CN111727303B - 一体式涡轮中心框架 - Google Patents

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Abstract

提供涡轮中心框架。例如，涡轮中心框架包括环形外壳和环形毂。毂限定在外壳的径向内侧，使得外壳周向地包绕毂。涡轮中心框架还包括：环形整流器，其在外壳与毂之间延伸；系带，其从整流器延伸到外壳以将整流器连接到外壳；多个支柱，其从毂延伸到外壳；以及凸台结构，其限定在外壳的外表面上。外壳、毂、整流器、系带、多个支柱以及凸台结构一体地形成为单个整体构件。例如，涡轮中心框架增材制造为一体式结构，且还提供用于制造涡轮中心框架的方法。

Description

一体式涡轮中心框架
技术领域
本主题大体上涉及燃气涡轮发动机。更特别地，本主题涉及用于燃气涡轮发动机的涡轮中心框架。
背景技术
燃气涡轮发动机大体上包括布置成彼此流动连通的风扇和核心。另外，燃气涡轮发动机的核心大体上包括(成串流顺序)压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排出区段。在操作中，空气从风扇提供到压缩机区段的入口，在该处一个或多个轴向压缩机逐渐地压缩空气，直到它到达燃烧区段。燃料在燃烧区段内与压缩空气混合和焚烧，以提供燃烧气体。燃烧气体从燃烧区段传送到涡轮区段。通过涡轮区段的燃烧气流驱动涡轮区段，且然后传送通过排出区段，例如，至大气。
典型地，涡轮区段包括高压涡轮和低压涡轮。涡轮中心框架部分地支承高压涡轮和低压涡轮，以及机械地和在结构上联接高压涡轮和低压涡轮。通常，涡轮中心框架由数百个单独部分来形成，该单独部分必须栓接、焊接和/或以其它方式连结在一起以形成涡轮中心框架结构。结果，关于制造、组装和库存，涡轮中心框架具有相对高的成本和前置时间。此外，使用诸如栓接或焊接之类的传统制造方法来连结涡轮中心框架的构件带来重量害处(penalty)，其影响燃气涡轮发动机的总效率。而且，涡轮中心框架的若干构件需要密封件，例如，以密封可泄漏的燃烧气体路径。
因此，将期望改进的涡轮中心框架结构，诸如一体式涡轮中心框架。例如，单件涡轮中心框架将是有益的。更特别地，通过增材制造来形成的一体式涡轮中心框架将是有效的。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或可从描述中清楚，或可通过实施本发明来学习。
在本主题的一个示例性实施例中，提供一种用于燃气涡轮发动机的涡轮中心框架。涡轮中心框架包括环形外壳和环形毂。毂限定在外壳的径向内侧，使得外壳周向地包绕毂。涡轮中心框架还包括在外壳与毂之间延伸的环形整流器以及从整流器延伸到外壳以将整流器连接到外壳的系带。涡轮中心框架还包括从毂延伸到外壳的多个支柱以及限定在外壳的外表面上的凸台结构。外壳、毂、整流器、系带、多个支柱以及凸台结构一体地形成为单个整体构件。
在本主题的另一示例性实施例中，提供一种增材制造的涡轮中心框架。增材制造的涡轮中心框架包括环形外壳、环形毂，以及在外壳与毂之间延伸的环形整流器。毂限定在外壳的径向内侧，使得外壳周向地包绕毂。整流器包括内壁和外壁，且多个系带从整流器的外壁延伸到外壳以将整流器连接到外壳。增材制造的涡轮中心框架还包括从毂延伸到外壳的多个支柱以及限定在外壳的外表面上的成对凸台。
在本主题的另外的示例性实施例中，提供一种制造涡轮中心框架的方法。方法包括将增材层沉积在增材制造机器的床上，以及将能量从能源选择性地引导到增材层上以熔合增材的一部分且形成涡轮中心框架。涡轮中心框架包括环形外壳和环形毂。毂限定在外壳的径向内侧，使得外壳周向地包绕毂。涡轮中心框架还包括在外壳与毂之间延伸的环形整流器、从整流器延伸到外壳以将整流器连接到外壳的系带、从毂延伸到外壳的多个支柱，以及限定在外壳的外表面上的凸台结构。
参照以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。结合在该说明书中且构成该说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，且与描述一起用来解释本发明的原理。
附图说明
针对本领域普通技术人员的包括其最佳模式的本发明的完整且开放(enabling)的公开内容在参照附图的说明书中阐述，在附图中：
图1提供根据本主题的各实施例的包括声学衬套的示例性燃气涡轮发动机的示意性截面图。
图2提供根据本主题的示例性实施例的一体式涡轮中心框架的一部分的透视图。
图3A至图3F提供图2的一体式涡轮中心框架的一部分的透视图，示出系带结构的各示例性实施例。
图3G提供根据本主题的示例性实施例的系带的示意性截面图。
图4提供图2的一体式涡轮中心框架的部分的透视图，其中去除整流器和硬件。
图4A至图4D提供图4的一体式涡轮中心框架的截面图。
图5提供根据本主题的示例性实施例的图2的一体式涡轮中心框架的非流径表面的一部分的透视图。
