CN111299592A - 修整通过增材制造制备的部件的表面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于对通过增材制造制备的金属部件的表面进行修整的方法和装置。该方法包括：将部件41容纳在包括磨料颗粒48的流体43中；以及通过由超声变幅杆45将超声振动施加到流体中来生成压力波动，该压力波动在所述流体中产生声空化，从而通过空化气泡在所述表面上塌缩和因空化气泡塌缩而加速的磨料颗粒48撞击该表面的组合来从该部件的表面移除材料。

Description

修整通过增材制造制备的部件的表面
本公开涉及用于修整通过增材制造制成的金属部件的表面的装置、用于修整这种金属部件的表面的方法、具有使用该方法修整的表面的部件、以及包括这种部件的气体涡轮引擎。
背景技术
飞行器引擎诸如气体涡轮引擎的部件可通过增材制造来制备。在制造之后，此类部件的表面需要修整(例如，平滑和/或清洁)。一些部件具有内部通道，这使得更难以修整这些内部通道的表面。该修整涉及移除材料以便减小表面粗糙度。
CN203611072U公开了一种通过驱动磨料颗粒来抛光孔的设备。电泳辅助和超声加工被一起采用。在电泳的吸附作用下，磨料颗粒被紧密吸附至工具。其目的是通过磨料颗粒在溶液中相对于表面的移动来将工件抛光。
CN105773318A公开了一种用于聚合物3D打印产品的浸入式超声表面处理方法。
然而，针对产品表面的工业标准和要求已大大增加。上述常规修整技术未能在整个部件中获得足够高质量的表面光洁度。
本公开的目的是提供用于改善通过增材制造制备的金属部件的表面的修整的装置和方法。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供了对通过增材制造制备的金属部件的表面进行修整的方法，该方法包括：将部件容纳在包括磨料颗粒的流体中；以及通过由超声变幅杆将超声振动施加到流体中来生成压力波动，该压力波动在流体中产生声空化，从而通过空化气泡在表面上塌缩和因空化气泡塌缩而加速的磨料颗粒撞击表面的组合来从部件表面移除材料。
可以由通过变幅杆的超声振动在流体中生成的超声波和由空化气泡塌缩生成的二次冲击波来使磨料颗粒加速。
变幅杆的输出功率密度可为至少105W/m2。
该方法还可包括使容器中的流体再循环以便保持流体的均质性。
该方法还可包括将部件直接安装到超声变幅杆上，使得超声变幅杆引起部件在变幅杆振动的超声频率下振动。
磨料颗粒可具有小于100μm的平均尺寸。它们可具有锋利的边缘，从而在超声激发时充当空化成核位点。该磨料颗粒可具有角部，平均角部半径小于磨料颗粒的平均最大长度的20％。该角部可具有小于磨料颗粒的平均最大长度的10％的平均半径。
从中移除材料的部件的表面可以是部件的内部通道。
该方法还可包括将已修整部件装配在气体涡轮引擎中。该方法还可包括将包括已修整部件的气体涡轮引擎装配到飞行器上。
根据本公开的第二方面，提供了用于对通过增材制造制备的金属部件的表面进行修整的装置，该装置包括：容器，其用于将部件容纳在包括磨料颗粒的流体中；超声换能器，其被构造用于振动；和超声变幅杆，其被构造用于将振动从换能器传递到容器中的流体中以生成压力波动，该压力波动在流体中产生声空化，从而通过空化气泡在表面上塌缩和因空化气泡塌缩而加速的磨料颗粒撞击表面的组合来从部件表面移除材料。
可以由通过变幅杆的超声振动在流体中生成的超声波和由空化气泡塌缩生成的二次冲击波来使磨料颗粒加速。
该装置可被构造使得在使用中变幅杆的输出功率密度为至少105W/m2。
该装置还可包括流体。磨料颗粒可具有小于100μm的平均尺寸。磨料颗粒可具有锋利的边缘，从而在超声激发时充当空化成核位点。磨料颗粒可具有角部，平均角部半径小于磨料颗粒的平均最大长度的20％。该角部可具有小于磨料颗粒的平均最大长度的10％的平均半径。
该装置还可包括用于将容器中的流体再循环的电路以便保持流体的均质性。
根据本公开的另一方面，提供了用于对通过增材制造制备的金属部件的表面进行修整的装置，该装置包括：容器，其用于将部件容纳在流体中；超声换能器，其被构造用于振动；和超声变幅杆，其被构造用于将振动从换能器传递到容器中的流体中；其中该装置被构造使得在使用中变幅杆的输出功率密度为至少105W/m2。
在一种布置结构中，变幅杆相对于容器定位，使得在使用中其顶端延伸到流体中并浸没在流体中。在一种布置结构中，变幅杆被构造用于允许部件直接安装到其上。
在一种布置结构中，该装置包括：用于将容器中的流体再循环的电路。
在一种布置结构中，该装置包括：作为容器中的流体的浆液，其中该浆液包括磨料颗粒。在一种另选布置结构中，该装置包括：作为容器中的流体的均质液体。
在一种布置结构中，该装置包括：金属部件。在一种布置结构中，该部件包括至少一个内部通道。
根据本公开的另一方面，提供了用于对通过增材制造制备的金属部件的表面进行修整的方法，该方法包括：将部件容纳在流体中；以及由超声变幅杆将振动施加到流体中；其中变幅杆的输出功率密度为至少105W/m2。
根据本公开的另一方面，提供了一种部件，其具有使用本公开的方法修整的表面。
