CN110953024A - 增材制造的部件和冷却方法 - Google Patents

Abstract

一种载热部件，可包括界定内部的外壳，其中导管可位于内部内。支撑结构也可位于内部内并支撑导管。另外，支撑结构可包括支撑导管的至少两个导热支撑构件。

Description

增材制造的部件和冷却方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年9月26日提交的美国专利申请No.16/142,579的优先权和权益，该申请整体并入本文中。

技术领域

本公开涉及一种包括导管的装置，更具体地涉及一种其中结合有导热支撑构件的支撑结构。

背景技术

增材制造工艺或系统可用于从数字模型打印或构建三维零件或部件，这对于快速原型制作和制造是有益的。在部件的制造期间，支撑结构可以包括在部件内，为局部形成的部分提供增加的刚性。这种支撑结构通常在制造之后从完成的部件移除。在一些情况下，完成的部件可能完全包围内部空间，其中内部支撑结构的移除可能是困难的，不切实际的或甚至是不可能的。

发明内容

在一个方面，本发明涉及一种载热部件，包括界定内部的外壳，位于内部内的导管，以及位于内部内并具有支撑导管的至少两个导热支撑构件的支撑结构，至少两个支撑构件间隔开以限定至少两个翅片，翅片共同形成热联接到导管的热交换器。

在另一方面，本发明涉及一种涡轮发动机，其具有压缩机，燃烧室和轴向流动布置的涡轮，包括涡轮发动机内的增材制造的部件。增材制造的部件可包括：外壳，该外壳界定内部并在内部内限定了从外部难以接近的部分；位于内部内的导管，其至少一部分在从外部难以接近的部分内；以及位于从外部难以接近的部分内并且具有在增材制造过程中支撑导管的至少两个导热支撑构件的添加式支撑结构，其中至少两个支撑构件间隔开以限定至少两个翅片，这些翅片共同形成热联接到导管的热交换器。

在又一方面，本公开涉及一种冷却整体式载热部件的方法，该整体式载热部件具有界定内部的外壳。该方法包括使载热流体流过与外壳一体形成并位于内部内的导管，并将热量从载热流体传递到热联接到导管并位于内部内的支撑结构，支撑结构具有至少两个间隔开的翅片，这些翅片共同形成热交换器。

附图说明

在附图中：

图1是根据本文描述的各个方面的具有附件齿轮箱形式的载热部件的涡轮发动机的示意性等距视图。

图2是根据本文描述的各个方面的图1中具有支撑结构的附件齿轮箱的横截面图。

图3是图2的附件齿轮箱的一部分的放大视图。

图4是图1的附件齿轮箱中的导管和图2的添加式支撑结构的横截面图。

具体实施方式

本公开的各方面涉及一种载热部件，并且本文在涡轮发动机和齿轮箱的背景下描述了这种部件的示例。应当理解，本公开可以在发动机内具有普遍适用性，包括涡轮和压缩机及非翼型发动机部件，以及非飞行器应用，例如其他移动应用和非移动工业，商业和住宅应用。

所有方向参考(例如，径向，上，下，向上，向下，左，右，侧向，前，后，顶，底，上方，下方，竖直，水平，顺时针，逆时针)仅用于识别目的以辅助读者对本公开的理解，并且不产生限制，特别是关于其位置，方向或用途。连接参考(例如，附接，联接，连接和连结)将被广义地解释，并且除非另有指示，否则可包括元件集合之间的中间构件和元件之间的相对移动。因此，连接参考不一定推断出两个元件直接连接并且为彼此固定关系。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，顺序和相对尺寸可以变化。

如本文所用，术语“前”或“上游”是指在朝向发动机入口的方向上移动，或者与另一个部件相比相对更靠近发动机入口的部件。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，如本文所用，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方向。应进一步理解，“一组”可包括任何数量的分别描述的元件，包括仅一个元件。

