CN112483192B - 用于涡轮发动机的喷嘴组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于涡轮发动机的喷嘴组件的设备和形成喷嘴组件的方法。喷嘴组件可包括一组喷嘴，其包括内带和外带，其中一个或多个翼型件在内带和外带之间延伸。喷嘴可在内带和外带处联接到相邻的喷嘴，以形成喷嘴组件。喉部可限定在喷嘴组件中相邻翼型件之间的最小横截面面积处。成形部分可在喉部处形成于内带或外带中的任一个或两个上。

Description

用于涡轮发动机的喷嘴组件
技术领域
本公开总体上涉及涡轮发动机中的喷嘴、喉部、翼型件布置和/或导叶(vane)，并且更具体地涉及用于控制所制造的组件中的喉部公差的设备和方法。
背景技术
涡轮发动机，且特别是燃气或燃烧式涡轮发动机，是从穿过发动机到多个旋转涡轮叶片上的燃烧气流提取能量的旋转机器，涡轮叶片可布置成多个涡轮叶片组件。以交替布置的方式，多个静止涡轮导叶轴向地设在各组涡轮叶片之间，将级(stage)限定为包含环形的一组旋转叶片和环形的一组静止导叶。
发动机喉部限定在相邻的静止导叶之间，其共同地限定发动机喉部。发动机喉部直接影响发动机的效率和性能。因此，控制喉部的制造是重要的，并且非常严格的控制公差可例如提供发动机的可操作性、性能、效率和推力的调整或改善。
发明内容
一方面，本公开涉及一种用于涡轮发动机的喷嘴组件，该喷嘴组件包括：外带；与外带间隔开的内带；一组翼型件，其在外带和内带之间延伸并限定喉部为该组翼型件的相邻翼型件之间的最小横截面面积；以及至少一个成形部分，其设在喉部处的外带或内带之一上，其中在喉部移除一定体积的成形部分以限定喉部。
另一方面，本公开涉及一种形成用于涡轮发动机的喷嘴组件的方法，该方法包括：形成具有内带和外带的喷嘴，其中至少一个翼型件联接至内带和外带并在内带和外带之间延伸，其中至少一个翼型件部分地限定喉部；在喉部处的内带或外带中的至少一个上形成附加材料；以及机加工附加材料以在喉部处形成成形部分。
又另一方面，本公开涉及一种用于涡轮发动机的喷嘴，该喷嘴包括：外带；与外带间隔开的内带；在外带和内带之间延伸的第一翼型件；在外带和内带之间延伸的第二翼型件，其与第一翼型件间隔开并且限定喉部为在第一翼型件和第二翼型件之间限定的最小横截面面积；形成在喉部处的外带或内带中的至少一个上并部分地限定对于喉部的最小横截面面积的成形部分。
附图说明
其中：
图1示出了用于飞行器的涡轮发动机的示意性横截面图，该涡轮发动机包括静止导叶的环形圈。
图2示出了包含多个相互连接的喷嘴的环形圈的一部分的透视图。
图3示出了沿截面III-III截取的图2的多个喷嘴的环形圈的一对喷嘴的横截面视图，示出了具有成形部分的喉部。
图4示出了沿截面IV-IV截取的图3的喉部和成形部分的横截面视图。
图5示出了用于喷嘴的导叶的视图，喷嘴具有设在外带和内带处的成形部分。
图6示出了包括三个导叶和三个轮廓部分的备选喷嘴的横截面视图。
图7示出了曲线图，其显示在不利用图3-5的成形部分的情况下，来自传统或常规制造工艺的喷嘴喉部面积的分布图线。
图8示出了另一曲线图，其显示代表来自初始制造并利用图3-5的成形部分的喷嘴分布的两条图线。
图9示出了阐明形成用于喷嘴的喉部的方法的流程图。
具体实施方式
本文描述的本公开的方面针对一种用于在涡轮发动机的喷嘴组件中形成喉部的方法和设备。更确切地，然后可形成、机加工或以其它方式改变在内带或外带上的喉部处的添加材料以处于特定的发动机公差内，而不会显著影响发动机的效率和性能。出于阐明的目的，将相对于用于飞行器燃气涡轮发动机的涡轮中的涡轮喷嘴来描述本公开。然而，将会理解，本文所述的公开内容的方面并未如此受限，且可具有发动机内的普通应用，包括压缩机，以及在非飞行器应用方面，如，其它移动应用和非移动的工业、商业和住宅应用。
如本文所用，术语"上游"是指与流体流动方向相反的方向，而术语"下游"是指与流体流动方向相同的方向。术语"前"或"前方"是指在某物之前，而"后"或"后方"是指在某物之后。例如，就流体流而言，前/前方是指上游，后/后方是指下游。
此外，如本文所用，术语"径向"或"径向地"是指远离共同中心的方向。例如，在涡轮发动机的整体语境中，径向是指沿在发动机的中心纵向轴线和发动机外圆周之间延伸的射线的方向。
而且，如本文使用的术语"成组"或"一组"元件可为任何数量的元件，包括仅一个。
