CN113439151A - 用于涡轮机分配器的冲击冷却式管状插入件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于涡轮机分配器的管状的通风套管(1)，特别地，涡轮机分配器用于飞行器，该套管具有沿轴线(A‑A)的大致细长的形状，并且包括围绕所述轴线穿孔的管状壁(1a)，该套管的轴向端部中的一个敞开，并且另一个由底部壁(1b)封闭，其特征在于，当该套管(1)由增材制造来制造时，该套管还包括支撑梁(7)，所述梁(7)在套管(1)内侧于管状壁(1a)和底部壁(1b)之间延伸，并且具有呈大致三角形形状的纵向横截面，梁的两个侧部分别连接到管状壁(1a)和底部壁(1b)，并且梁的最后一个侧部是自由的并在套管内延伸，在管状壁(1a)中的穿孔(2)被设置在支撑梁(7)之间。

Description

用于涡轮机分配器的冲击冷却式管状插入件

技术领域

本发明涉及涡轮机领域，特别地涉及气体涡轮发动机领域，并且更具体地旨在涡轮分配器及涡轮分配器的通风设备领域。

背景技术

在气体涡轮发动机中，进入的空气在与燃料混合并在燃烧腔室中燃烧之前，在至少一个压缩机中被压缩。在腔室中产生的热气体驱动一个或多个下游涡轮，然后被喷射到喷嘴中。不同的涡轮级包括转子叶轮和定子分配器。每个分配器包括两个环形平台，分别为内部环形平台和外部环形平台，基本上径向的叶片在内部环形平台和外部环形平台之间延伸。由于流动通过涡轮的气体的温度，分配器的叶片经受非常严峻的工作条件。因此，分配器的叶片必须冷却，以保持可接受的使用寿命。

在当前技术中，分配器叶片是管状的，并且包括内部空腔，多孔管状套管被安装在内部空腔中。

例如在文献FR-A1-2 899271、FR-A1-2 872541、FR-A1-2 976616、EP-A1-1847687、US-A1-2018/371920、US-A1-2010/129196以及US-A1-2017/067363中描述了这种套管。

根据实施例的一个示例，这两个平台和叶片形成单体的铸造部件。根据实施例的另一个示例，通过对两个铸造的单体叶片进行钎焊而获得的部件由这两个平台和叶片形成。套管通过金属板成形来制造，并且被构造成保持在叶片的内部空腔内，与叶片的壁隔开，因此使得能够提供空气流对壁的冲击并且还能够使空气流动通过空间。例如，外平台中的开口向套管供应来自压缩机的冷却空气。

这些空气中的一些行进通过设置在套管的壁中的孔，并且通过冲击冷却叶片的壁。然后这些空气向下游流动，在下游通过沿着叶片的后缘的壁设置的穿孔而被排放到气体的导管中。应当注意，叶片的壁的内部面可能最终设置有流动中断元件，该流动中断元件促进在空腔中流动的空气与壁之间的热交换。在装配期间，先前成形的套管通过设置在外平台中的开口滑入叶片的空腔中。然后，通过沿着与设置在外平台中的开口的壁接触的套管的边缘进行焊接或钎焊，使套管与叶片成为整体。套管的相对部分被引导通过设置在叶片的内平台中的开口，该开口形成了滑道，以使得叶片和套管之间能够相对运动。这些纵向位移是由于在涡轮机运行期间的温度变化，以及这两个部件在制造这两个部件的材料的性质和这两个部件的制造方法的不同。

在以申请人的名义的专利EP-A1-1 508 670中，描述了在腔体内侧的套管的特定实施例。

在现有技术中，这种套管的制造方法需要多个步骤，即弯曲金属板的步骤、焊接金属板以形成管道的步骤以及通过电侵蚀(EDM表示“电火花加工”)对管道进行加工以在管道上穿孔的步骤。但是，这种方法耗时长且成本高。

本发明的目的是通过提供如下的通风套管来弥补这一缺点：该通风套管被构造成使得能够通过快速且经济的方法(例如通过增材制造)来制造。

发明内容

为此，本发明涉及用于涡轮机分配器的管状的通风套管，特别地，所述涡轮机分配器用于飞行器，该套管具有沿轴线的大致细长的形状，并且包括围绕该轴线穿孔的管状壁，该套管的轴向端部中的一个敞开，并且另一个由底部壁封闭，其特征在于，当该套管由增材制造来制造时，该套管还包括支撑梁，这些梁在套管内侧于管状壁和底部壁之间延伸，并且具有呈大致三角形形状的纵向横截面，梁的两个侧部分别连接到管状壁和底部壁，并且梁的最后一个侧部是自由的并在套管内延伸，在管状壁中的穿孔被设置在支撑梁之间。