示例性涡轮发动机10在图1中示出。在非限制性示例中涡轮发动机10可以是燃气涡轮发动机，包括涡轮风扇发动机，涡轮螺旋桨发动机或涡轮轴发动机。涡轮发动机10可包括具有风扇12的进气口，风扇12将空气供应到高压压缩区域14。具有风扇12的进气口和高压压缩区域14统称为燃烧室上游的涡轮发动机10的“冷区段”。还可预期在涡轮发动机10中提供多个高压压缩区域。

高压压缩区域14为燃烧室16提供高压空气。在燃烧室16中，高压空气与燃料混合并燃烧。在从涡轮发动机10排出之前，热的和加压的燃烧气体通过高压涡轮区域18和低压涡轮区域20。

当加压气体通过高压涡轮区域18的高压涡轮(未示出)和低压涡轮区域20的低压涡轮(未示出)时，涡轮从通过涡轮发动机10的气体流中提取旋转能量。高压涡轮区域18的高压涡轮可以通过轴联接到高压压缩区域14的压缩机构(未示出)，以给压缩机构提供动力。低压涡轮可以通过轴联接到进气口的风扇12，以给风扇12提供动力。涡轮发动机还可以具有加力燃烧室，该加力燃烧室在低压涡轮区域20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。以这种方式，涡轮发动机10可包括至少一个轴向流动布置的压缩机，燃烧器和涡轮。

空气涡轮起动机或发电机25可安装到涡轮发动机10上。附件齿轮箱(AGB)40(在此也称为“齿轮箱40”)可以联接到发电机25并且安装到涡轮发动机10上。发电机25和齿轮箱40一起可以限定组件，该组件通常被称为集成起动机/发电机齿轮箱(ISGB)44。

发电机25和齿轮箱40可以通过机械动力输出装置42在高压或低压涡轮区域18，20处选择性地可操作地与涡轮发动机10联接。机械动力输出装置42包括多个齿轮和用于将齿轮箱40机械联接到涡轮发动机10的装置。在正常操作条件下，动力输出装置42将动力从涡轮发动机10转移到齿轮箱40以为飞行器的附件供能，该附件例如但不限于燃料泵，电力系统和机舱环境控制系统。发电机25可安装在包含风扇12的进气区域的外侧或安装在高压压缩区域18附近的核心外侧。

涡轮发动机10可包括至少一个载热部件50(在本文中也称为“部件50”)。预期的是，载热部件50可以是增材制造的部件。如本文所用，“增材制造的”部件是指通过增材制造(AM)工艺形成的部件，其中部件通过连续的材料沉积逐层构建。AM是一个合适的名称，用于描述通过添加层叠材料来构建3D对象的技术，无论材料是塑料还是金属。AM技术可以利用计算机，3D建模软件(计算机辅助设计或CAD)，机械设备和分层材料。一旦生成CAD草图后，AM设备可以从CAD文件中读取数据，并以层叠的方式放置或添加液体，粉末，片材或其他材料的连续层，以制造3D对象。应当理解，术语“增材制造”包括许多技术，包括诸如3D打印，快速原型制作(RP)，直接数字制造(DDM)，分层制造和增材制造的子集。可用于形成增材制造的部件的增材制造的非限制性实例包括粉末床熔融，还原光聚合，粘合剂喷射，材料挤出，定向能量沉积，材料喷射或片材层压。

转到图2，这种附加制造的载热部件50的一个示例以用于图1的发电机25的发电机壳体30的形式示出。可以设想，未示出的发电机25的其他部分也可以通过增材制造形成，如此发电机25本身可以是增材制造的部件。可进一步设想，涡轮发动机10内的任何部件可以增材制造，并且本公开的各方面可以普遍适用于通过各种制造方法(例如铸造)形成的任何增材制造的部件或载热部件，包括在非发动机环境中。

完成的增材制造的发电机壳体30以横截面图示出。在发电机壳体30下方示出了示例性基板56，其可在增材制造过程中使用以形成发电机壳体30。发电机壳体30可以逐层构建或打印，示出为与完成的发电机壳体30相交的示例性层57，其中连续层57沿方向箭头58所示的方向添加。应当理解，在增材制造过程中可以使用诸如外部支撑臂，打印头等的其他部件，并且为了清楚起见省略了这些部件。