所有方向的提及(例如，径向、轴向、近侧、远侧、上、下、向上、向下、左、右、侧向、前、后、顶部、底部、上方、下方、垂直、水平、顺时针、逆时针、上游、下游、前方、后方等)仅用于识别目的，以有助于读者理解本公开，且不产生特别是关于本文所述的公开的方面的位置、定向或使用的限制。连接的提及(例如，附接、联接、连接和连结)宽泛地解释，且可包括一系列元件之间的中间部件，以及元件之间的相对移动，除非另外指出。就此而言，连接的提及不一定是指两个元件直接地连接且与彼此成固定关系。示例性的附图仅出于阐明的目的，且大小、位置、顺序和相对尺寸(其在与其附接的附图中反映)可变化。
图1为用于飞行器的燃气涡轮发动机10的示意性截面图。发动机10具有从前方14向后方16延伸的大体上沿纵向延伸的轴线或发动机中心线12。发动机10包括成下游串流关系的：包括风扇20的风扇区段18、包括增压器或低压(LP)压缩机24和高压(HP)压缩机26的压缩机区段22、包括燃烧器30的燃烧区段28、包括HP涡轮34和LP涡轮36的涡轮区段32，以及排气区段38。
风扇区段18包括包绕风扇20的风扇壳40。风扇20包括围绕发动机中心线12沿径向设置的多个风扇叶片42。HP压缩机26、燃烧器30和HP涡轮34形成发动机10的核心44，其生成燃烧气体。核心44由核心壳46包绕，核心壳可与风扇壳40联接。
围绕发动机10的发动机中心线12同轴地设置的HP轴或转轴48将HP涡轮34传动地连接到HP压缩机26。围绕发动机10的发动机中心线12同轴地设置在大直径环形HP转轴48内的LP轴或转轴(Spool)50将LP涡轮36传动地连接到LP压缩机24和风扇20。转轴48,50可围绕发动机中心线12旋转，且联接到可共同地限定转子51的多个可旋转元件。
LP压缩机24和HP压缩机26分别包括多个压缩机级52,54，在其中一组压缩机叶片56,58相对于对应的一组静止压缩机导叶60,62(也称为喷嘴)旋转，以压缩或加压穿过级的流体流。在单个压缩机级52,54中，多个压缩机叶片56,58可成环提供，且可相对于发动机中心线12从叶片平台到叶片尖端沿径向向外延伸，同时对应的静止压缩机导叶60,62定位在旋转叶片56,58上游和附近。要注意，图1中所示的叶片、导叶和压缩机级的数量仅为了阐明的目的而选择，且其它数量是可能的。
用于压缩机级的叶片56,58可安装到盘61，盘安装到HP转轴48和LP转轴50中的对应一个，其中每个级均有其自己的盘61。压缩机级的导叶60,62可按周向布置安装到核心壳46。
HP涡轮34和LP涡轮36分别包括多个涡轮级64,66，其中一组涡轮叶片68,70相对于对应一组静止涡轮导叶72,74(也称为喷嘴)旋转，以从穿过级的流体流提取能量。在单个涡轮级64,66中，多个涡轮叶片68,70可成环提供，且可相对于发动机中心线12从叶片平台到叶片尖端沿径向向外延伸，同时对应的静止涡轮导叶72,74定位在旋转叶片68,70上游和附近。要注意，图1中所示的叶片、导叶和涡轮级的数量仅为了阐明的目的而选择，且其它数量是可能的。
用于涡轮级的叶片68,70可安装到盘71，盘安装到HP转轴48和LP转轴50中的对应一个，其中每个级均有其专用盘71。压缩机级的导叶72,74可按周向布置安装到核心壳46。
与转子部分互补的发动机10的静止部分(如压缩机区段22和涡轮区段32中的静止导叶60,62,72,74)也单独地或共同地称为定子63。就此而言，定子63可表示发动机10各处的非旋转元件的组合。
在操作中，离开风扇区段18的空气流分流成使得空气流的一部分导送到LP压缩机24中，其然后将加压空气76供应至进一步加压空气的HP压缩机26。来自HP压缩机26的加压空气76在燃烧器30中与燃料混合且点燃，从而生成燃烧气体。一些功由驱动HP压缩机26的HP涡轮34从这些气体获得。燃烧气体排放到LP涡轮36中，LP涡轮提取附加的功来驱动LP压缩机24，且排出气体最终经由排气区段38从发动机10排放。LP涡轮36的驱动会驱动LP转轴50使风扇20和LP压缩机24旋转。
加压气流76的一部分可从压缩机区段22作为放出空气(bleed air)77吸出。放出空气77可从加压气流76吸出，且提供至需要冷却的发动机构件。离开燃烧器30的加压气流76的温度显著地升高。就此而言，由放出空气77提供的冷却对于在升高温度的环境中操作这样的发动机构件是必要的。
气流78的其余部分绕过LP压缩机24和发动机核心44，且经由静止导叶排(且更具体是风扇排气侧84处的包括多个翼型件导叶82的出口导叶组件80)离开发动机组件10。更确切地，周向的一排沿径向延伸的翼型件导叶82在风扇区段18附近用于施加气流78的一些方向控制。