图6提供根据本主题的另一示例性实施例的图2的一体式涡轮中心框架的透视图。
图7提供根据本主题的示例性实施例的用于形成一体式涡轮中心框架的方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细地参照本发明出现的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细的描述使用数字和字母标记来表示图中的特征。图和描述中相似或类似的标记用来表示本发明的相似或类似的部分。如本文中使用的，用语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以将一个构件与另一个区分开，且不意在表示各个构件的位置或重要性。用语“前”和“后”表示发动机内的相对位置，其中前表示更接近于环境空气入口的位置，且后表示更接近于发动机的排出喷嘴的位置。用语“上游”和“下游”表示关于流体通路中的流体流的相对方向。例如，“上游”表示流体流自的方向，且“下游”表示流体流向的方向。此外，如本文中使用的，近似的用语(诸如，“大约”、“大致”或“约”)表示在百分之十的误差裕度内。
本主题大体上涉及一种涡轮中心框架和一种用于增材制造涡轮中心框架的方法。本文中描述的涡轮中心框架为一体式结构，其包括环形外壳和限定在外壳的径向内侧的环形毂，使得外壳周向地包绕毂。环形整流器在外壳与毂之间延伸，且系带从整流器延伸到外壳以将整流器连接到外壳。优选地，系带为柔顺性(compliant)或柔性部件，使得整流器与外壳之间的连接为柔性的。一体式涡轮中心框架还包括从毂延伸到外壳的多个支柱以及限定在外壳的外表面上的凸台结构。通过将涡轮中心框架的各部分集成到单件结构中，涡轮中心框架可由单种材料(诸如镍钴合金或任何其它合适的材料)形成。此外，一体式涡轮中心框架包括比典型的涡轮中心框架更少的部分，其可降低其中使用涡轮中心框架的燃气涡轮发动机的重量，以及减小制造和库存成本。而且，本文中描述的增材制造方法允许优化一体式涡轮中心框架的各部分，使得可消除材料，由此减小其中安装涡轮中心框架的涡轮发动机的重量，其可提高发动机的性能。此外，集成涡轮中心框架的各构件有助于减小来自涡轮中心框架的泄漏。降低的发动机重量和减小的泄漏可有助于改进发动机的比燃料。
现在参照图(其中相同数字指示在图各处的相同元件)，图1为根据本公开内容的示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意性截面图。更特别地，对于图1的实施例，燃气涡轮发动机为高旁通涡轮风扇喷气发动机10，本文中称为“涡轮风扇发动机10”。如图1中示出的，涡轮风扇发动机10限定轴向方向A(平行于提供用于参照的纵向中心线12延伸)和径向方向R。大体上，涡轮风扇10包括风扇区段14和设置于风扇区段14下游的核心涡轮发动机16。
所描绘的示例性核心涡轮发动机16大体上包括大致管状的外壳18，外壳18限定环形入口20。外壳18包围(成串流关系)：压缩机区段，该压缩机区段包括增压器或低压(LP)压缩机22和高压(HP)压缩机24；燃烧区段26；涡轮区段，该涡轮区段包括高压(HP)涡轮28和低压(LP)涡轮30；以及喷气排出喷嘴区段32。高压(HP)轴或转轴34将HP涡轮28传动地连接到HP压缩机24。低压(LP)轴或转轴36将LP涡轮30传动地连接到LP压缩机22。在涡轮风扇发动机10的其它实施例中，可提供额外的转轴，使得发动机10可描述为多转轴发动机。
对于所描绘的实施例，风扇区段14包括风扇38，风扇38具有以间隔开的方式联接到盘42的多个风扇叶片40。如描绘的，风扇叶片40从盘42大体上沿着径向方向R向外延伸。风扇叶片40和盘42可由LP轴36围绕纵向轴线12一起旋转。在一些实施例中，可包括具有多个齿轮的功率齿轮箱，以用于将LP轴36的旋转速度逐步降低到更有效的旋转风扇速度。
仍参照图1的示例性实施例，盘42由可旋转的前机舱48覆盖，前机舱48空气动力学轮廓设置成促进通过多个风扇叶片40的气流。另外，示例性风扇区段14包括环形风扇壳或外机舱50，其周向地包绕风扇38和/或核心涡轮发动机16的至少一部分。应了解的是，机舱50可构造成由多个周向间隔的出口引导静叶52相对于核心涡轮发动机16支承。而且，机舱50的下游区段54可在核心涡轮发动机16的外部上延伸，以便限定它们之间的旁通气流通路56。
在涡轮风扇发动机10的操作期间，一定体积的空气58通过机舱50和/或风扇区段14的相关联入口60进入涡轮风扇10。当该体积的空气58横穿风扇叶片40时，如由箭头62指示的空气58的第一部分被引导或传送到旁通气流通路56中，且如由箭头64指示的空气58的第二部分被引导或传送到LP压缩机22中。空气的第一部分62与空气的第二部分64之间的比通常称为旁通比。然后在空气的第二部分64传送通过高压(HP)压缩机24且传送到燃烧区段26中时，空气的第二部分64的压力增加，在燃烧区段26中空气的第二部分64与燃料混合和焚烧以提供燃烧气体66。