因此，根据本发明的这种套管具有使得该套管能够通过增材制造来设计的布置，增材制造是快速且经济的方法。实际上，在底部壁内侧延伸的梁加强了该底部壁，并且避免了底部壁在增材制造期间的坍塌(换句话说，底部没有平坦的形状，并因此具有悬臂式的形状，在没有必要的支撑的情况下，该底部不能通过粉末床增材制造方法进行制造)。因此，根据本发明的套管特别适合通过增材制造来制造。没有这些梁，根据本发明的套管将不可能通过这种方法。

优选地，在所述梁的连接到所述底部壁的侧部的水平面处，每个梁具有比所述梁的其余部分的材料厚度更厚的材料厚度。

有利地，梁基本上覆盖了底部壁的整个内部表面。

因此，梁支撑并加强了底部壁，因此使得能够通过增材制造来设计套管。

优选地，梁被分成两个系列，这两个系列的梁分别在底部壁中延伸的直线的两侧上延伸，每个梁具有部分地位于该直线的水平面处的端部。

有利地，管状壁包括多边形形状的穿孔，例如正方形或菱形形状的穿孔。

有利地，穿孔基本上相同，并且被布置成使得穿孔的顶点中的一个朝向底部壁的侧部。

因此，穿孔的形状和布置使得能够通过增材制造来设计穿孔。

有利地，底部壁在套管的外侧包括用于使梁部分地凹入的凹槽。

因此，套管的总质量减少了。

本发明还涉及用于飞行器涡轮机的涡轮分配器以及包括根据本发明的涡轮分配器的飞行器涡轮，该涡轮分配器包括通过管状叶片连接在一起的内部平台和外部平台，包括上述特征中任意一个特征的套管安装在管状叶片中。

本发明还涉及制造根据本发明的用于涡轮机分配器的管状通风套管的方法，该方法包括在支撑部上对该套管进行增材制造，增材制造从制造套管的敞开的端部开始，并且以套管的封闭的端部结束。

附图说明

通过以下以非限制性示例的方式做出的描述并且参照附图，将更好地理解本发明，并且本发明的其它细节、特征和优点将变得更加清楚，在附图中：

[图1]图1是现有技术的分配器区部的示意性透视图；

[图2]图2是根据现有技术的分配器叶片的横截面图；

[图3]图3是示出根据本发明的通风套管的透视图；

[图4]图4是根据本发明的通风套管的实施例的示例的纵向横截面图；

[图5]图5是示出根据本发明的通风套管的底部壁的内部表面的局部的细节透视图；

[图6a至图6c]图6a至图6c示意性地示出了在根据本发明的通风套管的部分的增材制造的设计中的连续步骤；

[图7]图7是根据本发明的通风套管的底部壁的实施例的示例的示意性局部横截面图。

具体实施方式

按照惯例，在本申请中，术语“下游”是关于在运行的涡轮机中气体流动的方向来限定的。此外，按照在本申请中的惯例，术语“内部”和“外部”是相对于套管的纵向轴线来轴向地限定的，并且术语“内”和“外”是相对于涡轮机的纵向轴线来径向地限定的。

在图1中，附图标记10表示涡轮机的分配器，例如飞行器涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机的分配器，该分配器10包括同轴的环形平台，这些环形平台分别为内部环形平台3和外部环形平台4，内部环形平台和外部环形平台在它们之间限定了气体在涡轮中的环形流动管道，并且叶片5在内部环形平台和外部环形平台之间延伸。

图2示出了根据现有技术的设置有通风套管11的分配器10的叶片5的横截面图。分配器10的叶片5包括内部空腔，在内部空腔中安装有穿孔的管状套管11，穿孔的管状套管用于来自供应封壳的通风空气的循环，该穿孔管状套管在分配器的外部平台4的径向外部。该空气部分地行进穿过套管11的穿孔，冲击到叶片5的内部壁上以冷却内部壁，然后被排放到涡轮的气体流动导管中。通风空气来自涡轮机的压缩机的上游，并经由未示出的导管被带入供应封壳。套管11的径向外部端部敞开实现其空气供给，并且套管的径向内部端部可能敞开，如图2中所示。然而，在本发明中，套管的径向内部端部是封闭的。

根据在图3中所示的实施例的示例，管状通风套管1具有沿纵向轴线A-A的大致细长的形状。该套管包括围绕该纵向轴线A-A的外周管状壁1a，该外周管状壁1a设置有多个穿孔2。套管的轴向端部中的一个轴向端部敞开，而另一个轴向端部被底部壁1b封闭(因此与在图2中所示的现有技术的套管11不同)。

