CN111794806B - 航空发动机、静子导流组件及其设计方法 - Google Patents

Abstract

提供航空发动机、静子导流组件及其设计方法，其中静子导流组件，包括外环件、内环件、蜂窝件以及设置在外环件和内环件的多个导流叶片，其特征在于，所述内环件、蜂窝件与所述多个导流叶片以增材制造工艺构造成一体，且叶片流道线以下从内环件外表面到蜂窝件之间的部分为内环空心结构，并填充内环支撑结构。内环结构优化和叶片‑蜂窝一体化设计，减少内环件的安装，采用增材制造加工工艺，降低制造成本、周期，提高可靠性。

Description

航空发动机、静子导流组件及其设计方法

技术领域

本发明涉及航空发动机及其静子导流组件。

背景技术

已有的航空发动机的静子导流组件包括外环件、内环件、叶身以及蜂窝件。其成型的一种方式是叶身通过钎焊至内外环件。外环件刚度受传统加工工艺的限制，难以实现等强度设计，如果减小厚度，将导致扇形段刚度小，易变形，给装配带来困难。另外，受到导向叶片加工工艺的限制，钎焊工艺可靠性低，整环加工工艺材料利用率低，蜂窝件与导向叶片焊接，存在可靠性低且结构复杂的问题。

早有专利提出了和航空发动机相关的3D打印技术，包含实心叶片和实心整体叶盘的加工。据公开的专利检索发现，3D打印技术已经非常广泛的应用在发动机的诸多部件上，包括叶片、叶片包边、叶盘、燃烧室壁、喷嘴等等，甚至已经扩展到其它更加广泛的结构方面。美国3D打印全都集中在小体积高价值的零件，还包括表面修复，表面涂层等领域。普惠将使用 3D打印技术和宇航级金属来制造包括支架、油喷嘴、燃料旁路歧管、底座、连接件和翼型件等零件，并且该公司有史以来第一次使用3D打印技术直接制造发动机上使用的压缩机定子和同步环支架。GE是发动机领域较早开始 3D打印工艺在航空航天领域应用的公司之一，其全球研发中心对此的研究也已经开展了十几年之久，但直到2011年GE的航空航天部门才准备使用 3D打印工艺生产LEAP喷气发动机的燃料喷嘴，GE在3D打印领域的努力始广为人知。GE还决定将3D打印技术投入到GE9X发动机的低压涡轮叶片，该发动机目前将被运用于波音777系的后续机型。RR使用3D打印工艺生产出了一件直径1.5米、厚0.5米的镍金属轴承座，RR表示将3D打印的技术已经应用在于XWB-97型发动机，并且已经完成了第一次飞行试验，该型号的发动机将配备在空客A350-1000的机型上。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种静子导流组件，以替代目前已有的静子导流组件。

本发明的另一个目的是一种静子导流组件的设计方法，其提供适合于3D 成型的构型。

本发明的再一个目的是提供一种航空发动机，其包括前述静子导流组件。

第一技术方案是提供静子导流组件，包括外环件、内环件、蜂窝件以及设置在外环件和内环件的多个导流叶片，其中，所述内环件、蜂窝件与所述多个导流叶片以增材制造工艺构造成一体，且叶片流道线以下从内环件外表面到蜂窝件之间的部分为内环空心结构，并填充内环支撑结构。

在所述的静子导流组件的一个或多个实施方式中，所述内环支撑结构包括沿周向离散分布的多个结构单元，各结构单元包括横向骨架以及在横向骨架的两侧径向延伸的支柱，所述支柱自所述横向骨架逐渐变粗。

在所述的静子导流组件的一个或多个实施方式中，所述外环件为内部空心结构，且内部填充有外环支撑结构。

在所述的静子导流组件的一个或多个实施方式中，所述外环支撑结构包括沿周向分布的多个柱状结构，以及在该多个柱状结构之间连续起伏的山丘状结构。

在所述的静子导流组件的一个或多个实施方式中，所述内环空心结构是以从内环外表面到蜂窝件之间部分为优化区间、以工作载荷为负载、以质量最小为性能指标做基频最大化拓扑优化的等强度构造。

在所述的静子导流组件的一个或多个实施方式中，所述外环件是在装配载荷和/或工作载荷条件下以外环件中间部分为优化区间且以体积百分比为约束，做刚度最大化以及内部应力均匀化的拓扑优化的等强度结构。