燃烧气体66传送通过HP涡轮28，在该处来自燃烧气体66的热能和/或动能的一部分经由联接到外壳18的HP涡轮定子静叶68和联接到HP轴或转轴34的HP涡轮转子叶片70的连续级获取，从而使HP轴或转轴34旋转，由此支持HP压缩机24的操作。燃烧气体66然后传送通过LP涡轮30，在该处热能和动能的第二部分从燃烧气体66经由联接到外壳18的LP涡轮定子静叶72和联接到LP轴或转轴36的LP涡轮转子叶片74的连续级获取，从而使LP轴或转轴36旋转，由此支持LP压缩机22的操作和/或风扇38的旋转。
燃烧气体66随后传送通过核心涡轮发动机16的喷气排出喷嘴区段32以提供推进推力。同时，当空气的第一部分62在它从涡轮风扇10的风扇喷嘴排出区段76排出之前传送通过旁通气流通路56时，空气的第一部分62的压力大致增加，还提供推进推力。HP涡轮28、LP涡轮30和喷气排出喷嘴区段32至少部分地限定热气体路径78，热气体路径78用于将燃烧气体66传送通过核心涡轮发动机16。
将了解的是，虽然关于具有核心涡轮发动机16的涡轮风扇10来描述，本主题可适用于其它类型的涡轮机。例如，本主题可适于供涡轮螺旋桨、涡轮轴、涡轮喷气、工业和船舶燃气涡轮发动机和/或辅助功率单元使用或在它们中使用。
现在参照图2，根据本主题的示例性实施例，示出一体式涡轮中心框架100(“一体式TCF 100”)。一体式TCF 100部分地支承HP涡轮28和LP涡轮30，以及将HP涡轮28机械地和在结构上联接到LP涡轮30。一体式TCF 100包括环形外壳102和限定在外壳102的径向内侧的环形内毂104，使得外壳周向地包绕毂104。多个支柱106从毂104径向地延伸到外壳102，由此将毂104和壳102联接在一起。整流器108径向地设置在外壳102与毂104之间；整流器108大体上围绕毂104环形地延伸，且保护一体式TCF 100免受热气体路径环境。即，在整流器108内，热的燃烧气体66从HP涡轮28传到LP涡轮30，使得外壳102、毂104和一体式TCF 100的其它构件由整流器108与热气体66屏蔽。如下文更详细描述的，支柱106中的每个径向地通过整流器108的中空整流器翼型件110且由其保护，且整流器108包括多个整流器翼型件110。每个整流器翼型件110包括前缘112和后缘114，且在整流器108的内壁116与外壁118之间径向地延伸。
大体上，本文中描述的一体式TCF 100的示例性实施例可使用任何合适的工艺来制造或形成。然而，根据本主题的若干方面，一体式TCF 100可使用增材制造工艺(诸如3D打印工艺)来形成。使用此类工艺可允许一体式TCF 100一体地形成为单个整体构件或形成为任何合适数量的子构件。特别地，制造工艺可允许涡轮中心框架100一体地形成且包括在使用先前制造方法时不可能的多种特征。例如，本文中描述的增材制造方法允许制造具有任何合适尺寸和形状的涡轮中心框架，其带有中空桁架状支柱、将整流器108连结到外壳102的柔顺性系带，以及使用先前制造方法不可能的其它特征。本文中描述这些新颖特征中的一些。
如本文中使用的，用语“增材制造”或“增材制造技术或工艺”大体上表示其中连续材料层设在彼此上以逐层地“累积”三维构件的制造工艺。连续层大体上熔合在一起，以形成可具有多种一体式子构件的整体构件。虽然增材制造工艺在本文中描述为允许通过逐点地、逐层地(典型地沿竖直方向)构建物体来制造复杂的物体，其它制造方法是可能的且在本主题的范围内。例如，虽然本文中的论述涉及添加材料来形成连续层，本领域技术人员将了解，本文中公开的方法和结构可用任何增材制造技术或制造工艺来实施。例如，本发明的实施例可使用层增工艺、层减工艺或混合工艺。
根据本公开内容的合适的增材制造技术包括例如熔合沉积成型(FDM)、选择性激光烧结(SLS)、3D打印(诸如通过喷墨打印和激光打印)、立体光刻(SLA)、直接选择性激光烧结(DSLS)、电子束烧结(EBS)、电子束熔融(EBM)、激光工程化净成形(LENS)、激光净成形制造(LNSM)、直接金属沉积(DMD)、数字光处理(DLP)、直接选择性激光熔融(DSLM)、选择性激光熔融(SLM)、直接金属激光熔融(DMLM)，以及其它已知工艺。
除了使用直接金属激光烧结(DMLS)或直接金属激光熔融(DMLM)工艺(其中使用能源来选择性地烧结或熔融粉末层的部分)之外，应了解的是，根据备选实施例，增材制造工艺可为“粘合物喷射”工艺。在该方面，粘合物喷射涉及以与上文描述的类似方式连续地沉积添加粉末层。然而，粘合物喷射涉及将液体粘合剂选择性地沉积到每个粉末层上，而非使用能源生成能量束来选择性地熔融或熔合添加粉末。液体粘合剂可为例如光固化聚合物或另一液体结合剂。其它合适的增材制造方法和变型意在处于本主题的范围内。