由风扇20供应的空气中的一些可绕过发动机核心44，且用于冷却发动机10的部分(特别是热的部分)，且/或用于冷却或供能飞行器的其它方面。在涡轮发动机的语境下，发动机的热部分一般在燃烧器30下游，特别是涡轮区段32，其中HP涡轮34为最热部分，因为其直接在燃烧区段28的下游。其它冷却流体源可为但不限于从LP压缩机24或HP压缩机26排放的流体。
现在参考图2，构想了喷嘴组件100的一部分包含环形的一组翼型件102，例如，如图1的燃烧器30下游的第一涡轮级64的导叶72，同时可构想用于沿发动机10轴向的喷嘴组件100的任何适合位置。翼型件102可布置为导叶喷嘴104，其中当容纳两个翼型导叶102时每个喷嘴104包括成对物，同时可构想在每个喷嘴104上的任何数量的导叶。(例如，见图5，包含三个导叶。)更确切地，在另一示例中，单件制造的喷嘴具有安装在内带和外带之间的所有翼型件，作为单个整体式制造件。在另一个示例中，单个翼型件可在内带和外带之间延伸以形成喷嘴组件，并且可互连到其它喷嘴组件以在相邻喷嘴组件的相邻翼型件之间形成喷嘴。因此，应当认识到，特定的喷嘴组件可包括大量形式，使得一组翼型件环形地设置以形成一组喷嘴。喷嘴104以环形布置联接在一起，所述喷嘴沿周向围绕发动机10延伸，从而形成喷嘴组件100。
每个喷嘴104包括径向外带106和径向内带108，其中两个翼型件102在外带106和内带108之间延伸。在非限制性示例中，喷嘴104可为未冷却的喷嘴而不接收来自外部源的内部冷却，或可为适于在小于声速的流速下操作的亚音速喷嘴，同时可构想经冷却的和超音速喷嘴。尽管仅示出了四个喷嘴104，但是应当理解，可布置多个喷嘴104以形成环形喷嘴组件100。可限定流径110以用于使气流通过喷嘴组件100、外带106和内带108之间并且通过翼型件102。喷嘴组件100的环形几何形状将总横截面面积限定为以环形方式布置的所有喷嘴的总和，以在喷嘴104处限定总流径110。组件的总流动面积可为最小面积，该最小面积限定为设置用于发动机的核心流的总横截面面积，其可控制总体发动机可操作性或压缩机效率。容纳在其中的喷嘴104和翼型件102提供用于使气流转向，使得以最佳方向、角度或定向提供到达叶片68的气流，以利用翼型件102下游的叶片从压缩气流中提取尽可能多的能量。
参考图3，沿径向向内看内带108，示出了喷嘴组件100的一个喷嘴104的轴向截面，其中内带108包括前缘112和后缘114。在一个示例中，喷嘴组件100可设在高压涡轮处，或在高压涡轮的第一级处，同时可构想发动机中的任何位置，包括在非限制性示例中的高压涡轮、低压涡轮、压缩机、支柱或使用翼型件或喉部的任何其它发动机部分，以及压缩机或涡轮中的任何级。可限定气流方向116，该方向在从前缘112到后缘114的方向上穿过，穿过翼型件102，还为每个导叶102限定前缘118和后缘120。此外，每个导叶102包括压力侧122和吸入侧124。
喉部130可限定在相邻的翼型件102之间作为相邻的翼型件102之间的最小横截面面积，同时可构想，如本文所用，喉部130可限定为相邻的翼型件102(如导叶、叶片或可沿主流流动路径局部地或沿整个发动机限定最小横截面面积的任何其它特征)之间的最小横截面面积。应当认识到，相邻的翼型件102不必在共同的喷嘴104上，而是可为相邻的喷嘴104中的相邻的翼型件102，特别是在喷嘴104由在内带和外带之间延伸的单个导叶形成的示例中。例如，喉部130可限定在导叶102的后缘120与相邻导叶102的吸入侧124之间，同时可构想，喉部130限定在沿相邻翼型件102的弦向范围的任何地方。喉部130可限定为相邻翼型件之间的最小横截面面积，其可有效地限制或限定通过发动机的空气的流速或流量，在非限制性示例中，这可用于限定发动机效率、可操作性、性能和推力。另外，喉部面积可限定为两个相邻翼型件之间沿翼型件的翼展在翼型件的每个区段处的喉部。
例如，诸如铸造或钎焊的传统制造技术在没有高成本或低产量的情况下不提供或通常不产生喉部处的紧密公差。然而，对于喉部的紧密公差可提供发动机性能最大化，从而提供用于使压缩机在没有可操作性问题的情况下尽可能最佳地运行。由于必须将压缩机设置为可容纳所有类型的涡轮喷嘴区域，因此可被控制的喉部面积越紧，就提供压缩机可设置成越接近峰值效率。因此，在喉部130处使用成形部分132可提供用于在高产量的情况下达到在喉部130处的紧密公差。