在所述的静子导流组件的一个或多个实施方式中，所述增材制造工艺为激光选区熔化工艺。

第二方法是提供一种静子导流组件的设计方法，该静子导流组件包括外环件、内环件、蜂窝件以及设置在外环件和内环件的多个导流叶片，将内环件、蜂窝件以及多个导流叶片设计成一体，并且在叶片流道线以下进行减重设计，即从内环件外表面到蜂窝之间部分为优化区间、以工作载荷为负载、以质量最小为性能指标做基频最大化拓扑优化。

在所述的设计方法的一个或多个实施方式中，外环件的设计是在装配载荷和/或工作载荷条件下以外环件中间部分为优化区间且以体积百分比为约束，做刚度最大化以及内部应力均匀化的拓扑优化。

在所述的设计方法的一个或多个实施方式中，相对于内环件、蜂窝件以及多个导流叶片为分体的设计，增大蜂窝设计空间，以降低转子不平衡导致的转静子硬碰磨风险。

第三技术方案是提供一种静子导流组件，其按照任一所述的设计方法进行构造。

第四技术方案是提供一种航空发动机，包括静子导流组件，所述静子导流组件为前述的静子导流组件。

在前述技术方案中，相对于已有的静子导流组件：

1.内环结构优化和叶片-蜂窝一体化设计，采用增材制造加工工艺，降低制造成本、周期，提高可靠性。

2.通过外环和内环结构优化设计，导流组件整体减轻重量；

3.以刚度最大化为优化目标，新发动机静子导向叶片外环结构形式能够增加外环刚度、减小装配变形。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是根据一个或多个实施方式的航空发动机的转静子组件的结构示意图。

图2是图1中静子导流组件的一个横向剖面的示意图。

图3是图2中外环件中的一部分的示意图。

图4是图2中内环件的一部分的示意图。

图5是图1中静子导流组件的立体图。

图6是图2中蜂窝件的结构示意图。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。

如图1所示，转静子组件包括转子和静子，转子例如是低压转子，静子为如后所述的静子导流组件。转子包括转子盘6以及在转子盘6上安装的多个转子叶片2，在两个转子之间对应设置一个静子导流组件。转子盘6轴向伸出轴颈部，在所述轴颈部上设置有封严蓖齿3。如后所述的静子导流组件固定安装在内机匣5上，内机匣5固定在外机匣4内，静子导流组件包括导流叶片1、外环件7、内环件8、蜂窝件9，蜂窝件9内部为如图6所示的蜂窝结构90，其内周侧表面与封严蓖齿3配合，共同起到密封作用，防止气流从静子导流组件的内周侧流动。

如图1和图2所示，虽然将内环件8、蜂窝件9、导流叶片1各自以元件的方式命名，但并不意味着这些为独立的元件，相反，它们是通过增材制造工艺一体成型，例如通过激光选区熔化工艺一体成型，为了便于与分体设计相比较而将其各自以元件的方式命名。由于将内环件8、蜂窝件9以及导流叶片1 一体成型，因此减少了内环件8的安装，消除了内环件安装存在的问题，例如安装工艺复杂，占用空间较大。此外，将内环件8、蜂窝件9以及导流叶片1 一体成型，还可以缩小内环件8所需空间，即可以相应地增大蜂窝件9的设计空间，如后所述，这有利于减小降低转子不平衡导致的转静子硬碰磨风险。内环件8即叶片流道线以下从内环件外表面到蜂窝件之间的部分为内环空心结构，内部由内环支撑结构填充，因此可以达到减重的目的。此外，由于内环件 8、蜂窝件9以及导流叶片1一体成型，因此结构得到简化，可靠性得到增强。

静子导流组件，包括外环件、内环件、蜂窝件以及设置在外环件和内环件的多个导流叶片，其特征在于，所述内环件、蜂窝件与所述多个导流叶片以增材制造工艺构造成一体，且叶片流道线以下从内环件外表面到蜂窝件之间的部分为内环空心结构，并填充内环支撑结构。

如图2所示，内环支撑结构的一个实施方式包括沿周向离散分布的多个结构单元81，各结构单元81包括横向骨架810以及在横向骨架810的两侧径向延伸的支柱811，各支柱811自横向骨架810逐渐变粗。图2中省略了内环件 8的外围壳体。

内环支撑结构的实施方式不限于此，也可以是其它结构单元，例如杆系支撑或单细胞填充。采用如图2所示的结构单元的有益效果可以在后述内容中了解到，可以起到减重效果，并且可以提高内环件的最大刚度，并且还有利于达到等强度分布的效果。