本文中描述的增材制造工艺可用于使用任何合适的材料来形成构件。例如，材料可为塑料、金属、混凝土、陶瓷、聚合物、环氧树脂、光致聚合物树脂，或可呈固体、液体、粉末、板材、线或任何其它合适形式的任何其它合适材料。更特别地，根据本主题的示例性实施例，本文中描述的增材制造的构件可部分地、完全或以某种组合由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、铁、铁合金、不锈钢以及镍或钴基超级合金(例如，可从Special Metals Corporation得到的以Inconel®的名义可得到的那些)的材料形成。这些材料为适于在本文中描述的增材制造工艺中使用的材料的示例，且大体上可称为“增材”。
另外，本领域技术人员将了解，用于结合那些材料的多种材料和方法可使用且设想为在本公开内容的范围内。如本文中使用的，提及“熔合”可表示用于产生上文材料中任一种的结合层的任何合适工艺。例如，如果物体由聚合物制成，熔合可表示在聚合物材料之间产生热固性结合。如果物体为环氧树脂，结合可通过交联工艺来形成。如果材料为陶瓷，结合可通过烧结工艺来形成。如果材料为粉末金属，结合可通过熔融或烧结工艺来形成。本领域技术人员将了解，熔合材料以通过增材制造来制作构件的其它方法是可能的，且目前公开的主题可用那些方法来实施。
而且，本文中公开的增材制造工艺允许单个构件由多种材料形成。因此，本文中描述的构件可由上文材料的任何合适混合物形成。例如，构件可包括使用不同材料、工艺和/或在不同的增材制造机器上形成的多个层、段或部分。以该方式，可构成具有用于满足任何特定应用的需求的不同材料和材料特性的构件。此外，虽然本文中描述的构件完全通过增材制造工艺来构成，应了解的是，在备选实施例中，这些构件的全部或一部分可经由铸造、机加工和/或任何其它合适的制造工艺来形成。实际上，材料和制造方法的任何合适组合可用来形成这些构件。
现在将描述示例性增材制造工艺。增材制造工艺使用构件的三维(3D)信息(例如，三维计算机模型)来制造构件。因此，可在制造之前限定构件的三维设计模型。在该方面，可扫描构件的模型或原型，以确定构件的三维信息。作为另一示例，构件的模型可使用合适的计算机辅助设计(CAD)程序来构成，以限定构件的三维设计模型。
设计模型可包括构件(其包括构件的外部表面和内部表面两者)的整个构造的3D数字坐标。例如，设计模型可限定本体、表面和/或内部通路，诸如开口、支承结构等。在一个示例性实施例中，三维设计模型转换为多个切片或段，例如，沿着构件的中心(例如，竖直)轴线或任何其它合适的轴线。每个切片可按预定的切片高度限定构件的薄截面。多个连续截面切片一起形成3D构件。构件然后逐切片地或逐层地“累积”，直到完成。
以该方式，本文中描述的构件可使用增材工艺来制造，或更特别地，连续地形成每个层，例如，通过使用激光能量或热量使塑料熔合或聚合，或通过烧结或熔融金属粉末。例如，特定类型的增材制造工艺可使用能量束(例如，电子束)或电磁辐射(诸如激光束)来烧结或熔融粉末材料。可使用任何合适的激光和激光参数，包括关于功率、激光束斑尺寸和扫描速度的考虑。构建材料可由选择成用于增进强度、耐久性和有效寿命(特别是在高温下)的任何合适的粉末或材料形成。
每个连续层可例如在约10μm与200μm之间，但厚度可基于任何数量的参数来选择且根据备选实施例可为任何合适的尺寸。因此，使用上文描述的增材形成方法，本文中描述的构件可具有与在增材形成工艺期间使用的相关联粉末层的一个厚度(例如，10μm)一样薄的截面。
另外，使用增材工艺，构件的表面光洁度和特征可取决于应用按需要变化。例如，表面光洁度可通过在增材工艺期间选择适当的激光扫描参数(例如，激光功率、扫描速度、激光焦斑尺寸等)来调整(例如，制作得较光滑或较粗糙)，尤其是在对应于部分表面的截面层的周边中。例如，较粗糙的光洁度可通过增加激光扫描速度或减小所形成的熔池的尺寸来实现，且较光滑的光洁度可通过减小激光扫描速度或增加所形成的熔池的尺寸来实现。也可改变扫描图案和/或激光功率来改变所选择区域中的表面光洁度。
值得注意的是，在示例性实施例中，本文中描述的构件的若干特征由于制造约束在先前是不可能的。然而，本发明人有利地使用了增材制造技术中的当前进步来产生大体上根据本公开内容的此类构件的示例性实施例。虽然本公开内容不限于使用增材制造来大体上形成这些构件，增材制造提供多种制造优点，包括制造的简易性、降低的成本、更高的精度等。
在该方面，使用增材制造方法，甚至多部分构件可形成为单件连续金属，且因此可包括与先前设计相比更少的子构件和/或接头。这些多部分构件通过增材制造来一体形成可有利地改进总组装过程。例如，一体形成减小必须组装的单独部分的数量，从而减小相关联的时间和总组装成本。另外，可有利地减小关于例如泄漏、单独部分之间的接头质量以及总性能的现有问题。
而且，上文描述的增材制造方法允许本文中描述的构件的更加复杂和错综的形状和轮廓。例如，此类构件可包括薄的增材制造层以及单独(unique)的流体通路，其带有一体式入口和出口歧管。另外，增材制造工艺允许制造具有不同材料的单个构件，使得构件的不同部分可呈现不同的性能特性。制造工艺的连续增材性质允许构成这些新颖特征。结果，本文中描述的构件可呈现改进的性能和可靠性。