根据本公开的另一方面，提供了一种用于飞行器的气体涡轮引擎，其包括具有使用本公开的方法修整的表面的部件。
在一种布置结构中，该气体涡轮引擎包括：引擎核心，该引擎核心包括涡轮、压缩机和将该涡轮连接到该压缩机的芯轴；风扇；以及齿轮箱，该齿轮箱接收来自芯轴的输入并将驱动输出至风扇，以便以比芯轴低的旋转速度驱动风扇。其中风扇位于引擎核心的上游。
在一种布置结构中，该涡轮是第一涡轮，该压缩机是第一压缩机，并且该芯轴是第一芯轴；该引擎核心还包括第二涡轮、第二压缩机和将该第二涡轮连接到该第二压缩机的第二芯轴；并且第二涡涡轮、第二压缩机和第二芯轴被布置成以比第一芯轴高的旋转速度旋转。
附图说明
现在将参考附图仅以举例的方式来描述实施方案，其中：
图1是气体涡轮引擎的截面侧视图；
图2是气体涡轮引擎的上游部分的特写截面侧视图；
图3是用于气体涡轮引擎的齿轮箱的局部剖视图；
图4示出了根据本公开的装置的一种布置结构；
图5示出了超声换能器；
图6示出了用于对部件进行修整的机制的各阶段；
图7示意性地示出了部件表面处的修整工艺；
图8示出了已修整的部件的一部分；和
图9和图10示出了根据本公开的装置的另选布置结构。
具体实施方式
如本文其他地方所述，本公开可涉及气体涡轮引擎。此类气体涡轮引擎可包括引擎核心，该引擎核心包括涡轮、燃烧器、压缩机和将该涡轮连接到该压缩机的芯轴。此类气体涡轮引擎可包括位于引擎核心的上游的(具有风扇叶片的)风扇。
本公开的布置结构可以特别但并非排他地有益于经由齿轮箱驱动的风扇。因此，该气体涡轮引擎可包括齿轮箱，该齿轮箱接收来自芯轴的输入并将驱动输出至风扇，以便以比芯轴低的旋转速度来驱动风扇。至齿轮箱的输入可直接来自芯轴或者间接地来自芯轴，例如经由正齿轮轴和/或齿轮。芯轴可将涡轮和压缩机刚性地连接，使得涡轮和压缩机以相同的速度旋转(其中，风扇以更低的速度旋转)。
如本文所述和/或所要求保护的气体涡轮引擎可具有任何合适的通用架构。例如，气体涡轮引擎可具有将涡轮和压缩机连接的任何所需数量的轴，例如一个轴、两个轴或三个轴。仅以举例的方式，连接到芯轴的涡轮可以是第一涡轮，连接到芯轴的压缩机可以是第一压缩机，并且芯轴可以是第一芯轴。该引擎核心还可包括第二涡轮、第二压缩机和将第二涡轮连接到第二压缩机的第二芯轴。该第二涡轮、第二压缩机和第二芯轴可被布置成以比第一芯轴高的旋转速度旋转。
在此类布置结构中，第二压缩机可轴向定位在第一压缩机的下游。该第二压缩机可被布置成(例如直接接收，例如经由大致环形的管道)从第一压缩机接收流。
齿轮箱可被布置成由被构造成(例如在使用中)以最低旋转速度旋转的芯轴(例如上述示例中的第一芯轴)来驱动。例如，该齿轮箱可被布置成仅由被构造成(例如在使用中)以最低旋转速度旋转的芯轴(例如，在上面的示例中，仅第一芯轴，而不是第二芯轴)来驱动。另选地，该齿轮箱可被布置成由任何一个或多个轴驱动，该任何一个或多个轴例如为上述示例中的第一轴和/或第二轴。
在如本文所述和/或所要求保护的任何气体涡轮引擎中，燃烧器可被轴向设置在风扇和一个或多个压缩机的下游。例如，在提供第二压缩机的情况下，燃烧器可直接位于第二压缩机的下游(例如在其出口处)。以另一个示例的方式，在提供第二涡轮的情况下，可将燃烧器出口处的流提供至第二涡轮的入口。该燃烧器可设置在一个或多个涡轮的上游。
该压缩机或每个压缩机(例如，如上所述的第一压缩机和第二压缩机)可包括任何数量的级，例如多个级。每一级可包括一排转子叶片和一排定子叶片，该排定子叶片可为可变定子叶片(因为该排定子叶片的入射角可以是可变的)。该排转子叶片和该排定子叶片可彼此轴向偏移。
该涡轮或每个涡轮(例如，如上所述的第一涡轮和第二涡轮)可包括任何数量的级，例如多个级。每一级可包括一排转子叶片和一排定子叶片。该排转子叶片和该排定子叶片可彼此轴向偏移。
每个风扇叶片可被限定为具有径向跨度，该径向跨度从径向内部气体洗涤位置或0％跨度位置处的根部(或毂部)延伸到100％跨度位置处的尖端。该毂部处的风扇叶片的半径与尖端处的风扇叶片的半径的比率可小于(或大约为)以下中的任何一个：0.4、0.39、0.38、0.37、0.36、0.35、0.34、0.33、0.32、0.31、0.3、0.29、0.28、0.27、0.26或0.25。该毂部处的风扇叶片的半径与尖端处的风扇叶片的半径的比率可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。这些比率通常可称为毂部-尖端比率。毂部处的半径和尖端处的半径都可以在叶片的前缘(或轴向最前)部分处测量。当然，毂部-尖端比率指的是风扇叶片的气体洗涤部分，即径向地在任何平台外部的部分。
可在引擎中心线和风扇叶片的前缘处的尖端之间测量该风扇的半径。风扇直径(可能只是风扇半径的两倍)可大于(或大约为)以下中的任何一个：250cm(约100英寸)、260cm、270cm(约105英寸)、280cm(约110英寸)、290cm(约115英寸)、300cm(约120英寸)、310cm、320cm(约125英寸)、330cm(约130英寸)、340cm(约135英寸)、350cm、360cm(约140英寸)、370cm(约145英寸)、380cm(约150英寸)或390cm(约155英寸)。风扇直径可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。