成形部分132可设在相邻翼型件102之间的内带108上并在喉部130处对齐，如成形部分132的中心部分沿喉部130对齐。成形部分132可与相邻的翼型件102间隔开，同时可构想，成形部分132延伸到翼型件102或其间的任何部分。在一个示例中，成形部分132可与相邻翼型件102对称或等距间隔，同时也可构想偏移或不均匀的定向。成形部分132可具有任何空气动力学有效的形状，如椭圆形或半椭圆形，例如，这种形状可有效地减小或最小化流分离或保持流附着。期望地，成形部分132的形状对空气动力学效率提供最小的影响或没有影响，同时提供整体发动机性能的提高。就此而言，具有在几何形状或高度方面最小化或非剧烈的变化的圆形表面是有用的。然而，应当认识到，可在保持喉部公差和喉部130处的气流性能之间取得平衡。这种平衡可包括利用较小的公差以便改善整体性能。应当进一步认识到，如本文所述的成形部分132可意指如在成形部分中那样成形、产生、变化、改变、制造、铸造、机加工、添加、焊接、钎焊、制造或以其它方式如所述那样成形。
成形部分132可为喷嘴组件100的一部分，该部分已经成形为在对于发动机而言的非常紧密公差内。在成为成形部分132之前，可在制造时以最大偏差在喷嘴组件100中满足相同或较小的面积，如以最大偏差进行制造或将附加材料(见图4)涂覆或施加到喷嘴组件100。因此，可将初始制造过程设置为产生小于目标的平均喉部面积，其中最大偏差不大于最大可接受的喉部面积。简要地看图4，然后可通过机加工和去除附加材料将附加部分142形成为最终形状，作为具有紧密公差的成形部分132。去除材料以形成成形部分132可通过任何合适的方法实现，以在紧密公差内的喉部130，如在非限制性示例中通过自适应机加工、磨削或喷砂来实现，同时可构想任何合适的用于去除材料的方法来将喉部130限定在紧密公差内。
此外，当形成环形喷嘴组件100时，在相邻喷嘴104之间的接合处可形成钎焊部或焊接部，这可在喉部130处提供可超出规定的公差的明显变化。利用成形部分132为相邻喷嘴104之间的接合处以及横跨喷嘴组件100中的多个喷嘴104的喉部提供更紧密公差，特别是在钎焊部或焊接部否则会产生明显的局部变化的情况下。
参考图4，沿图3的截面IV-IV截取，可认识到成形部分132的轮廓。线140可限定为沿带108的在喉部130处的材料的基线水平，或带108本身，其可与喷嘴组件100的内带108的范围基本一致。例如，线140可平行于图1的发动机中心线12，同时可构想，线140可备选地偏移、弯曲，或以其它方式改变形状或定向以便与喷嘴组件100的其余部分一致。线140的确切布置、定向或几何形状与本公开无关，而是可用作对于识别成形部分132以及用于形成成形部分132的附加材料142的几何形状的参考。将带108和翼型件102与附加材料142一起使用可提供产生高产量，从而在制造期间提供在成本效率方面的改善。如上所述，附加材料142可为在喉部130处添加的额外材料，如在喷嘴组件100的形成期间，或通过在形成喷嘴组件100之后添加额外材料。附加材料142可为与喷嘴组件100的其余部分相同的材料，但是可为更大量的局部材料，使得喉部130形成为具有比喷嘴组件100的每个喷嘴104处的最终形成的喉部130预期的横截面面积小的横截面面积。
然后，通过机加工附加材料142形成成形部分132，直到成形部分132限定用于喉部130的特定横截面面积。用于成形部分132的最大横截面面积144可例如平行于喉部130或在径向方向上限定，和/或可布置在喉部130处或与喉部130对齐。除了利用附加材料142的高生产产量之外，从附加材料142机加工成形部分132还可在喉部130处提供紧密公差。以此方式，可在保持喉部130处的紧密公差以最大化发动机性能的同时实现高生产产量。与通过在相邻翼型件的压力侧和吸入侧上保持紧密公差来尝试限定喉部130相比，这种方法更容易并且更具成本效益。
从图4还应当认识到，成形部分132的形状在轴向方向上可是弯曲的或曲线的。成形部分的弯曲应当是非剧烈的，以保持在喉部130处的空气动力学效率，而非生成流动分离或湍流。因此，应当认识到，成形部分132的横截面几何形状不限于所示的几何形状，而是可为改善或增加空气动力学效率或最小化由成形部分132形成的流动效率低下的任何形状。
参考图5，以沿图3的截面V-V截取的示意性轴向截面示出了喷嘴组件100。流动方向可由F限定，沿图从左穿到右。喷嘴组件100可包括在外带106和内带108两者处的成形部分132，从而在任何给定的喷嘴104处共同地限定喉部130。