如上文参照图2描述的，涡轮风扇发动机10包括用于支承和联接HP涡轮28和LP涡轮30的一体式TCF 100。一体式TCF 100包括外壳102、毂104、整流器108、至少一个系带120、多个支柱106以及凸台结构122，其一体地形成为单个整体构件，例如通过如先前描述的增材制造。应理解的是，图2仅示出一体式TCF 100的一部分；一体式TCF 100在形状上大体上是环形的，围绕轴向中心线12周向延伸完整的360°。一体式TCF 100的环形外壳102周向地包绕环形毂104，环形毂104限定在外壳102的径向内侧。环形整流器108在外壳102与毂104之间延伸。整流器108包括径向内壁116和径向外壁118。虽然图2中仅描绘一个整流器翼型件110，将了解的是，多个整流器翼型件110从内壁116径向地延伸到外壁118，且多个整流器翼型件110彼此周向间隔开。
参照图2和图3A-3F，至少一个系带120从整流器108延伸到外壳102以将整流器连接到外壳。在图2的示例性实施例中，多个系带120从整流器外壁118的后端124延伸到外壳102的后端126。然而，例如，如图3A-3F中示出的，至少一个系带120可具有若干不同构造中的一种，且可在与图2中示出的位置相同或不同的位置处连接到一体式TCF 100的另一部分。例如，系带120可从整流器108的前端130延伸到外壳102的前端132，或系带120可在前端130、132或后端124、126处附接到外壳102的外表面136而不是内表面134。
而且，每个示出的系带120具有大体上S形的截面。在图3A、图3B、图3C、图3D和图3F中描绘的实施例中，每个S形系带120的前第一臂120a从整流器108延伸，更特别地从整流器外壁118延伸，且后第二臂120b从外壳102延伸。在图3E的示例中，前第一臂120a从外壳102延伸，且后第二臂120b从整流器外壁118延伸。关于第一臂120a和第二臂120b的标记“前”和“后”分别用来描述每个臂关于另一个的轴向位置，即，第一臂120a在第二臂120b的轴向前部，使得将第一臂120a指定为前臂且将第二臂120b指定为后臂。然而，在其它实施例中，系带120可具有其它合适的截面，以用于形成整流器108与外壳102之间的柔性连接，以及一体式TCF结构内的任何合适定向。
此外，可在整流器108与外壳102之间提供一个或多个系带120。例如，如图3A中示出的，布置成两排128系带120的多个系带120可将整流器108的外壁118连接到外壳102。在第一排128a和第二排128b中的每个中的多个系带120彼此周向间隔开，且第一排128a与第二排128b轴向间隔开。转到图3B，在另一实施例中，多个系带120布置成单个周向排，且每个系带120定位成接近于每个周向邻近的系带120或与其接触。即，很少或没有空间可限定在邻近的系带120之间。在图3C的实施例中，提供单个系带120(而不是多个系带120)。单件环形系带120在整流器108与外壳102之间围绕一体式TCF 100周向地延伸，即，系带120在整流器108和外壳102的整个360°上是连续的。
如图3D中示出的，在其它实施例中，单件系带120的一部分可分段，即，系带120的一部分大体上可为实心或连续的，而一个或多个空隙或空间限定在系带120的另一部分中。在图3D中示出的实施例中，大体上S形系带120的第二臂120b作为系带的不间断或连续的段周向地延伸，但第一臂120a分段为多个第一臂120a。在其它实施例中，第二臂120b可分段，而第一臂120a不间断地延伸。在还其它的实施例中，第一臂120a和第二臂120b两者可分段，但第一臂120a或第二臂120b可限定比另一臂更多的段。即，与另一臂相比，第一臂120a或第二臂120b的一部分在周向长度上可为不间断的，但在系带120的整个周向长度上并非不间断的。
参照图3E和图3F，在其它实施例中，可提供多个单独系带120。多个系带120中的每个系带120与邻近的系带120周向间隔开，使得多个系带120围绕轴向中心线12周向地设置。如上文描述的，在图3E的实施例中，每个大体上S形系带120的前第一臂120a从外壳102延伸，且每个大体上S形系带120的后第二臂120b从整流器108延伸。在图3F的实施例中使用相反的构造，即，每个大体上S形系带120的前第一臂120a从整流器108延伸，且每个大体上S形系带120的后第二臂120b从外壳102延伸。