风扇的旋转速度可以在使用中变化。一般来讲，对于具有较大直径的风扇，旋转速度较低。仅以非限制性示例的方式，风扇在巡航条件下的旋转速度可小于2500rpm，例如小于2300rpm。仅以另外的非限制性示例的方式，对于风扇直径在250cm至300cm(例如250cm至280cm)范围内的引擎，在巡航条件下风扇的旋转速度可在1700rpm至2500rpm的范围内，例如在1800rpm至2300rpm的范围内，例如在1900rpm至2100rpm的范围内。仅以另外的非限制性示例的方式，对于风扇直径在320cm至380cm范围内的引擎，在巡航条件下风扇的旋转速度可在1200rpm至2000rpm的范围内，例如在1300rpm至1800rpm的范围内、例如在1400rpm至1600rpm的范围内。
在使用气体涡轮引擎时，(具有相关联的风扇叶片的)风扇围绕旋转轴线旋转。该旋转导致风扇叶片的尖端以速度U尖端移动。风扇叶片对流所做的功导致流的焓升dH。风扇尖端负载可被定义为dH/U尖端 2，其中dH是跨风扇的焓升(例如1-D平均焓升)，并且U尖端是风扇尖端的(平移)速度，例如在尖端的前缘处(可被定义为前缘处的风扇尖端半径乘以角速度)。在巡航条件下的风扇尖端负载可大于(或大约为)以下中的任何一个：0.3、0.31、0.32、0.33、0.34、0.35、0.36、0.37、0.38、0.39或0.4(本段中的所有单位为Jkg-1K-1/(ms-1)2)。风扇尖端负载可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。
根据本公开的气体涡轮引擎可具有任何期望的旁路比率，其中该旁路比率被定义为在巡航条件下穿过旁路管道的流的质量流率与穿过核心的流的质量流率的比率。在一些布置结构中，该旁路比率可大于(或大约为)以下中的任何一个：10、10.5、11、11.5、12、12.5、13、13.5、14、14.5、15、15.5、16、16.5或17。该旁路比率可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。该旁路管道可以是基本上环形的。该旁路管道可位于核心引擎的径向外侧。旁路管道的径向外表面可以由短舱和/或风扇壳体限定。
本文中描述和/或要求保护的气体涡轮引擎的总压力比可被定义为风扇上游的滞止压力与最高压力压缩机出口处的滞止压力(进入燃烧器之前)之比。以非限制性示例的方式，如本文所述和/或所要求保护的气体涡轮引擎在巡航时的总压力比可大于(或大约为)以下中的任何一个：35、40、45、50、55、60、65、70、75。总压力比可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。
引擎的比推力可被定义为引擎的净推力除以穿过引擎的总质量流量。在巡航条件下，本文中描述和/或要求保护的引擎的比推力可小于(或大约为)以下中的任何一个：110Nkg-1s、105Nkg-1s、100Nkg-1s、95Nkg-1s、90Nkg-1s、85Nkg-1s或80Nkg-1s。比推力可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。与传统的气体涡轮引擎相比，此类引擎可能特别高效。
如本文所述和/或所要求保护的气体涡轮引擎可具有任何期望的最大推力。仅以非限制性示例的方式，如本文所述和/或受权利要求书保护的气体涡轮可产生至少为(或大约为)以下中的任何一者的最大推力：160kN、170kN、180kN、190kN、200kN、250kN、300kN、350kN、400kN、450kN、500kN或550kN。最大推力可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。上面提到的推力可为在标准大气条件下、在海平面处、加上15℃(环境压力101.3kPa，温度30℃)、引擎静止时的最大净推力。
在使用中，高压涡轮的入口处的流的温度可能特别高。该温度，可被称为TET，可在燃烧器的出口处测量，例如紧接在可被称为喷嘴导向叶片的第一涡轮叶片的上游。在巡航时，该TET可至少为(或大约为)以下中的任何一者：1400K、1450K、1500K、1550K、1600K或1650K。巡航时的TET可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。引擎在使用时的最大TET可以是，例如，至少为(或大约为)以下中的任何一者：1700K、1750K、1800K、1850K、1900K、1950K或2000K。最大TET可在由前一句中的任意两个值界定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。可以例如在高推力条件下发生最大TET，例如在最大起飞(MTO)条件下发生最大TET。
