滑发电机/启动机内的轴承。由于导管34，36的复杂几何形状，传统上发电机壳体28是铸造的，并且导管的横截面通常是限定直径(D)的圆形。
在利用AM技术生产流体通道组件30时，如果直径(D)超出10mm(0.4英寸)或者面积大于或等于80平方毫米(0.12平方英寸)，则在制造期间可能需要支撑装置40。当直径(D)达到或超过这些参数时，沿着导管34，36的表面周边44产生可以在100和150psi之间的高应力/应变位置42。当制造时，支撑装置40与流体通道组件30和发电机壳体28的其余部分一起打印，以从高应力/应变位置42延伸并防止在打印过程中塌陷或变形。由于小的空间和复杂的分支设计，当流体通道组件30完成时，并非所有的支撑装置40都可以被移除。支撑装置40可以是导管34，36和发电机壳体28之间的任何凸耳，支柱，桩或其他小连接结构。
图4示出可以在发电机壳体28中使用的另一个流体通道组件130的一部分的立体图。流体通道组件130可以包括用于接收用于润滑或冷却的流体(F)的入口导管134。应该理解的是，虽然未示出，但发电机壳体28可以根据位置在结构上与流体通道组件130的部分成一体。至少一个分配导管136(示出为多个分配导管)流体地联接至入口导管134。腔室135可设置在入口导管134和至少一个分配导管136之间，从而在它们之间提供流体连接。
油是一种可能的流体(F)，其被接收在腔室135内并且穿过入口导管134和至少一个分配导管136。为确保导管134，136内所需的压降，对于油通道，流体通道组件130可能需要直径大于10mm(0.4英寸)的导管134，136。然而，如本文所述，具有大于10mm(0.4英寸)的直径参数的导管需要支撑装置40。为了在保持所需油通道压力的同时消除任何支撑装置40，考虑使用多边形横截面150。消除支撑装置减少了总重量，从而增加了燃料消耗率。多边形横截面具有比圆形横截面更好的抗压性，尤其是当角正对于重力定向时。
至少一个分配导管136可限定多边形横截面150。作为非限制性示例，多边形横截面150可以包括由至少一个分配导管136的表面周边144限定的菱形外部横截面152和沿着至少一个分配导管136的内部146的较小的菱形内部横截面154。具有厚度T1的壁156相对于至少一个分配导管136轴向地从表面周边144延伸到内部146。厚度T1可以在2到5mm(0.1到0.2英寸)范围内。厚度T1可以是在保持机械完整性的同时控制压力的任何优化的厚度。
进一步考虑入口导管134具有入口横截面160，入口横截面160可包括泪滴形外部横截面162和较小泪滴形内部横截面164。入口横截面160可以是呈泪滴形状，其中多边形角被添加到圆形横截面中。具有厚度T2的壁166可以在内部横截面164和外部横截面162之间延伸。厚度T2可以在2到5mm(0.1到0.2英寸)的范围内。厚度T2可以是在保持机械完整性的同时控制压力的任何优化的厚度。入口横截面160可以限定至少一个角，作为非限制性示例，限定泪滴形外部横截面162和内部横截面164两者的入口角168。入口角168通过角度α延伸，该角度α的最大值为45°。可以想到，入口角168沿着外部横截面162限定了尖角168a，并且沿着内部横截面164限定了圆角168b。
图5示出至少一个分配导管136的放大视图。可以更清楚地看到，多边形横截面150可以限定至少一个角158。如图所示，当具有菱形形状时，多边形横截面150可以限定多个角158，作为非限制性示例，四个角。菱形外部横截面152可以限定尖角158a，而菱形内部横截面154可以限定圆角158b。至少一个角158通过角度θ延伸，该角度θ的值等于或大于45°。作为非限制性示例，菱形形状可以限定如图所示的正方形，并且角度θ在所有四个角158中都是90°。为了最好地使油能够通过至少一个分配导管136并防止任何阻塞或堵塞，至少一个角158是沿着内部146的圆角158b。
用于制造如本文所述的流体通道组件130的方法包括增材制造具有第一横截面(作为非限制性示例，入口横截面160)的入口导管134。该方法进一步包括增材制造至少一个分配导管136，该至少一个分配导管136流体地联接至入口导管134并具有第二横截面(作为非限制性示例，具有至少一个角158的多边形横截面150)。该方法进一步包括打印没有任何支撑装置40(图3)的至少一个分配导管136。完成后，由于导管134,136的几何形状而无任何额外的支撑装置，流体通道组件130在结构上是合理的。
图6示出另一个分配导管236，其中多边形横截面250限定四个角258，其中两个角具有等于45°的角度β，两个角具有等于135°的角度γ。如本文所述，保持大于或等于45°的角确保使油流过分配导管236的适当的压差。
可以考虑任何多边形横截面形状，并且所示边的数量仅用于说明目的，并不意味着限制。如前所述，由形成大于或等于45°的角的两边提供的结构支撑提供了先前由移除的支撑件提供的结构完整性。
本文所述的公开涉及用于发电机壳体的流体通道组件以及用于通过将横截面形状从典型的圆形截面改为多边形来增材制造流体通道组件的流体通道的方法，该多边形是如这里描述的菱形。具有多边形形状的流体通道将使增材制造在满足压降要求的任何尺寸的增材制造处理中无需内部支撑件。此外，对于任何构建方向，也取消了内部支撑件。
对于本文所述的流体通道组件的任何构建方向，可以实现内部支撑件的消除。消除支撑件通过减少部件的重量来优化部件，从而改善燃料消耗率。其好处进一步包括利用增材制造，其与特定环境中的其他制造工艺相比具有商业效率。