在示例性实施例中示出的每个系带120为柔顺性的柔性部件，使得在整流器108与外壳102之间提供柔性连接。每个系带120的形状和柔性允许例如一体式TCF 100的热负载部分(即，整流器108)扩大和缩小，而不在一体式TCF 100内产生高应力。柔顺性或柔性系带120可以以若干方式形成。例如，示例性系带120的大体上S形的截面有助于在整流器108与外壳102之间形成柔性连接。此外，参照图3G，每个系带120可具有厚度tlig和长度llig；长度llig是从系带120连接到整流器108的位置至系带120连接到外壳102的位置所测量的。厚度tlig可沿着系带120的长度llig变化，以便实现系带120的期望柔性。例如，第一臂120a和第二臂120b中的每个的厚度tlig可在约40密耳至约70密耳的范围内，且连接第一臂120a和第二臂120b的中间部分120c的厚度tlig可在约20密耳至约40密耳的范围内。更特别地，第一臂120a和第二臂120b中的每个的厚度tlig可在约50密耳至约60密耳的范围内，且中间部分120c的厚度tlig可在约25密耳至约35密耳的范围内。而且，每个大体上S形系带120的每个臂120a、120b的曲率半径r可变化以使系带120的柔性变化。类似地，每个系带120与整流器108之间的圆角半径rfil以及每个系带120与外壳102之间的圆角半径rfil可变化以使系带120的柔性变化。同样，每个臂120a、120b与整流器108或外壳102(无论哪个为邻近的TCF部分)之间的分离长度lsep可变化以使系带120的柔性变化。在所描绘的实施例中，分离长度lsep是大体上从过渡区121(其中相应的第一臂120a或第二臂120b过渡至或过渡自中间部分120c)至外壳102或整流器108(无论哪个最紧密地邻近于相应的过渡区121)所测量的。当然，可使用不同形状的系带120(例如，具有不同截面形状的一个或多个系带120)来在整流器108与外壳102之间的连接中实现期望的柔性。
如将从上述内容所理解的，从整流器108延伸到外壳102的一个或多个系带120可具有多种构造，以及关于整流器108和外壳102的若干位置。将整流器108与外壳102连接的一个或多个系带120的构造可基于例如其中使用一体式TCF 100的特定燃气涡轮发动机的负载条件来选择。例如，基于发动机的负载条件，用于特定发动机的系带120可具有最佳的形状、厚度、柔性、位置等。
现在参照图4、图4A、图4B、图4C和图4D，将更详细地描述一体式TCF 100的多个支柱106的示例性实施例。如图2和图4中示出的，多个支柱106中的每个支柱106从毂104延伸到外壳102，由此为一体式TCF 100提供刚度和结构完整性。此外，如图2中指示的，多个支柱106的至少一部分为中空的，其允许硬件(诸如示出的硬件142)、气流等通过支柱106。更特别地，如图4A-4D中示出的，多个支柱106中的每个由支柱壁138限定。支柱106的至少一部分的支柱壁138限定体积V使得支柱106的此类部分中的每个支柱106为内部中空的。此外，如图4A-4D中示出的，支柱壁138具有厚度tstrut，且支柱106的至少一部分的支柱壁138的厚度tstrut径向地变化，使得支柱壁厚度tstrut沿着径向方向R是不一致的。例如，描绘一体式TCF100内的第一径向位置处的支柱壁138的截面的图4A中的支柱壁厚度tstrut大于描绘一体式TCF 100内的第二径向位置处的支柱壁138的截面的图4B中的支柱壁厚度tstrut。
而且，如图2中示出的，内部中空支柱106的部分的至少一个支柱106在多个整流器翼型件110中的一个内延伸，使得至少一个中空支柱106从毂104通过整流器翼型件110延伸到外壳102。因此，硬件、气流等可通过中空支柱106内的整流器翼型件110的内部。另外，支柱106大体上为桁架状，形成框架，该框架为一体式TCF 100提供刚度，例如以满足涡轮中心框架的刚度要求。例如，每个支柱106可包括多个分支，诸如图4中示出的分支106a、106b、106c、106d、106e、106f和106g，其形成从毂104到外壳102的框架。支柱106的此类桁架状构造可为一体式TCF 100提供足够的支承和刚度，同时相对于其它设计(诸如使用箱状支柱的已知设计)降低TCF的重量，例如，通过消除每个支柱106的分支之间的材料。此外，如图5中示出的，可在一体式TCF 100的任何非流径表面上提供材料的增强设计或图案140，以增加涡轮中心框架的刚度。例如，可在外壳102的外表面136上提供材料的增强图案140，以有助于增加一体式TCF 100的刚度。
现在参照图2和图6，凸台结构122限定在外壳102的外表面136上。在所描绘的实施例中，凸台结构122包括成对凸台，第一凸台122a和第二凸台122b。凸台122a、122b彼此轴向间隔开，使得一个凸台(例如，第一凸台122a)限定成更接近于外壳102的前端132，且另一凸台(例如，第二凸台122b)限定成更接近于外壳102的后端126。如图2中示出的，在一些实施例中，前凸台(在所描绘的实施例中的第一凸台122a)由第一连接部件146a连接到外壳102的前凸缘144，第一连接部件146a从前凸缘144轴向延伸到第一凸台122a。在其它实施例中，如图6中示出的，凸台结构122的凸台122a、122b由第二连接部件146b连接到彼此，第二连接部件146b从第一凸台122a轴向延伸到第二凸台122b。将了解的是，凸台结构122可在外壳102上具有任何合适的构造和位置，以有助于一体式TCF 100满足屈曲和刚度要求，同时最大限度地减小一体式TCF 100的重量。此外，可在外壳102上从每个支柱106径向向外地限定凸台结构122，例如，为其中支柱106附接到外壳102的区域提供稳定性。