本文中描述和/或要求保护的风扇叶片和/或风扇叶片的翼面部分可由任何合适的材料或材料组合来制造。例如，风扇叶片和/或翼面的至少一部分可至少部分地由复合材料来制造，该复合材料为例如金属基质复合材料和/或有机基质复合材料，诸如碳纤维。以另外的示例的方式，风扇叶片和/或翼面的至少一部分可以至少部分地由金属来制造，该金属为诸如基于钛的金属或铝基材料(诸如铝锂合金)或基于钢的材料。风扇叶片可包括使用不同材料制造的至少两个区域。例如，风扇叶片可具有保护性前缘，该保护性前缘可使用比叶片的其余部分更好地抵抗(例如，来自鸟类、冰或其他材料的)冲击的材料来制造。此类前缘可以例如使用钛或基于钛的合金来制造。因此，仅以举例的方式，该风扇叶片可具有碳纤维或具有带钛前缘的基于铝的主体(诸如铝锂合金)。
如本文所述和/或所要求保护的风扇可包括中央部分，风扇叶片可从该中央部分例如沿径向方向延伸。该风扇叶片可以任何期望的方式附接到中央部分。例如，每个风扇叶片可包括固定件，该固定件可与毂部(或盘状部)中的对应狭槽接合。仅以举例的方式，此类固定件可以是燕尾形式的，其可以插入和/或接合毂部/盘状部中对应的狭槽，以便将风扇叶片固定到毂部/盘状部。以另外的示例的方式，该风扇叶片可与中央部分一体地形成。此类布置结构可被称为整体叶盘或整体叶环。可使用任何合适的方法来制造此类整体叶盘或整体叶环。例如，风扇叶片的至少一部分可由块状物来加工而成，以及/或者风扇叶片的至少部分可通过焊接(诸如线性摩擦焊接)来附接到毂部/盘状部。
本文中描述和/或要求保护的气体涡轮引擎可能或可能不设有可变面积喷嘴(VAN)。此类可变面积喷嘴可允许旁路管道的出口面积在使用中变化。本公开的一般原理可应用于具有或不具有VAN的引擎。
如本文所述和/或要求保护的气体涡轮的风扇可具有任何期望数量的风扇叶片，例如16、18、20或22个风扇叶片。
如本文所用，巡航条件可指气体涡轮引擎所附接的飞行器的巡航条件。此类巡航条件通常可被定义为巡航中期的条件，例如飞行器和/或引擎在爬升顶点和下降起点之间的中点(就时间和/或距离而言)处所经历的条件。
仅以举例的方式，巡航条件下的前进速度可为从0.7马赫至0.9马赫的范围内的任何点，例如0.75至0.85、例如0.76至0.84、例如0.77至0.83、例如0.78至0.82、例如0.79至0.81、例如大约0.8马赫、大约0.85马赫或0.8至0.85。这些范围内的任何单一速度可以是巡航条件。对于某些飞行器，巡航条件可能超出这些范围，例如低于0.7马赫或高于0.9马赫。
仅以举例的方式，巡航条件可对应于在以下范围内的高度处的标准大气条件：10000m至15000m，例如在10000m至12000m的范围内，例如在10400m至11600m(约38000英尺)的范围内，例如在10500m至11500m的范围内，例如在10600m至11400m的范围内，例如在10700m(约35000英尺)至11300m的范围内，例如在10800m至11200m的范围内，例如在10900m至11100m的范围内，例如大约11000m。巡航条件可对应于这些范围内的任何给定高度处的标准大气条件。
仅以举例的方式，巡航条件可对应于：前进马赫数为0.8；压力23000Pa；以及温度为-55℃。
如本文中任何地方所用，“巡航”或“巡航条件”可指空气动力学设计点。此类空气动力学设计点(或ADP)可对应于风扇被设计用于操作的条件(包括例如马赫数、环境条件和推力要求中的一者或多者)。例如，这可能指风扇(或气体涡轮引擎)被设计成具有最佳效率的条件。
在使用中，本文中描述和/或要求保护的气体涡轮引擎可在本文别处定义的巡航条件下操作。此类巡航条件可通过飞行器的巡航条件(例如，巡航中期条件)来确定，至少一个(例如2个或4个)气体涡轮引擎可以安装在该飞行器上以提供推进推力。
本领域的技术人员将理解，除非相互排斥，否则关于任何一个上述方面描述的特征或参数可应用于任何其他方面。此外，除非相互排斥，否则本文中描述的任何特征或参数可应用于任何方面以及/或者与本文中描述的任何其他特征或参数组合。
图1示出了具有主旋转轴线9的气体涡轮引擎10。引擎10包括进气口12和推进式风扇23，该推进式风扇产生两股气流：核心气流A和旁路气流B。气体涡轮引擎10包括接收核心气流A的核心11。引擎核心11以轴流式串联包括低压压缩机14、高压压缩机15、燃烧设备16、高压涡轮17、低压涡轮19和核心排气喷嘴20。短舱21围绕气体涡轮引擎10并限定旁路管道22和旁路排气喷嘴18。旁路气流B流过旁路管道22。风扇23经由轴26和周转齿轮箱30附接到低压涡轮19并由该低压涡轮驱动。
在使用中，核心气流A由低压压缩机14加速和压缩，并被引导至高压压缩机15中以进行进一步的压缩。从高压压缩机15排出的压缩空气被引导至燃烧设备16中，在该燃烧设备中压缩空气与燃料混合，并且混合物被燃烧。然后，所得的热燃烧产物在通过喷嘴20排出之前通过高压涡轮和低压涡轮17、19膨胀，从而驱动高压涡轮和低压涡轮17、19以提供一些推进推力。高压涡轮17通过合适的互连轴27来驱动高压压缩机15。风扇23通常提供大部分推进推力。周转齿轮箱30是减速齿轮箱。