套管1旨在装备涡轮机分配器10，特别是装备飞行器的涡轮机分配器。根据本发明的套管1以本身已知的方式被容纳在分配器10的叶片5中的一个叶片的空腔中。

在安装时，套管1被构造成通过设置在外平台4中的开口滑入叶片的空腔中。

特别地，套管1包括在套管的外周管状壁的外部表面上突出的凸台6(图3)。这些凸台以本身已知的方式，例如通过冲压形成，这些凸台被布置在套管1的封闭轴向端部附近，并且将套管保持在距离叶片的壁一定距离处，因此使得能够实现空气流对壁的冲击和空气在空间中的循环。

然后，通过沿着与设置在外平台4中的开口的壁接触的套管边缘进行焊接或钎焊，使套管1与叶片成为整体。有利地，套管1的敞开的轴向端部设置有环圈1c，该环圈使得套管和叶片能够连结在一起。

以本身已知的方式，设置在外平台4中的开口向套管1供应例如来自压缩机的冷却空气。该冷却空气行进穿过套管的穿孔2，并且通过冲击来冷却叶片的壁。由于套管1具有由底部壁1b封闭的径向内部端部，所有穿过穿孔2流动到套管1中的冷却空气随后向下游流动，在下游处，冷却空气穿过沿着叶片的后缘的壁设置的穿孔被排放到气体导管中。

根据本发明，套管1还包括在套管内侧在外周管状壁1a和底部壁1b之间延伸的支撑梁7。套管1的管状壁1a的穿孔2设置在支撑梁7之间。

参照图4和图5，每个梁7具有大致三角形的纵向截面。梁7的第一侧部7a(所述水平侧)被连接到套管1的底部壁1b，梁7的第二侧部7b(所述竖直侧)被连接到套管1的管状壁1a，并且第三侧部7c(所述倾斜侧)是自由的并在套管1的内侧延伸。因此，在套管的增材制造期间，底部壁1b将被梁7加强并支撑，从而使得能够实现套管1的设计。实际上，由于梁7的存在，套管1的底部壁1b不具有平坦的形状(没有水平的不均匀性)，而是包括一系列形成基本上锯齿状凸起的锯齿，有利于并且简化了在粉末床上通过增材制造来构筑套管1的过程。实际上，由于梁7的存在，套管1的底部壁1b的这种形状使得能够在制造底部壁1b期间免除使用支撑元件。

事实上，梁7的这种三角形形状对应于在梁7的自由侧部上的拔模角度(draftangle)，该自由侧部在套管内侧至少以30°延伸，并且优选地以大约45°延伸，保证了通过增材制造对连续层的制造和叠加，每个制造的层使得能够在制造期间支撑接下来的层。

有利地，在管状壁1a的被梁7通过梁的这些侧部中的一个所连接到的部分中，管状壁1a的厚度局部地大于在管状壁1a的其余部分的厚度，特别地，大于在管状壁1a位于两个相邻的梁7之间处的部分(也被称为梁间空间8)的厚度。因此，由于穿孔2被设置在两个相邻的梁7之间(在梁间空间8中)，穿孔2的长度对于确保叶片的冷却而言是最佳的。此外，这些梁间空间使得能够减少套管1的总质量。

每个梁7在梁连接到底部壁1b的侧部的水平面处具有比梁的其余部分的材料厚度更厚的材料厚度，并且有利地，所有的梁7基本上覆盖底部壁1b的整个内部表面。梁7被分成两个系列，这两个系列的梁分别在延伸到底部壁1b中的直线d的两侧上延伸，每个梁具有部分地位于该直线水平处的端部。

有利地，穿孔2的形状为多边形，例如正方形或菱形。穿孔2基本上相同，并且被布置成使得穿孔的顶点中的一个朝向底部壁的侧部。因此，穿孔2的形状和布置使得能够通过增材制造来设计它们，每个制造的层使得能够在增材制造的连续步骤期间支撑接下来的层，如下文参考图6a、图6b和图6c详述。

穿孔2的尺寸被确定成确保叶片的最佳冷却。

有利地，如图7中所示，凹槽9被设置在底部壁1b的外部表面中，面向梁7的连接到底部壁1b的侧部。凹槽9的纵向轴线基本上平行于梁7的连接到底部壁1b的侧部的纵向轴线。这些凹槽9部分地使梁7凹入，并且具有减轻套管1的功能。这进一步减少了通风套管的总质量。

本发明还涉及用于飞行器涡轮机的涡轮分配器以及包括根据本发明的涡轮分配器的飞行器涡轮，该涡轮分配器包括通过管状叶片连接在一起的内部平台12和外部平台14，根据本发明的套管1安装在管状叶片中。

本发明还涉及制造根据本发明的用于涡轮机分配器的管状通风套管1的方法，通过在支撑部上对该套管进行增材制造，该方法从制造套管1的敞开的端部开始，并且以套管的封闭的端部结束。