应了解的是，本文中仅出于解释本主题的方面的目的来描述一体式TCF 100。例如，本文中将使用一体式TCF 100来描述制造一体式TCF 100的示例性构造、构成和方法。应了解的是，本文中论述的增材制造技术可用来制造用于任何合适装置中、出于任何合适目的和用于任何合适工业中的其它中心框架或类似构件。因此，本文中描述的示例性构件和方法仅用来示出本主题的示例性方面，且不意在以任何方式限制本公开内容的范围。
现在已提出根据本主题的示例性实施例的一体式TCF 100的构成和构造，提供用于形成根据本主题的示例性实施例的一体式涡轮中心框架的示例性方法700。方法700可由制造商用来形成一体式TCF 100或任何其它合适的涡轮中心框架。应了解的是，本文中仅论述示例性方法700来描述本主题的示例性方面，且不意在限制。
现在参照图7，方法700包括在步骤710处将增材层沉积在增材制造机器的床上。方法700还包括在步骤720处将能量从能源选择性地引导到增材层上以熔合增材的一部分且形成涡轮中心框架。例如，使用自上文的示例，可形成一体式TCF 100以用于支承和联接HP涡轮28和LP涡轮30。
增材制造的涡轮中心框架可包括：环形外壳102；环形毂104，其限定在外壳102的径向内侧，使得外壳102周向地包绕毂104；环形整流器108，其在外壳102与毂104之间延伸；至少一个系带120，其从整流器108延伸到外壳102以将整流器108连接到外壳102；多个支柱106，其从毂104延伸到外壳102；以及凸台结构122，其限定在外壳102的外表面136上。在增材制造的涡轮中心框架的示例性实施例中，多个支柱106的至少一部分为中空的，且至少一个系带120为柔性部件，使得在整流器108与外壳102之间提供柔性连接。值得注意的是，根据示例性实施例，外壳102、毂104、整流器108、系带120、多个支柱106以及凸台结构122一体地形成为单个整体构件。
图7描绘出于说明和论述的目的以特定顺序执行的步骤。使用本文中提供的公开内容，本领域普通技术人员将理解，本文中论述的方法中任一种的步骤可在不脱离本公开内容的范围的情况下以各方式调节、重新布置、扩大、省略或修改。而且，虽然使用一体式TCF 100作为示例来解释方法700的方面，应了解的是，这些方法可应用于制造任何合适的涡轮中心框架或类似构件。
上文描述一体式涡轮中心框架和用于制造一体式涡轮中心框架的方法。值得注意的是，如本文中描述的，一体式TCF 100大体上可包括其实际实施方式通过增材制造工艺来促进的几何形状和构造。例如，使用本文中描述的增材制造方法，一体式涡轮中心框架可包括从整流器延伸到一体式TCF 100的外壳以在整流器与外壳之间提供柔性连接的多个系带。作为另一示例，多个支柱可围绕一体式TCF 100设置，以支承结构且为其提供刚度，且支柱的至少一部分可为中空的，以允许燃气涡轮发动机的其它构件和/或流体流通过涡轮中心框架。另外，本文中描述的增材制造技术允许中空支柱与整流器集成，使得中空支柱通过整流器翼型件，为一体式TCF 100提供桁架状支承。本文中描述的增材制造方法还可有助于促进可变的系带厚度tlig和支柱壁厚度tstrut。上述特征以及本文中描述的其它特征可在涡轮中心框架的设计期间引入，使得它们可容易在构建过程期间以很少的额外成本或没有额外成本地集成到涡轮中心框架中。而且，整个涡轮中心框架(包括外壳、毂、整流器、系带、多个支柱、凸台结构以及所有其它特征)可一体地形成为单个整体构件。
该书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包括带有与权利要求书的字面语言非实质差异的等同结构元件，此类其它示例意在处于权利要求书的范围内。

Claims (19)

1.一种用于燃气涡轮发动机的涡轮中心框架，包括：
环形外壳；
环形毂，所述毂限定在所述外壳的径向内侧，使得所述外壳周向地包绕所述毂；
环形整流器，所述环形整流器在所述外壳与所述毂之间延伸；
系带，所述系带从所述整流器延伸到所述外壳以将所述整流器连接到所述外壳；
多个支柱，所述多个支柱从所述毂延伸到所述外壳，每个支柱延伸通过所述整流器，每个支柱包括多个分支，所述分支从所述毂沿径向方向延伸；以及
凸台结构，所述凸台结构限定在所述外壳的外表面上，
其中所述外壳、所述毂、所述整流器、所述系带、所述多个支柱以及所述凸台结构一体地形成为单个整体构件。
2.根据权利要求1所述的涡轮中心框架，其特征在于，所述多个支柱的至少一部分为中空的。