图2中示出了齿轮传动风扇气体涡轮引擎10的示例性布置结构。低压涡轮19(参见图1)驱动轴26，该轴26联接到周转齿轮布置结构30的太阳轮或太阳齿轮28。在太阳齿轮28的径向向外处并与该太阳齿轮相互啮合的是多个行星齿轮32，该多个行星齿轮通过行星架34联接在一起。行星架34约束行星齿轮32以同步地围绕太阳齿轮28进动，同时使每个行星齿轮32绕其自身轴线旋转。行星架34经由连杆36联接到风扇23，以便驱动该风扇围绕引擎轴线9旋转。在行星齿轮32的径向向外处并与该行星齿轮相互啮合的是齿圈或环形齿轮38，其经由连杆40联接到固定支撑结构24。
需注意，本文中使用的术语“低压涡轮”和“低压压缩机”可分别表示最低压力涡轮级和最低压力压缩机级(即，不包括风扇23)，和/或通过在引擎中具有最低旋转速度的互连轴26(即，不包括驱动风扇23的齿轮箱输出轴)连接在一起的涡轮级和压缩机级。在一些文献中，本文中提到的“低压涡轮”和“低压压缩机”可被另选地称为“中压涡轮”和“中压压缩机”。在使用此类另选命名的情况下，风扇23可被称为第一或最低压力的压缩级。
在图3中以举例的方式更详细地示出了周转齿轮箱30。太阳齿轮28、行星齿轮32和环形齿轮38中的每一者包括围绕其周边以用于与其他齿轮相互啮合的齿。然而，为清楚起见，图3中仅示出了齿的示例性部分。示出了四个行星齿轮32，但是对本领域的技术人员显而易见的是，可以在本公开的范围内提供更多或更少的行星齿轮32。行星式周转齿轮箱30的实际应用通常包括至少三个行星齿轮32。
在图2和图3中以举例的方式示出的周转齿轮箱30是行星式的，其中行星架34经由连杆36联接到输出轴，其中齿圈38被固定。然而，可使用任何其他合适类型的周转齿轮箱30。以另一个示例的方式，周转齿轮箱30可以是星形布置结构，其中行星架34保持固定，允许环形齿轮(或齿圈)38旋转。在此类布置结构中，风扇23由环形齿轮38驱动。以另一个另选示例的方式，齿轮箱30可以是差速齿轮箱，其中环形齿轮38和行星架34均被允许旋转。
应当理解，图2和图3中所示的布置结构仅是示例性的，并且各种另选方案都在本公开的范围内。仅以举例的方式，可使用任何合适的布置结构来将齿轮箱30定位在引擎10中和/或用于将齿轮箱30连接到引擎10。以另一个示例的方式，齿轮箱30与引擎10的其他部件(诸如输入轴26、输出轴和固定结构24)之间的连接件(诸如图2示例中的连杆36、40)可具有任何期望程度的刚度或柔性。以另一个示例的方式，可使用引擎的旋转部件和固定部件之间(例如，在来自齿轮箱的输入轴和输出轴与固定结构诸如齿轮箱壳体之间)的轴承的任何合适的布置结构，并且本公开不限于图2的示例性布置结构。例如，在齿轮箱30具有星形布置结构(如上所述)的情况下，技术人员将容易理解，输出连杆和支撑连杆以及轴承位置的布置结构通常不同于图2中以举例的方式示出的布置结构。
因此，本公开延伸到具有齿轮箱类型(例如星形或行星齿轮)、支撑结构、输入和输出轴布置结构以及轴承位置中的任何布置结构的气体涡轮引擎。
可选地，齿轮箱可驱动附加的和/或另选的部件(例如，中压压缩机和/或增压压缩机)。
本公开可应用的其他气体涡轮引擎可具有另选配置。例如，此类引擎可具有另选数量的压缩机和/或涡轮和/或另选数量的互连轴。以另外示例的方式，图1中所示的气体涡轮引擎具有分流喷嘴20、22，这意味着穿过旁路管道22的流具有自己的喷嘴，该喷嘴与核心引擎喷嘴20分开，并径向地在该核心引擎喷嘴的外部。然而，这不是限制性的，并且本公开的任何方面也可应用于如下引擎，在该引擎中，穿过旁路管道22的流和穿过核心11的流在可被称为混流喷嘴的单个喷嘴之前(或上游)混合或组合。一个或两个喷嘴(无论是混合的还是分流的)可具有固定的或可变的面积。虽然所描述的示例涉及涡轮风扇引擎，但是本公开可应用于例如任何类型的气体涡轮引擎，诸如开放式转子(其中风扇级未被短舱围绕)或例如涡轮螺旋桨引擎。在一些布置结构中，气体涡轮引擎10可不包括齿轮箱30。
气体涡轮引擎10的几何形状及其部件由传统的轴系限定，包括轴向(与旋转轴线9对准)、径向(在图1中从下到上的方向)和周向(垂直于图1视图中的页面)。轴向、径向和周向相互垂直。
图4描绘了根据本公开的装置50的一种布置结构。装置50用于对金属部件41的表面进行修整。修整可包括表面的清洁和/或平滑。装置50也可用于对由其他材料诸如聚合物制成的部件的表面进行修整。部件41可通过增材制造诸如加层制造来制备。部件41可另选地由其他3D打印技术或由除3D打印之外的技术形成。
如图4所示，在一种布置结构中，装置50包括容器42。容器42用于将金属部件41容纳在流体43中。容器43的类型没有特别限制。如图4所示，在一种布置结构中，容器43具有开口顶部。另选地，容器43的顶部可围绕浸入流体43中的变幅杆45闭合。变幅杆可浸入流体中，使得顶端的深度介于变幅杆直径的约1倍和3倍之间，更优选地介于变幅杆直径的约1.5倍和2.5倍之间。
在一种布置结构中，流体43为包括磨料颗粒48的浆液。然而，本公开的装置50和方法可在具有或不具有磨料颗粒48的情况下工作。具体地讲，在一种布置结构中，流体43为均质液体(即，不具有磨料颗粒)。在没有磨料颗粒的情况下，材料移除的机制主要受制于由于非常高强度下的空化气泡塌缩引起的冲蚀(下面将详细说明)以及由于部件41的表面不平整而造成的异质空化。