以虚线所示，附加材料142可被添加或与喷嘴104一起形成在外带106和内带108两者处。然后附加材料142在外带106和内带108两者处成形以形成成形部分132。另外，以虚线示出的是轮廓线140，其可代表外带106和内带108的平均径向范围，使得附加材料142和成形部分132都延伸到喉部130中，以相比于轮廓线140所限定的横截面面积，有效地减小喉部130的总横截面面积。
从图5中，应当认识到，附加材料142以及成形部分132可设在内带108或外带106中的任一个或两个处，使得喉部130的横截面面积可被限定在不同的位置。例如，在成形部分132可能延伸到喉部130中太远的情况下，为了使流动分离或湍流的产生最小化，可在外带106和内带108两者中在更小的程度上使用较小的成形部分132，从而最小化局部流动分离和湍流，同时仍实现了对于喉部横截面面积的一致紧密公差。
参考图6，以示意性截面视图出了另一喷嘴组件200，其示出了作为设在喷嘴组件200上的三个导叶202a,202b的翼型件，其中两个导叶202b具有相似的尺寸，并且一个导叶202a大于其它两个导叶202b。尽管在喷嘴组件200中示出并描述为导叶202a,202b，但是应当认识到，可使用任何类型的翼型件来形成喷嘴组件，如叶片、导叶、支柱或其它翼型件状特征。每个喷嘴组件200可限定两个喉部204，并且在相邻喷嘴组件(未示出)之间部分地限定两个另外的喉部206。与图3-5中论述的相似，喷嘴组件200可包括三个成形部分208，其可部分地限定喉部204,206。成形部分208可用于将喉部204,206保持在对于构件或发动机所需的紧密公差内。
应进一步认识到，喷嘴可具有多于或少于三个的翼型件，如具有带有一个大导叶和一个小导叶的两个翼型件。在另一示例中，可存在一个大导叶，和至少两个小翼型件，包括相对于一个大导叶的任何合适数量的小翼型件。此外，尽管示出的翼型件以其后缘对齐，但是应当理解，这种组织仅是示例性的，并且在非限制性示例中实际布置可在前缘处对齐、基于翼型件的弦向中心对齐、未对齐或以任何布置排列；特别是在喉部相对于相邻导叶的后缘没有限定的情况下。更进一步地，如图6所示，喉部的位置可在相邻的翼型组之间变化，并且不需要沿轴向或沿周向对齐。因此，应当认识到，图6仅示出了一个示例，并且可构想翼型件和相关喷嘴或喉部的组织、尺寸或布置的大量变化。
现在参考图7，包括图线252的曲线图250阐明了在诸如铸造的传统制造方式下的一定数量的喷嘴的喉部面积的正态分布。在图线252上识别出目标面积254。如可认识到，图线252的很大一部分存在于目标面积254的外部，这表示目标对于喉部面积内的喷嘴的低产量。因此，任何可认识到，需要产生紧密公差以将喉部以高产率保持在目标面积254内。
现在参考图8，示出了表示本文所论述的过程的曲线图260，包括形成附加材料和成形部分以形成喉部。更确切地，第一图线262阐明了在初始制造之后，喉部在喷嘴数量上的分布。形成的初始制造在喉部处具有附加材料，使得喉部面积形成为小于目标面积266。由于第一图线262中所示的初始制造不是最终产品或不限于喉部的紧密公差，因此初始产量变高，这在制造期间提供了显著成本降低。
在初始制造之后，第二图线264表示从初始制造和附加材料对喉部机加工以变为成形部分。从第二图线264可认识到，在目标喉部面积266内形成了喷嘴数量的大部分，从而实现了紧密公差以及高产量。
尽管与传统制造方法(如图7的制造方法)相比，图8所示的这种方法包括附加步骤和附加材料，但图8的方法以非常高的产量提供了非常紧密公差，这提高了整体成本效益，还持续改善了整体发动机性能。
现在参考图9，形成用于涡轮发动机的喷嘴组件(如本文所述的喷嘴组件)的方法300可包括：在302处，形成喷嘴；在304处，在喷嘴上的喉部处形成附加材料；以及在306处，机加工附加材料以在喉部形成成形部分。
在302处，形成喷嘴可包括形成具有内带和外带的喷嘴，其中内带在外带的径向内部。喷嘴可进一步包括至少一个翼型件，该至少一个翼型件联接到内带和外带并在内带和外带之间延伸，其中至少一个翼型件至少部分地限定喉部。喉部可为在相邻的翼型件之间限定的用于穿过喷嘴的空气或流体的最小横截面面积。
在304处，在喉部上形成附加材料可包括在喉部的内带和外带之一或两者上形成扩大部分。当限定喉部的横截面面积小于最终喷嘴所用的喉部时，可扩大附加材料。因而，旨在以一些方式形成或去除附加材料，以实现喉部的所需横截面面积。在一个示例中，在302处形成喷嘴并形成附加材料304可利用相同的制造方法，或可例如通过铸造或增材制造同时形成，同时可构想任何合适的制造方法。在非限制性示例中，增材制造可包括例如3D打印、直接金属激光加工、直接金属激光烧结或电铸。此外，形成附加材料可包括将涂层或空气等离子喷涂(APS)施加到喉部处的喷嘴上。