发电机壳体30可包括界定内部54的外壳52。还可以理解的是，完成的发电机壳体30的外壳52可以在内部54内限定从外部难以接近的部分55(在此也称为“不可接近部分55”)。如这里所使用的，部件的“从外部难以接近的部分”将指代不能例如通过手和/或工具从部件外部接近以在部件内执行诸如加工或组装的操作的部分。这种从外部难以接近的部分也可以与部件的外部流体分离，例如不透气或不透水，但不一定是这种情况。另外，虽然外壳52示出为矩形或盒状，但是也可以设想外壳52可以弯曲以匹配涡轮发动机10的外表面11(图1)。

至少一个导管61可位于内部54内，并且导管61的至少一部分60可位于难以接近的部分55内。导管61可构造成在涡轮发动机10的操作期间引导流体或冷却剂(包括油)通过发电机25。还设想导管61可与外壳52一体形成。

可以理解，支撑结构可用于支撑发电机壳体30内的各种部件，包括在发电机壳体30的增材制造期间。例如，使用这种支撑结构可以防止外壳52内的部件在制造期间或在涡轮发动机10的操作期间的移位或其他不期望的移动。一个这样的示例被示出为支撑导管61的第一添加式支撑结构70。如图所示，第一添加式支撑结构70可以与导管61连接或一体形成。第一添加式支撑结构70可具有任何期望的形状，尺寸或厚度。在通过增材制造形成发电机壳体30的示例中，进一步设想发电机壳体30可包括具有外壳52，导管61和诸如第一添加式支撑结构70的支撑结构的整体式本体。

图3更详细地示出了发电机壳体30的一部分。第一添加式支撑结构70还可包括至少两个导热支撑构件72，其在增材制造过程中支撑导管61。支撑构件72可以间隔开以限定至少两个翅片74，这些翅片共同形成热联接到导管61的热交换器76。

类似于导管61的第二导管62也可以连接到第一添加式支撑结构70。更具体地，第二导管62可以热联接到由第一添加式支撑结构70限定的热交换器76的翅片74。

另外，在外壳52和第二导管62之间示出了类似于第一添加式支撑结构70的第二添加式支撑结构80。设想第二添加式支撑结构80还可以限定类似于热交换器76并且具有多个翅片84的第二热交换器86。如图所示，翅片84可以热联接到外壳52和第二导管62。以这种方式，发电机壳体30内的单个导管可以具有多个热交换器，这些热交换器根据需要由相应的多个支撑结构形成。

在又一个示例中，类似于添加式支撑结构70的第三添加式支撑结构90可以联接到第三导管63和外壳52。应当理解，在非限制性示例中，多个添加式支撑结构可以在发电机壳体30内使用并且联接在导管之间，或者联接在导管和外壳之间，或者联接到发电机壳体30内的任何部件。

转到图4，横截面图示出了导管61和第一和第二添加式支撑结构70，80以及导管61内的载热流体35。进一步设想导管61可包括增材制造的整体式导管壁65，其具有包括翅片74的热交换器76。相邻的翅片74可以间隔开距离75以在它们之间限定冷却通道77。此外，整体式导管壁65还可包括具有热交换器86和翅片84的第二添加式支撑结构80。

还可以设想，翅片74可以包括被配置为改善热交换器76的冷却性能的冷却增强结构。一种冷却增强结构以穿过第一翅片74A的孔隙或孔78的形式示出，其中相邻冷却通道77中的空气可以流过第一翅片74A以增加从第一翅片74A的热传递速率。另一种冷却增强结构在第二翅片74B的表面中以凹坑79的形式示出。与翅片74相比，这种凹坑79可以增加第二翅片74B的表面积并增加从翅片74B的热传递速率。其他冷却增强结构可以是局部表面粗糙的形式，格子结构或切口可以包括在形成热交换器76，86的任何添加式支撑结构70，80中。

在操作期间，诸如油的载热流体35可以流过导管61，62，63中的任何一个或全部。在一个示例中，第一载热流体可以流过导管61，而另外的或第二载热流体流过第二导管62。在另一个示例中，相同的载热流体可以流过所有导管61，62，63。