3.根据权利要求2所述的涡轮中心框架，其特征在于，所述多个支柱中的每个由具有一定厚度的支柱壁限定，所述支柱的至少一部分的支柱壁的厚度径向地变化，使得支柱壁厚度沿着径向方向是不一致的。
4.根据权利要求1所述的涡轮中心框架，其特征在于，所述涡轮中心框架包括从所述整流器延伸到所述外壳的多个系带，且其中每个系带为柔性部件，使得在所述整流器与所述外壳之间提供柔性连接。
5.根据权利要求1所述的涡轮中心框架，其特征在于，所述外壳包括前凸缘，且其中所述凸台结构连接到所述前凸缘。
6.根据权利要求1所述的涡轮中心框架，其特征在于，所述凸台结构包括成对凸台，且其中所述成对凸台连接到彼此。
7.根据权利要求1所述的涡轮中心框架，其特征在于，多个整流器翼型件从所述整流器的内壁延伸到外壁，所述多个整流器翼型件彼此周向间隔开，所述多个整流器翼型件将所述内壁连接到所述外壁。
8.根据权利要求1所述的涡轮中心框架，其特征在于，所述多个分支中的至少一个分支为中空的。
9.根据权利要求1所述的涡轮中心框架，其特征在于，所述系带为围绕所述涡轮中心框架周向地延伸的单件环形结构。
10.一种增材制造的涡轮中心框架，包括：
环形外壳；
环形毂，所述毂限定在所述外壳的径向内侧，使得所述外壳周向地包绕所述毂；
环形整流器，所述环形整流器在所述外壳与所述毂之间延伸，所述整流器包括内壁和外壁；
多个系带，所述多个系带从所述整流器的外壁的后端延伸到所述外壳的后端以将所述整流器连接到所述外壳；
多个支柱，所述多个支柱从所述毂延伸到所述外壳，每个支柱延伸通过所述整流器；以及
成对凸台，所述成对凸台限定在所述外壳的外表面上，
其中所述外壳、所述毂、所述整流器、所述多个系带、所述多个支柱以及所述成对凸台一体地形成为单个整体构件。
11.根据权利要求10所述的增材制造的涡轮中心框架，其特征在于，所述凸台彼此轴向间隔开，使得所述成对凸台中的一个凸台限定成更接近于所述外壳的前端，且所述成对凸台中的另一凸台限定成更接近于所述外壳的后端。
12.根据权利要求10所述的增材制造的涡轮中心框架，其特征在于，每个系带具有大体上S形的截面且为柔性部件，使得在所述整流器与所述外壳之间提供柔性连接。
13.根据权利要求10所述的增材制造的涡轮中心框架，其特征在于，所述多个支柱中的每个由支柱壁限定，且其中所述支柱的一部分的支柱壁限定体积使得所述支柱的部分为内部中空的。
14.根据权利要求13所述的增材制造的涡轮中心框架，其特征在于，多个整流器翼型件从所述整流器的内壁延伸到所述外壁，所述多个整流器翼型件彼此周向间隔开，且其中内部中空的所述支柱的部分的至少一个支柱在所述多个整流器翼型件中的一个内延伸，使得所述至少一个支柱从所述毂通过所述多个整流器翼型件中的一个延伸到所述外壳。
15.根据权利要求10所述的增材制造的涡轮中心框架，其特征在于，所述多个支柱中的每个由具有一定厚度的支柱壁限定，所述支柱的至少一部分的支柱壁的厚度径向地变化，使得支柱壁厚度沿着径向方向是不一致的，且其中所述支柱壁厚度在第一位置处比在第二位置处大，所述第一位置比所述第二位置在径向上更接近于所述外壳。
16.根据权利要求10所述的增材制造的涡轮中心框架，其特征在于，所述多个系带布置成第一周向排和第二周向排，所述第一周向排中的系带周向地并排定位，使得所述第一周向排中的每个系带与相应的邻近系带周向间隔开，且所述第二周向排中的系带周向地并排定位，使得所述第二周向排中的每个系带与相应的邻近系带周向间隔开，且其中所述第二周向排定位在所述第一周向排的后面。
17.一种制造涡轮中心框架的方法，所述方法包括：
将增材层沉积在增材制造机器的床上；以及
将能量从能源选择性地引导到所述增材层上以熔合所述增材的一部分且形成所述涡轮中心框架，所述涡轮中心框架包括：
环形外壳；
环形毂，所述毂限定在所述外壳的径向内侧，使得所述外壳周向地包绕所述毂；
环形整流器，所述环形整流器在所述外壳与所述毂之间延伸；
系带，所述系带从所述整流器的后端延伸到所述外壳的后端以将所述整流器连接到所述外壳；
多个支柱，所述多个支柱从所述毂延伸到所述外壳，每个支柱延伸通过所述整流器；以及
凸台结构，所述凸台结构限定在所述外壳的外表面上，
其中所述外壳、所述毂、所述整流器、所述系带、所述多个支柱以及所述凸台结构一体地形成为单个整体构件。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述多个支柱的至少一部分为中空的。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述系带为柔性部件，使得在所述整流器与所述外壳之间提供柔性连接，其中所述系带具有大体上S形的截面，其包括第一臂和第二臂，其中所述第一臂在所述第二臂的轴向前部并从所述外壳的后端延伸且所述第二臂从所述整流器的后端延伸。
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