该方法可进一步包括测量由附加材料形成的喉部。测量具有附加材料的喉部提供了确定在306处形成成形部分时需要去除的附加材料量。在形成喷嘴组件的整个环形圈的示例中，该方法可包括测量所有喉部以确定当前喉部的所有横截面面积是否小于每个喉部的期望横截面面积。如果不是这样，则该方法可进一步包括在横截面面积大于对于该喉部的期望横截面面积的任何喉部处添加更多的附加材料。
在306处，该方法包括机加工附加材料以减少附加材料并增加喉部的横截面面积。机加工去除了至少一部分附加材料，使得由成形部分限定的最终喉部的横截面面积大于在机加工之前由附加材料限定的喉部的横截面面积。在非限制性示例中，机加工附加材料可包括自适应机加工、磨削、激光切割或喷砂。可对附加材料进行机加工，以由附加材料作为成形部分形成空气动力学表面，以将喉部限定在紧密公差内，同时最小化从成形部分在喉部处产生的气流分离或湍流的可能性。
在一个示例中，如本文所述的喷嘴形成为单个制造件，如通过增材制造的整体或一体件，而不是将喷嘴形成为单独元件并将附加材料加入已经形成的件中。可构想，整个涡轮喷嘴或叶片框架环可制造为单个环形件，包括多个喷嘴和喉部以限定周向组件。在此情况下，附加材料可与完全制造的组件一起产生。
制造技术以前已经限制了喉部组装和控制的夹具和制造公差。在一个非限制性示例中，为了保持有效和一致的发动机性能、可操作性和推力，喉部控制的目标不确定度小于0.5％。对于整个环形喷嘴组件，传统的喉部制造方法始终具有+/-0.5％的面积变化。如本文所述的设备和方法提供了对于单件式喷嘴或导叶框架能够非常严格地控制喉部及其横截面面积，其中在喉部处的面积变化小于0.5％，这在喉部和喷嘴处，特别在高压涡轮中提供了一致的发动机效率、可操作性、性能和推力。此外，添加附加材料并然后由附加材料机加工成形部分，使得最终的喷嘴组件在成形部分处在空气动力学上有效，从而最小化任何产生的发动机效率低下，同时实现了严格的喉部控制的性能和效率优势。
在另一示例中，喉部或局部构件的不同部分可具有添加的材料，并且应当认识到，这种添加并不仅仅限于内带或外带。例如，可将APS或其它类似材料添加到翼型件(如翼型件吸入侧)，并然后可将翼型件上的材料形成为用于喉部的紧密公差。在另一个示例中，可将材料添加到翼型件或其它构件，并然后可形成原始的内带或外带(或甚至相邻的翼型件)以满足紧密公差。因此，应当认识到，可构想，可将附加材料添加到在喉部的构件或发动机的任何部分，并且喉部处的构件或发动机的任何部分可形成或以其它方式改变或改造以将喉部限定在紧密公差内。
应当理解，也可构想相对于如本文所述的翼型件、导叶、带或喉部的定向和位置的上述几何形状或位置的任何组合。通过非限制性示例，成形部分可为在任何位置至少部分地限定喉部的任何形状。如本文所示的成形部分、翼型件、叶片、导叶和喉部仅用于示范性目的，并不意味着限制。此外，可构想，可使用任何合适的材料来收缩或封闭喉部，然后形成该喉部以形成喉部的紧密公差。
与如本文所述的成形部分相关联的益处与涡轮发动机中的喉部的更紧密公差有关，这提供了改善的发动机效率、性能和推力。成形部分提供这样的益处，而对通过喉部的流动几乎没有作用或没有影响，如在局部产生的很少或没有流动分离或湍流，同时在喉部实现了性能益处。所描述的方法提供了一致地实现这些更紧密公差。商业上更高的效率、性能和推力可减少维修和维护成本，并延长发动机构件的寿命。
本文公开的方面提供了一种用于一致地实现发动机喉部处的喷嘴和发动机构件的紧密公差的方法和设备。技术效果在于，上述方面使得喷嘴组件中所有喷嘴有更紧密的公差和更一致的喉部。在以上方面中可实现的一个非限制性优点是上述方面具有优异的发动机性能、效率和推力。一致地实现更紧密公差为发动机上遍及的所有喷嘴组件提供了一致的喷嘴尺寸，这最小化否则由喷嘴组件之间的局部喉部尺寸不一致引起的局部损失或效率低下。
除上图中所示的之外，许多其它可能的方面和构造由本公开构想出。在尚未描述的程度上，各个方面的不同特征和结构可以根据需要与其它方面组合使用。一个特征不能在某些方面中示出并不意味着不能解释其，而是为了描述简洁。因此，不管是否明确地描述了新方面，都可根据需要混合和匹配不同方面的各种特征以形成新方面。在一个非限制性示例中，图3、5或6的各方面可以各种方式彼此组合。