箭头101(图3-4)示出了从与管道壁65接触的载热流体35，从管道壁65到热交换器76的翅片74，以及从翅片74到冷却通道77内的空气的热传导。类似地，热量可以从第二导管62(图3)传递到翅片74和冷却通道77。关于第二热交换器86，进一步设想箭头102(图3-4)所示的热量可以经由第二添加式支撑结构80和翅片84从第三管道63传递到外壳52或内部54内的空气。以这种方式，添加式支撑结构，例如以相应热交换器76，86形式的第一或第二添加式支撑结构70，80可以配置成将热量从任何或所有导管61，62，63传递出去，包括将热量从可能在导管61，62，63内流动的载热流体35(例如油)移开。

可以理解的是，热量也可以经由外壳52从发电机壳体30的内部54传递出去。在另一个例子中，可以在外壳52中设置多个通气孔(未示出)，以便于从发电机壳体30的内部54传递热量。这种通气孔可以与外壳52一体形成，并且可以具有不允许用工具或其他装置进入内部54同时允许空气流入或流出内部54的尺寸。

本公开的各方面提供了一种冷却整体式载热部件(例如部件50)的方法，该部件50具有界定内部54的外壳52。该方法可以包括使载热流体35移动通过导管，例如导管61，62，63，导管61，62，63位于内部54内并与外壳52一体形成。该方法还可以包括将热量从载热流体35传递到增材制造的支撑结构，例如具有至少两个间隔开的翅片74，84的第一或第二添加式支撑结构70，80(图3)，上述翅片共同形成热交换器76，86，其中增材制造的支撑结构70，80位于内部54内或从外部难以接近的部分55内。可选地，该方法可以包括将热量从载热流体35传导到导管壁，例如热联接到第一添加式支撑结构70的导管壁65。如图3所示，该方法还可选地包括经由第二增材制造的支撑结构80将热量从载热流体35传导到外壳52。如图3所示，该方法可选地进一步包括使附加的载热流体35移动通过热联接到热交换器76的第二导管62，并通过热交换器76将热量从导管61和第二导管62中的每一个传递走。如图4所示，该方法可选地进一步包括将热量从翅片74传递到在翅片74之间流动的空气。

上述方面提供了多种益处。对于通过增材打印技术制造的发电机部件，在打印期间在从外部难以接近的空间内使用的支撑结构不能被移除(例如，机械加工)。使用翅片作为支撑结构可以减少左侧制造的部件的重量，同时增加改进的功能，例如冷却，这可以在增材制造的部件的操作期间提高性能或效率。此外，改善对这种从外部不可接近区域的冷却能力可以增加部件的工作寿命。

在未描述的范围内，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。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排列。除了上图中所示的实施例之外的许多其他可能的实施例和配置是本公开所预期的。

本书面描述使用示例来公开本发明的各方面，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明的各方面，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。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，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。

本发明的进一步方面通过以下条项的主题提供：

1.一种载热部件，包括界定内部的外壳，位于内部内的导管，以及位于内部内并具有支撑导管的至少两个导热支撑构件的支撑结构，其中至少两个支撑构件间隔开以限定至少两个翅片，至少两个翅片共同形成热联接到导管的热交换器。