外环件7的一个实施方式也为内部空心结构，且内部填充有外环支撑结构。外环支撑结构如图3所示，其包括沿其周向分布的多个柱状结构71，以及在该多个柱状结构之间起伏的山丘状结构72。外环件7的实施方式不限于此，也可以采用其它的填充结构。采用如图3所示的外环支撑结构的有益效果是可以达到减重，并且还有利于材料的等强度分布，在工作时的载荷条件下，外环支撑结构中内应力均布。外环件7同样可以通过增材制造与多个导流叶片1一体成型。

结合图2，静子导流组件的设计方法是将内环件8、蜂窝件9以及多个导流叶片设计1设计成一体，并且在叶片流道线以下进行减重设计，即从内环件 8外表面到蜂窝件9之间部分为优化区间、以工作载荷为负载、以质量最小为性能指标做基频最大化拓扑优化，在一个实施方式中，其优化结构如图4所示。

继续参照图2，外环件的一种设计方法是在装配载荷和/或工作载荷条件下以外环件7中间部分为优化区间且以体积百分比为约束，做刚度最大化以及内部应力均匀化的拓扑优化，其优化结构如图3所示。

前述拓扑优化的方法可以在商业软件Optistruct中执行，将优化得到的模型在商业软件Hypermesh中采用OSSmooth功能进行转换，可以到能转换成适合于增材制造工艺的数据文件的数字模型。适用的增材制造工艺包括但不限于激光选区熔化工艺。

采用前述设计方法并通过增材制造工艺成型的静子导流组件具有增加刚度的同时减轻重量的效果。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.静子导流组件，包括外环件、内环件、蜂窝件以及设置在外环件和内环件的多个导流叶片，其特征在于，所述内环件、蜂窝件与所述多个导流叶片以增材制造工艺构造成一体，且叶片流道线以下从内环件外表面到蜂窝件之间的部分为内环空心结构，并填充内环支撑结构；

所述内环空心结构是以从内环外表面到蜂窝件之间部分为优化区间、以工作载荷为负载、以质量最小为性能指标做基频最大化拓扑优化的等强度构造，以使所述内环支撑结构包括沿周向离散分布的多个结构单元，各结构单元包括横向骨架以及在横向骨架的两侧径向延伸的支柱，所述支柱自所述横向骨架逐渐变粗。

2.如权利要求1所述的静子导流组件，其特征在于，所述外环件为内部空心结构，且内部填充有外环支撑结构。

3.如权利要求2所述的静子导流组件，其特征在于，所述外环支撑结构包括沿周向分布的多个柱状结构，以及在该多个柱状结构之间连续起伏的山丘状结构。

4.如权利要求2所述的静子导流组件，其特征在于，所述外环件是在装配载荷和/或工作载荷条件下以外环件中间部分为优化区间且以体积百分比为约束，做刚度最大化以及内部应力均匀化的拓扑优化的等强度结构。

5.如权利要求1所述的静子导流组件，其特征在于，所述增材制造工艺为激光选区熔化工艺。

6.一种静子导流组件的设计方法，该静子导流组件包括外环件、内环件、蜂窝件以及设置在外环件和内环件的多个导流叶片，其特征在于，将内环件、蜂窝件以及多个导流叶片设计成一体，并且在叶片流道线以下进行减重设计，在叶片流道线以下从内环件外表面到蜂窝件之间的部分设计内环空心结构，并填充内环支撑结构，从内环件外表面到蜂窝之间部分为优化区间、以工作载荷为负载、以质量最小为性能指标做基频最大化拓扑优化，以使所述内环支撑结构包括沿周向离散分布的多个结构单元，各结构单元包括横向骨架以及在横向骨架的两侧径向延伸的支柱，所述支柱自所述横向骨架逐渐变粗。

7.如权利要求6所述的设计方法，其特征在于，外环件的设计是在装配载荷和/或工作载荷条件下以外环件中间部分为优化区间且以体积百分比为约束，做刚度最大化以及内部应力均匀化的拓扑优化。

8.如权利要求6所述的设计方法，其特征在于，相对于内环件、蜂窝件以及多个导流叶片为分体的设计，增大蜂窝设计空间，以降低转子不平衡导致的转静子硬碰磨风险。

9.一种静子导流组件，其特征在于，按照如权利要求6至8中任一项所述的设计方法进行构造。

10.一种航空发动机，包括静子导流组件，其特征在于，所述静子导流组件为如权利要求1至5、9中任一项所述的静子导流组件。

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