如图4所示，在一种布置结构中，装置50包括超声换能器44。超声换能器44被构造用于振动。换能器44将电信号转换为超声。如图4所示，在一种布置结构中，装置50包括超声发生器51。超声发生器51被构造用于向换能器44提供电信号。超声发生器51被构造用于控制换能器44的振动的频率和/或振幅。超声发生器51可改变换能器44的振动的频率和/或振幅。在一种布置结构中，根据特定频率附接超声波发生器和波导。
如图4所示，在一种布置结构中，装置50包括超声变幅杆45。超声变幅杆45被构造用于将振动从换能器44传递到容器42中的流体43中。在一种布置结构中，超声变幅杆45被构造用于增大由换能器44提供的振荡位移振幅。如图4所示，在一种布置结构中，装置50包括助推器52。助推器52被构造用于增大振动的振幅。在一种布置结构中，助推器52形成超声变幅杆45的一部分。另选地，助推器52可为与变幅杆45分开的部件。在一种布置结构中，变幅杆45由金属制成。例如，变幅杆45可包括金属棒。在一种布置结构中，变幅杆渐缩。
在使用中，迫使流体43以由变幅杆45引起的超声频率振荡。这生成声空化。当流体43中的任何位置处的静压降至其工作温度下的蒸气压以下时，形成蒸气气泡。填充有蒸气的这些气泡膨胀并且可与相邻气泡聚集以在流体43中形成较大气泡或空化气泡群。所得的蒸气气泡由声波输送，并且随后在流动方向上的压力恢复到高于蒸气压力时塌缩。压力振幅波动远离变幅杆45减小，使得远离变幅杆45生成更少的气泡。当气泡塌缩时，它们产生高度局部的温度和压力冲击波。冲击波可从部件41的表面移除材料。
如上所述，在一种布置结构中，流体43包括磨料颗粒48。磨料颗粒48可增强材料移除工艺。当空化气泡塌缩时，产生高度局部的压力冲击波。磨料颗粒48被这些声波以及二次冲击波加速。磨料颗粒48撞击部件41的表面并移除材料。表面修整使用表面上的空化气泡塌缩，或通过流动方向上的加速磨料颗粒48，或通过这两种机制的组合效应来实现。
磨料颗粒48优选地具有锋利边缘，但也可使用圆形(例如，基本上球形的)颗粒。使用边缘锋利的颗粒增加了颗粒在超声激发时充当成核位点的可能性，这可增加空化气泡的生成。术语“锋利”可理解为意指颗粒具有角部，例如角部半径小于颗粒在任何方向上的最大长度的约20％或优选地小于约10％的角部。合适的磨料颗粒的示例包括碳化硅(SiC)、氧化铝或铝粉(Al2O3)、碳化硼(B4C)或金刚石磨料以及Inconel 625。
磨料颗粒48优选具有小于约250μm的平均尺寸，例如小于约150μm，更优选小于约125μm，或许最优选地小于约100μm。例如，磨料颗粒可具有介于约10μm和250μm之间，介于约10μm和150μm之间，介于约10μm和100μm之间的平均尺寸，并且在一个尤其优选的示例中介于约10μm和50μm之间。根据所需的修整，可使用其他平均粒度，例如介于约20μm和100μm之间，或介于约30μm和100μm之间。磨料颗粒的小尺寸增加了磨料颗粒在超声激发时充当成核位点的可能性，这可增加空化气泡的生成。
如上所述，在一种布置结构中，超声发生器51可为多频率和多振幅。超声发生器51可产生可变频率。这可使用换能器44中的压电晶体来实现。振动被放大(例如，由助推器52)并传输到变幅杆45。如图4的右侧的展开视图所示，在一种布置结构中，变幅杆45包括顶端46。顶端46可与变幅杆45整体形成。另选地，顶端46可以是可替换的(即，被构造用于能够与变幅杆45的其余部分分离)。顶端46可被称为辐射顶端。
如图4所示，在一种布置结构中，装置50包括支架53。支架53被构造成保持换能器变幅杆部件。换能器变幅杆部件包括换能器44、助推器52和变幅杆45。如图4中的支架53旁边的双头箭头所示，在一种布置结构中，支架53被构造用于将换能器变幅杆部件保持在可变高度。支架53的保持器可在该方向上移动。在一种布置结构中，保持器被构造用于围绕两个垂直轴线旋转，例如通过电动机构旋转。
如图4所示，在一种布置结构中，装置50包括固定装置54。固定装置54被构造用于保持部件41。固定装置54可被控制以便控制部件41的对准。例如，可控制固定装置54以便将部件41的内部通道49与变幅杆45对齐。具体地讲，变幅杆45的纵向可与部件41的内部通道49的纵向匹配。在一种布置结构中，固定装置54被构造用于控制部件41围绕三个轴线(其可为正交的)的取向。在一种布置结构中，固定装置54被构造用于控制部件41在六个自由度(位置和旋转位置)上的运动。
如图9所示，在一种布置结构中，固定装置54包括支撑件66。支撑件66被构造用于以由固定装置54确定的任何取向支撑部件41。
如图4所示，在一个实施方案中，装置50包括工件台控制器55。工件台控制器55被构造用于控制固定装置54。部件41由固定装置54保持并降低到容器42(即，浴槽)中。
如图9和图10所示，在一种布置结构中，装置50包括搅拌器56。搅拌器56被构造用于将流体43混合。例如，搅拌器56可用于将磨料颗粒48与水混合。在一种布置结构中，搅拌器56为磁力搅拌器。