在非限制性示例中，如本文所述的成形部分可利用增材制造技术或其它先进的铸造制造技术来制造，如熔模铸造、3-D打印、激光钻孔、EDM钻孔、直接金属激光熔融、直接金属激光烧结或电铸。可用的技术提供了成本益处，以及其它所述益处。应理解，还可设想形成本文所述的冷却回路和冷却孔的其它方法，且公开的方法仅用于示范性目的。
应当认识到，公开的设计的应用不限于具有风扇和增压器区段的涡轮发动机，而是也可适用于涡轮喷气和涡轮螺旋桨发动机。
本公开的各种特征、方面和优点还可体现在由以下方面或条款限定的以下技术方案中：
1. 一种用于涡轮发动机的喷嘴组件，该喷嘴组件包括：外带；与外带间隔开的内带；一组翼型件，其在外带和内带之间延伸，并限定喉部为该组翼型件中的相邻翼型件之间的最小横截面面积；以及至少一个成形部分，其设在喉部处的外带或内带之一上，其中在喉部移除一定体积的成形部分以限定喉部。
2. 方面1的喷嘴组件，其中该组翼型件包括两个翼型件。
3. 方面1-2的喷嘴组件，其中该组翼型件包括三个翼型件。
4. 方面3的喷嘴组件，其中一个翼型件大于其它两个翼型件中的至少一个。
5. 方面1-4的喷嘴组件，其中至少一个成形部分在外带上。
6. 方面1-5的喷嘴组件，其中至少一个成形部分包括两个成形部分，其中一个成形部分设在外带上，且另一个成形部分设在内带上。
7. 方面1-6的喷嘴组件，其中至少一个成形部分具有弓形轮廓。
8. 方面7的喷嘴组件，其中在其上设有至少一个成形部分的外带或内带之一是部分环形的。
9. 方面1-8的喷嘴组件，其中该组翼型件包括高压涡轮中的一组导叶。
10. 方面9的喷嘴组件，其中该组导叶在高压涡轮的第一级中。
11. 方面1-10的喷嘴组件，其中成形部分成形为附加材料，并且成形成形成喉部以满足最大偏差。
12. 方面1-11的喷嘴组件，其中成形部分为空气动力学轮廓的，以最小化由成形部分产生的流动分离或湍流。
13. 一种形成用于涡轮发动机的喷嘴组件的方法，该方法包括：形成具有内带和外带的喷嘴，其中至少一个翼型件联接至内带和外带并在内带和外带之间延伸，其中至少一个翼型件部分地限定喉部；在喉部处的内带或外带中的至少一个上形成附加材料；以及机加工附加材料以在喉部处形成成形部分。
14. 方面13的方法，其中形成喷嘴和形成附加材料由相同的制造方法形成。
15. 方面13-14的方法，还包括在机加工附加材料之前测量喉部。
16. 方面13-15的方法，其中形成附加材料包括将涂层或APS在喉部处施加到喷嘴上。
17. 方面13-16的方法，其中机加工附加材料还包括自适应机加工、磨削或喷砂中的至少一种。
18. 方面13-17的方法，其中机加工附加材料还包括形成空气动力学表面作为成形部分，以最小化喉部处的流动分离和湍流。
19. 一种用于涡轮发动机的喷嘴，该喷嘴包括：外带；与外带间隔开的内带；在外带和内带之间延伸的第一翼型件；第二翼型件，其在外带和内带之间延伸，与第一翼型件间隔开并且限定喉部为在第一翼型件和第二翼型件之间限定的最小横截面面积；形成在喉部处的外带或内带中的至少一个上并部分地限定喉部的最小横截面面积的成形部分。
20. 方面19的喷嘴，其中成形部分包括设在喉部处的最大厚度。
本书面描述使用了示例来描述本文所述的公开的方面，包括最佳模式，且还使本领域的任何技术人员能够实施本公开的方面，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法。本公开的方面的专利范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果此类其它实施例具有并非不同于权利要求的书面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求的书面语言无实质差别的等同结构元件，则此类其它示例旨在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于涡轮发动机的喷嘴组件，所述喷嘴组件包括：
外带；
与所述外带间隔开的内带；
一组翼型件，其在所述外带和所述内带之间延伸；
喉部，其限定作为所述一组翼型件中的相邻翼型件之间的最小横截面面积；
附加材料，其在所述内带、所述外带或所述一组翼型件中的一个上设在所述喉部处，以及
至少一个成形部分，其成形到所述附加材料中，
其中所述成形部分通过从在所述喉部处的所述附加材料去除至少一些材料来限定。
2.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述至少一个成形部分包括至少两个成形部分，其中所述至少两个成形部分中的一个成形部分设在所述外带或所述内带之一上，并且其中所述至少两个成形部分中的另一个成形部分设在一组空气流的一个翼型件上。