在尚未描述的范围内，各个方面的不同特征和结构可以根据需要彼此组合使用。一个特征不能在所有方面中示出，并不意味着被解释为它不能，而是为了描述的简洁而完成。因此，可以根据需要混合和匹配不同方面的各种特征以形成新示例，无论是否明确地描述了新示例。本公开内容涵盖本文描述的特征的组合或置换。除了上图中所示的实施例和配置之外的许多其他可能的实施例和配置是本公开所预期的。另外，可以重新布置例如启动机/发电机，AGB或其部件的各种部件的设计和布置，使得可以实现许多不同的直列式配置。
本书面描述使用示例来说明本公开的各方面，包括优选实施例，并且还使本领域技术人员能够实践本公开的各方面，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。本公开的可专利范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有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在权利要求的范围内。
本公开的进一步方面通过以下条项的主题提供：
1.一种用于发电机的流体通道组件，流体通道组件包括用于接收流体的入口导管、流体地联接至入口导管的腔室和至少一个分配导管，该至少一个分配导管流体地联接至腔室并从腔室延伸，用于将流体分配到发电机，其中至少一个分配导管的横截面具有至少一个角。
2.根据任何在前条项的流体通道组件，其中至少一个分配导管的表面周边没有任何支撑装置。
3.根据任何在前条项的流体通道组件，其中至少一个角通过大于或等于45°的角度延伸。
4.根据任何在前条项的流体通道组件，其中至少一个角是限定多边形横截面的多个角。
5.根据任何在前条项的流体通道组件，其中横截面进一步包括具有圆角的内部横截面。
6.根据任何在前条项的流体通道组件，其中横截面限定大于或等于80平方毫米(0.12平方英寸)的面积。
7.根据任何在前条项的流体通道组件，其中入口导管进一步包括具有至少一个入口角的横截面。
8.根据任何在前条项的流体通道组件，其中至少一个入口角限定大于或等于45°的角度。
9.根据任何在前条项的流体通道组件，其中入口导管的横截面限定泪滴形状。
10.根据任何在前条项的流体通道组件，其中发电机进一步包括飞行器中的发电机壳体，并且流体通道组件是发电机壳体内的冷却剂流体通道组件。
11.一种用于将冷却剂分配在飞行器发电机内的冷却剂流体通道组件，包括用于接收冷却剂的入口导管，流体地联接至入口导管的腔室和至少一个分配导管，该至少一个分配导管流体地联接至腔室并从腔室延伸，用于分配冷却剂以冷却飞行器发电机，其中至少一个分配导管的横截面具有多边形形状。
12.根据任何在前条项的冷却剂流体通道组件，其中至少一个分配导管的表面周边没有任何支撑装置。
13.根据任何在前条项的冷却剂流体通道组件，其中多边形形状限定至少一个角，该至少一个角通过大于或等于45°的角度延伸。
14.根据任何在前条项的冷却剂流体通道组件，其中横截面进一步包括具有圆角的内部横截面。
15.根据任何在前条项的冷却剂流体通道组件，其中横截面限定大于或等于80平方毫米(0.12平方英寸)的面积。
16.根据任何在前条项的冷却剂流体通道组件，其中入口导管进一步包括具有至少一个入口角的横截面。
17.根据任何在前条项的冷却剂流体通道组件，其中至少一个入口角限定大于或等于45°的角度。
18.一种用于制造用于发电机的流体通道组件的方法，该方法包括增材制造具有第一横截面的入口导管和增材制造至少一个分配导管，该至少一个分配导管流体地联接至入口导管并具有包括至少一个角的第二横截面。
19.根据任何在前条项的方法，其中至少一个分配导管没有任何支撑结构。
20.根据任何在前条项的方法，其中增材制造入口进一步包括增材制造具有至少一个入口角的第一横截面的入口。
21.根据任何在前条项的方法，进一步包括形成至少一个入口角以限定大于或等于45°的角度。
22.根据任何在前条项的方法，进一步包括形成第二横截面，其中至少一个角限定大于或等于45°的角度。

Claims (10)

1.一种用于发电机的流体通道组件，其特征在于，所述流体通道组件包括：
入口导管，所述入口导管用于接收流体；
腔室，所述腔室流体地联接至所述入口导管；和
至少一个分配导管，所述至少一个分配导管流体地联接至所述腔室并从所述腔室延伸，用于将所述流体分配到所述发电机；
其中所述至少一个分配导管的横截面具有至少一个角。
2.根据权利要求1所述的流体通道组件，其特征在于，其中所述至少一个分配导管的表面周边没有任何支撑装置。
3.根据权利要求1所述的流体通道组件，其特征在于，其中所述至少一个角通过大于或等于45°的角度延伸。
4.根据权利要求3所述的流体通道组件，其特征在于，其中所述至少一个角是限定多边形横截面的多个角。
5.根据权利要求4所述的流体通道组件，其特征在于，其中所述横截面进一步包括具有圆角的内部横截面。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的流体通道组件，其特征在于，其中所述横截面限定大于或等于80平方毫米(0.12平方英寸)的面积。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的流体通道组件，其特征在于，其中所述入口导管进一步包括具有至少一个入口角的横截面。
8.根据权利要求7所述的流体通道组件，其特征在于，其中所述至少一个入口角限定大于或等于45°的角度。
9.根据权利要求8所述的流体通道组件，其特征在于，其中所述入口导管的所述横截面限定泪滴形状。
10.根据权利要求1-5中任一项所述的流体通道组件，其特征在于，其中所述发电机进一步包括飞行器中的发电机壳体，并且所述流体通道组件是所述发电机壳体内的冷却剂流体通道组件。
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