如图4所示，在一种布置结构中，装置50包括电路47。电路47用于使容器42中的流体43再循环，这可有助于保持流体的均质性，并且具体地讲可保持流体中大致均匀的磨料颗粒浓度。如果磨料颗粒48未被循环，则它们可能趋于沉降在容器42的底部，这降低了修整处理的效率。电路47包括泵57。泵57可为蠕动泵。泵57被构造成泵送容器42中的流体43。
在装置50用于修整内部通道的情况下，该电路可被构造用于将流体再循环，使得容纳在内部通道内的流体43中的磨料颗粒48的至少50％为新的磨料颗粒。
如图4所示，在一种布置结构中，装置50包括温度控制器58。温度控制器58被构造用于控制容器42中的流体43的温度。这可有助于在整个修整工艺中保持流体43的恒定温度。
如图4所示，在一种布置结构中，装置50包括封闭室64。封闭室64被构造用于包围变幅杆45和容器42。
如图4的右侧的放大视图所示，在变幅杆45的顶端46和部件41之间可能存在间隔距离65。当使用磨料颗粒48时，希望磨料颗粒48中的一些位于顶端46和部件41之间。可连续将流体43再循环以将新的磨料颗粒48保持在变幅杆45和待修整的部件41之间。
如图4所示，在一种布置结构中，变幅杆45相对于容器42定位，使得在使用中其顶端46延伸到流体43中并浸没在该流体中。在一种布置结构中，超声变幅杆顶端46紧靠待清洁的部件41的表面放置。在一种布置结构中，顶端46被定位成靠近部件41的内部通道49的入口。在一种布置结构中，变幅杆45至少部分地插入内部通道49中。可选择变幅杆45的尺寸以实现部件41的不同部件的修整。
如图10所示，在一种另选布置结构中，变幅杆45被构造成允许部件41直接安装到其上。使用被设计成适合特定频率和几何形状的固定装置和波导将部件41直接固定在变幅杆45(或助推器52)上。将部件41直接安装到变幅杆45上可引起部件41在变幅杆41的振动频率下的振动，这继而可引起由于部件41的表面不平整的空化气泡的较大成核。这可导致表面不平整的优先冲蚀。
例如，可使用合适的超声波发生器和波导将部件41直接螺纹连接到变幅杆45上。变幅杆45的尺寸没有特别限制。仅以举例的方式，变幅杆的尺寸可在1mm至25mm的范围内变化。可基于部件41的尺寸和所需的修整类型来选择变幅杆45的尺寸。
当部件41以超声频率振动时，在其整个表面上均匀生成空化气泡。这些气泡在部件41的表面附近塌缩，从而有助于从该表面移除材料。在较低的气泡塌缩强度下，气泡塌缩有助于空化喷丸。
可通过改变振动的频率和振幅来控制气泡生长的大小和塌缩强度。装置50可用于通过空化喷丸进行表面修整(例如，清洁、平滑和/或表面应力修正)，具体取决于操作条件。
下文将具体参考图5至图8更详细地描述本公开的机制。该机制基于固体-液体混合物中的空化效应。如上所述，流体43不必要包括磨料颗粒48。表面修整可通过在不具有磨料颗粒48情况下的空化条件来实现。磨料颗粒48可有助于加速部件41的表面的修整(例如平滑)。
如图5所示，超声变幅杆45具有振动振幅(由双头箭头和振荡线示出)。在一种布置结构中，振动频率由可变频率驱动信号59控制。在一种布置结构中，振动振幅由输入到超声发生器51的功率控制。
图6示出了气泡形成和塌缩的不同阶段。如阶段A所示，空化气泡由于流体43中的超声导致的局部压力降低而增大。如阶段B所示，气泡经受来自流体43的压力。随后，在阶段C和D，来自流体43的压力导致气泡塌缩。如阶段E所示，塌缩生成高速微射流。如阶段F所示，气泡的塌缩生成二次冲击波。当使用磨料颗粒时，二次冲击波使磨料颗粒加速。高速微射流和二次冲击波有助于通过移除粗糙部分来清洁表面。
此外，由于表面不平整而生成异质空化气泡并且/或者声波以非常高的速度承载磨料颗粒(其撞击并移除材料)。
在图7中，向下箭头指示超声波传播方向。一些磨料颗粒48定位在部件41的表面附近。空化气泡塌缩由附图标号60指示。二次冲击波由附图标号61指示。在部件41的表面上的粉末62可通过这些空化效应移除。
图8示出了部件41的修整表面63。
在一种布置结构中，装置50被构造成使得在使用中，变幅杆45的输出功率密度为至少105W/m2，该值在变幅杆顶端的区域上测量。在一种布置结构，变幅杆45的输出功率密度为至少1.5x105W/m2，可选地至少2.0x105W/m2，并且可选地至少5.0x105W/m2。通过提供此类高功率密度，可单独通过空化效应清洁部件41的表面，而不需要磨料颗粒48。空化气泡塌缩是一种高能现象。由各个空化气泡塌缩产生的微射流可达到约200m/s至500m/s的速度。
当使用磨料颗粒48时，可在塌缩气泡与磨料颗粒48之间有效地传递能量。这可提高从部件41的表面移除材料的速度。这使得具有高初始表面粗糙度的部件41能够被有效地修整。
即使在部件41内的复杂弯曲上，本公开也可有助于提供一直的修整。这是因为，与例如磨料流加工相比，该机制不是基于流的工艺。空化效应在局部区域内相对均匀地分布。因此，内半径处的磨料能量类似于在部件41表面处的弯曲的外半径处的磨料能量。
振动频率的变化允许控制空化气泡的尺寸、生成和塌缩强度。由此，通过改变振动频率，可以利用空化喷丸来改善残余应力，从而可以修整表面，或者对于表面平滑，通过引入磨料粉末来实现。预期本公开的布置结构在部件41的限制、弯曲、分支和其他复杂几何形状和特征方面极为奏效。