3.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述至少一个成形部分包括至少三个成形部分，其中所述至少三个成形部分中的第一成形部分设在所述外带上，所述至少三个成形部分中的第二成形部分设在所述一组翼型件的一个翼型件上，并且所述至少三个成形部分中的第三成形部分在所述喉部处设在所述一组翼型件的另一翼型件上。
4.根据权利要求3所述的喷嘴组件，其特征在于，所述至少一个成形部分包括至少四个成形部分，其中所述至少四个成形部分中的第一成形部分设在所述内带上，所述至少四个成形部分中的第二成形部分设在所述外带上，所述至少四个成形部分中的第三成形部分设在所述一组翼型件的一个翼型件上，并且所述至少四个成形部分中的第四成形部分在所述喉部处设在所述一组翼型件的另一翼型件上。
5.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述至少一个成形部分在所述外带上。
6.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述至少一个成形部分包括两个成形部分，其中一个成形部分设在所述外带上，且另一个成形部分设在所述内带上。
7.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述至少一个成形部分具有弓形轮廓。
8.根据权利要求7所述的喷嘴组件，其特征在于，所述至少一个成形部分在其上的所述外带或所述内带之一是部分环形的。
9.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述一组翼型件包括高压涡轮中的一组导叶。
10.根据权利要求9所述的喷嘴组件，其特征在于，所述一组导叶在所述高压涡轮的第一级中。
11.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述成形部分成形为附加材料，并且成形成形成所述喉部以满足最大偏差。
12.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述成形部分为空气动力学轮廓的，以最小化由成形部分产生的流动分离或湍流。
13.一种形成用于涡轮发动机的喷嘴组件的方法，所述方法包括：
形成具有内带和外带的喷嘴，其中至少一个翼型件联接至所述内带和所述外带并在所述内带和所述外带之间延伸，其中所述至少一个翼型件部分地限定喉部，其限定为所述至少一个翼型件中的一个与相邻翼型件之间的最小横截面面积；
在所述内带、所述外带或所述至少一个翼型件中的至少一个上在所述喉部处形成附加材料；以及
机加工所述附加材料以在所述喉部处形成成形部分。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，形成所述喷嘴和形成所述附加材料由相同的制造方法形成。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括在机加工所述附加材料之前测量所述喉部。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，形成所述附加材料包括将涂层或APS在所述喉部处施加到所述喷嘴上。
17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，机加工所述附加材料还包括自适应机加工、磨削或喷砂中的至少一种。
18.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，机加工所述附加材料还包括形成空气动力学表面作为所述成形部分，以最小化所述喉部处的流动分离和湍流。
19.一种用于涡轮发动机的喷嘴，所述喷嘴包括：
外带；
与所述外带间隔开的内带；
第一翼型件，其在所述外带和所述内带之间延伸；
第二翼型件，其在所述外带和所述内带之间延伸，与所述第一翼型件间隔开；
喉部，其限定为在所述第一翼型件和所述第二翼型件之间限定的最小横截面面积；
设在所述喉部处的附加材料；以及
成形部分，其形成在所述喉部处的所述附加材料中并且限定对于所述喉部的所述最小横截面面积。
20.根据权利要求19所述的喷嘴，其特征在于，所述成形部分包括设在所述喉部处的最大厚度。
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