根据本发明的方法，用于形成套管1的基体材料被沉积在支撑部上。这种基体材料例如呈液体、粉末、带或线的形式，使得基体材料形成层。基体材料以本身已知的方式，例如通过激光烧结成形。然后，基体材料被再次沉积在第一层上以待成形，并且以此类推，使得在彼此的顶部上形成多个连续的材料层。

作为第一步骤，基体材料被成形以构成具有第一厚度的、形状如同实体的被截断的环形逗号的第一层，该第一层形成套管1的环圈1c的构成层。在一系列的具有第一厚度的、形状如同被截断的环形逗号的多个第一成形材料层被成形之后，环圈1c完全形成。

然后，基体材料被成形以构成具有第二厚度的、形状像被截断的环形逗号的新的层，该第二厚度小于环圈1c的第一厚度，该新的层形成套管1的外周管状壁1a的构成层。在一系列的具有第二厚度的、形状像被截断的环形逗号的多个第二成形材料层被成形之后，外周管状壁1a完全形成。因此，用于制造外周管状壁1a的层的数目大于使得能够制造环圈1c的层的数目。

图6a、6b、6c示意性地示出了在穿孔2的水平面处制造外周管状壁1a的连续步骤。

穿孔的形状和布置使得每个制造的层使得能够在连续的步骤中支撑下一个层。这是因为基体材料在连续的层中的成形首先产生V形的开口，从V形形状的尖端开始，材料不在V的两个腿部之间成形(图6a)。随后，材料在V的腿部之间连续地成形，使得每个新的层更紧密地些许封闭形状V形形状的开口(图6b)，直到开口完全封闭并形成多边形穿孔2(图6c)。

构成外周管状壁1a的层在局部具有大于第二厚度的厚度以构成凸台6。

最后，基体材料被成形以构成呈被截断的环形逗号的形状的新的层，所述新的层在内部面上具有多个凸起，该凸起由梁7的位于梁的所谓的竖直侧部7b和倾斜侧部7c的交点处的部分构成。

在一系列的多个第三成形材料层成形之后，梁7完全成形，梁部分7的厚度随着每个新的层而增加，直到达到直线d，因此产生套管1的底部壁1b，还考虑到用于局部地使梁7凹入的可能的凹槽9。

Claims (10)

1.用于涡轮机分配器的管状的通风套管(1)，特别地，所述涡轮机分配器用于飞行器，所述套管具有沿轴线(A-A)的大致细长的形状，并且包括围绕该轴线穿孔的管状壁(1a)，所述套管的轴向端部中的一个敞开，并且另一个由底部壁(1b)封闭，其特征在于，当所述套管(1)由增材制造来制造时，所述套管还包括支撑梁(7)，这些梁(7)在所述套管(1)内侧于所述管状壁(1a)和所述底部壁(1b)之间延伸，并且具有呈大致三角形形状的纵向横截面，所述梁的两个侧部分别连接到所述管状壁(1a)和所述底部壁(1b)，并且所述梁的最后一个侧部是自由的并在所述套管内侧延伸，在所述管状壁(1a)中的穿孔(2)被设置在所述支撑梁(7)之间。

2.根据前述权利要求中的一项所述的套管(1)，其中，在所述梁的连接到所述底部壁(1b)的侧部的水平面处，每个梁(7)具有比所述梁的其余部分的材料厚度更厚的材料厚度。

3.根据前述权利要求中任一项所述的套管(1)，其中，所述梁(7)基本上覆盖了底部壁(1b)的整个内部表面。

4.根据前述权利要求中任一项所述的套管(1)，其中，所述梁(7)被分成两个系列，所述两个系列的梁分别在所述底部壁(1b)中延伸的直线(d)的两侧上延伸，每个梁具有部分地位于该直线的水平面处的端部。

5.根据前述权利要求中任一项所述的套管(1)，其中，所述管状壁(1a)包括多边形形状的穿孔(2)，例如正方形形状或菱形形状的穿孔。

6.根据前一项权利要求所述的套管(1)，其中，所述穿孔(2)基本上相同，并且被布置成使得所述穿孔的顶点中的一个朝向所述底部壁(1b)的侧部。

7.根据前一项权利要求所述的套管(1)，其中，所述底部壁(1b)在所述套管(1)的外侧包括，用于使所述梁(7)部分地凹入的凹槽(9)。

8.用于飞行器涡轮机的涡轮分配器(10)，所述涡轮分配器包括通过管状叶片连接在一起的内部平台(3)和外部平台(4)，在所述管状叶片中安装有根据权利要求1至7中任一项所述的套管(1)。

9.包括根据权利要求8所述的涡轮分配器(10)的飞行器涡轮机。

10.用于制造根据权利要求1至7中任一项所述的套管(1)的方法，包括在支撑部上对所述套管进行增材制造，增材制造从制造敞开的端部开始，并且以所述套管的封闭的端部结束。

Images