本公开尤其适用于金属部件41，例如用于航空应用的部件。这是因为此类金属部件41通常具有复杂的特征和复杂的几何要求。本公开的修整工艺可通过移除部分熔融的粉末、成球熔体和其它表面不平整来改变表面光洁度，以获得更光滑的表面光洁度。
本公开也可用于修改部件表面的机械性能。例如，空化喷丸(即，空化气泡在部件41的表面上内爆)可用于在部件41的表面上引起压缩应力。这可在不使用任何磨料部件48的情况下实现。
该工艺还可用于清洁表面鳞屑、污垢或异物颗粒。
如图9和图10所示，在一种布置结构中，电路47包括流体输入口67和流体输出口68。流体输入口67用于将流体43输入到容器42中。流体43通过流体输出口68离开容器42。
应当理解，本公开不限于上述实施方案，并且在不脱离本文所述的概念的情况下可以进行各种修改和改进。除非相互排斥，否则任何特征可以单独使用或与任何其他特征组合使用，并且本公开扩展到并包括本文中描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。

Claims (15)

1.一种对通过增材制造制备的金属部件(41)的表面进行修整的方法，所述方法包括：
将所述部件(41)容纳在包括磨料颗粒(48)的流体(43)中；以及
通过由超声变幅杆(45)将超声振动施加到所述流体中来生成压力波动，所述压力波动在所述流体中产生声空化，从而通过空化气泡在所述表面上塌缩和因空化气泡塌缩而加速的磨料颗粒(48)撞击所述表面的组合来从所述部件的所述表面移除材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述变幅杆(45)的输出功率密度为至少105W/m2。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
使所述容器中的所述流体(43)再循环以便保持所述流体(43)的均质性。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
将所述部件(41)直接安装到所述超声变幅杆(45)上，使得所述超声变幅杆(45)引起所述部件(41)在所述变幅杆振动的超声频率下振动。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述磨料颗粒(48)具有小于100μm的平均尺寸。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述磨料颗粒(48)具有锋利边缘，从而在超声激发时充当空化成核位点。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述磨料颗粒具有角部，所述角部具有小于所述磨料颗粒的平均最大长度的20％、优选地小于所述磨料颗粒的所述平均最大长度的10％的平均角半径。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中从其移除所述材料的所述部件(41)的表面是所述部件(41)的内部通道(49)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
将所修整部件(41)安装在气体涡轮引擎(10)中。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
将包括所修整部件(41)的气体涡轮引擎(10)安装到飞行器上。
11.一种用于对通过增材制造制备的金属部件(41)的表面进行修整的装置(50)，所述装置包括：
容器(42)，所述容器用于将所述部件容纳在包括磨料颗粒(48)的流体(43)中；
超声换能器(44)，所述超声换能器被构造用于振动；和
超声变幅杆(45)，所述超声变幅杆构造用于将振动从所述换能器传递到所述容器中的所述流体中以生成压力波动，所述压力波动在所述流体中产生声空化，从而通过空化气泡在所述表面上塌缩和因空化气泡塌缩而加速的磨料颗粒撞击所述表面的组合来从所述部件的所述表面移除材料。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述装置被构造使得在使用中所述变幅杆的输出功率密度为至少105W/m2。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的装置，还包括包括磨料颗粒(48)的流体(43)，其中所述磨料颗粒(48)具有小于100μm的平均尺寸。
14.根据权利要求11或权利要求12所述的装置，还包括包括磨料颗粒(48)的流体(43)，其中所述磨料颗粒(48)具有锋利边缘，从而在超声激发时充当空化成核位点。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的装置，还包括用于使所述容器中的所述流体(43)再循环的电路(47)以便保持所述流体(43)的均质性。
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