2.根据任何在前条项的载热部件，其中至少两个翅片进一步包括冷却增强结构。

3.根据任何在前条项的载热部件，其中冷却增强结构包括孔或凹坑中的至少一个。

4.根据任何在前条项的载热部件，其中导管进一步包括与热交换器一体形成的增材制造的整体式导管壁。

5.根据任何在前条项的载热部件，进一步包括第二导管，第二导管热联接到热交换器的至少两个翅片。

6.根据任何在前条项的载热部件，进一步包括整体式本体，整体式本体具有外壳、导管和支撑结构。

7.根据任何在前条项的载热部件，其中支撑结构导热地联接到外壳。

8.根据任何在前条项的载热部件，其中热交换器配置成将热量从导管传递到外壳。

9.根据任何在前条项的载热部件，其中部件包括涡轮发动机发电机。

10.根据任何在前条项的载热部件，其中导管配置成引导冷却剂通过涡轮发动机发电机，并且其中支撑结构配置成将热量从冷却剂移开。

11.一种涡轮发动机，具有轴向流动布置的压缩机、燃烧室和涡轮，涡轮发动机包括涡轮发动机内的增材制造的部件，增材制造的部件包括外壳，外壳界定内部并在内部内限定从外部难以接近的部分；导管，导管位于内部内并且其至少一部分在从外部难以接近的部分内；和添加式支撑结构，添加式支撑结构位于从外部难以接近的部分内并且具有在增材制造过程中支撑导管的至少两个导热支撑构件，其中至少两个支撑构件间隔开以限定至少两个翅片，至少两个翅片共同形成热联接到导管的热交换器。

12.根据任何在前条项的涡轮发动机，其中增材制造的部件包括发电机，发电机可选择地并可操作地与压缩机或涡轮中的至少一个联接。

13.根据任何在前条项的涡轮发动机，其中发电机包括发电机壳体，并且从外部难以接近的部分位于发电机壳体内。

14.根据任何在前条项的涡轮发动机，其中导管配置成引导油通过发电机，并且其中增材支撑结构配置成将热量从油中传递走。

15.根据任何在前条项的涡轮发动机，进一步包括热联接到至少两个翅片的第二导管，并且其中热交换器配置成将热量从导管或第二导管中的至少一个中传递走。

16.一种冷却整体式载热部件的方法，整体式载热部件具有界定内部的外壳，方法包括：使载热流体流经与外壳一体形成并位于内部内的导管；和使热量从载热流体传递到热联接到导管并位于内部内的支撑结构，支撑结构具有至少两个间隔开的翅片，至少两个间隔开的翅片共同形成热交换器。

17.根据任何在前条项的方法，其中传递热量进一步包括使热量从载热流体传导到热联接到支撑结构的导管壁。

18.根据任何在前条项的方法，其中传递热量进一步包括经由支撑结构将热量从载热流体传导到外壳。

19.根据任何在前条项的方法，进一步包括使附加的载热流体移动通过位于内部内并热联接到热交换器的第二导管，并使热量从导管和第二导管中的每一个传递到热交换器。

20.根据任何在前条项的方法，其中传递热量进一步包括使热量从支撑结构的至少两个间隔开的翅片传递到在至少两个间隔开的翅片之间流动的空气中。

Claims (10)

1.一种载热部件，其特征在于，包括：

外壳，所述外壳界定内部；

导管，所述导管位于所述内部内；和

支撑结构，所述支撑结构位于所述内部内并且具有支撑所述导管的至少两个导热支撑构件，其中所述至少两个支撑构件间隔开以限定至少两个翅片，所述至少两个翅片共同形成热联接到所述导管的热交换器。

2.根据权利要求1所述的载热部件，其特征在于，其中所述至少两个翅片进一步包括冷却增强结构。

3.根据权利要求2所述的载热部件，其特征在于，其中所述冷却增强结构包括孔或凹坑中的至少一个。

4.根据权利要求1所述的载热部件，其特征在于，其中所述导管进一步包括与所述热交换器一体形成的增材制造的整体式导管壁。

5.根据权利要求1所述的载热部件，其特征在于，进一步包括第二导管，所述第二导管热联接到所述热交换器的所述至少两个翅片。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的载热部件，其特征在于，进一步包括整体式本体，所述整体式本体具有所述外壳、所述导管和所述支撑结构。

7.根据权利要求1所述的载热部件，其特征在于，其中所述支撑结构导热地联接到所述外壳。

8.根据权利要求1-5或7中任一项所述的载热部件，其特征在于，其中所述热交换器配置成将热量从所述导管传递到所述外壳。

9.根据权利要求1所述的载热部件，其特征在于，其中所述部件包括涡轮发动机发电机。

10.根据权利要求9所述的载热部件，其特征在于，其中所述导管配置成引导冷却剂通过所述涡轮发动机发电机，并且其中所述支撑结构配置成将热量从所述冷却剂移开。

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