CN115698592A

CN115698592A - 通过增材制造来生产复杂部件

Info

Publication number: CN115698592A
Application number: CN202180040681.2A
Authority: CN
Inventors: 金-保尔·迪迪埃·奥特雷特; 托马斯·塞巴斯蒂恩·亚历山大·格雷西; 斯泰凡·拉维格诺泰; 尼库拉斯·罗兰德·久伊·萨瓦里
Original assignee: Safran Helicopter Engines SAS
Current assignee: Safran Helicopter Engines SAS
Priority date: 2020-06-15
Filing date: 2021-06-09
Publication date: 2023-02-03
Also published as: US20230258337A1; EP4165347A1; US11988385B2; FR3111414B1; WO2021255364A1; FR3111414A1

Abstract

本发明提出并排延伸的桥接部(9)将燃气透平机的燃烧腔室的径向内壁(5)和径向外壁(3)朝向所述径向内壁(5)的自由端(5a)而连接成一个整体件，整体具有增材层结构。

Description

通过增材制造来生产复杂部件

技术领域

本发明涉及在航空透平机(aeronautic turbomachines)的领域中通过增材制造来生产相当复杂的部件。

因此，其涉及通过增材制造来生产燃气透平机的燃烧腔室的至少一个部分。

此生产可尤其通过增材制造来在粉末床上执行。

背景技术

增材制造使得有可能制造具有相对复杂几何形状的部件，而没有例如与使用模具相关联的限制。然而，此制造方法仍受到制造所需的时间量、高额制造成本以及涉及其实施方案的一些困难的限制。

FR3041889和EP3002212提出用于通过增材制造，尤其在粉末床上生产部件的技术方案。此处可应用这些生产技术的细节。

在此大体情形下，本发明的主题具体地涉及通过此方法生产燃气透平机的燃烧腔室的至少一个部分。

为了保护壁不受热量的影响，已知在此燃烧腔室中建立空气膜是有效的。此膜可通过供应有横穿一个壁的空气通道(通常被称作孔)的短长度的双层壁获得。双层壁引导空气沿着待以更均匀方式保护的表面。

用于形成燃烧腔室的此类区的现有技术方案由以下组成：独立地制造将从燃烧腔室的实际主体的外壁限定内部内衬壁的一件薄片金属，接着通过将此件薄片金属熔接或焊接到所述主体同时维持间隙以确保空气膜而进行组装。

这迫使锅炉对待组装的部件起作用以正确地定位所述部件。

在组装之后，需要校准操作以使得壁之间的间隔适合于确保空气膜的均匀流动。

这些操作直接影响成本和生产周期。

本发明的目标是解决至少一些前述问题。

发明内容

为了改进所述情况，本文件提出一种用于通过增材制造来生产航空透平机的燃烧腔室的至少一个部分的方法，所述航空透平机围绕轴线(在下文中被称作X1)延伸且包括径向外壁，所述径向外壁局部地加衬有径向内壁以在其间形成用于产生空气膜的中间空间，特别地，此方法的特征在于从下到上且通过增材制造来执行：

-同时，通过沉积一连串材料层产生所述径向外壁的下部部分，继续所述材料层的沉积以在所述下部部分上构建桥接部，所述桥接部彼此紧邻地建立直到所述桥接部的顶部，其中

-继续所述材料层的沉积以产生所述径向内壁，同时继续构建所述径向外壁，并且

-继续材料层的沉积，至少直到所述径向外壁的下部部分与位于所述桥接部的相对处的径向内壁端接合为止。

因此，在上游端处，所述径向内壁将接合所述径向外壁。

可围绕燃烧腔室的底座的此上游连接端是重要的。

实际上，以此方式将有可能在与径向外壁相同的部分中产生径向内壁，而制造方向不允许制造悬挂式壁。

制造出形成一连串桥接部的这些支撑件或支柱会变得容易。

“径向”意味着相对于轴线X1的径向。径向外壁在此方向上相比于径向内壁而更远离轴线X1。

如果进一步提出借助于激光在金属粉末床上实行增材制造，那么以此方式布置的桥接部使得有可能耗散激光的能量且获得构建径向内壁所必需的金属的固化。

如果还提出径向外壁和径向内壁在其连接端之间分别延伸到径向外壁和桥接部的径向内壁的长度的一部分上方彼此平行，那么能量耗散的此效应、接着分别在所述径向外壁与径向内壁之间的空间中的良好空气流可能甚至更好。

这并不阻止其在燃烧腔室的上游侧彼此连接(接合)，两个壁相对于轴线X1而倾斜，并且因此朝向上游而移动得更接近此轴线X1，其中径向外壁朝向上游端具有更陡斜面(在下文的图2中，面30b可几乎垂直于轴线X1)。

径向外壁的此更陡斜面(在下文中，其可因此在面30b的位置处)可属于燃烧腔室的底座，所述底座在燃烧腔室的上游端处沿着轴线X1定位、与以轴线X1为中心的开口轴向相对，所述燃烧腔室在下游端处围绕轴线X1而具有所述开口以用于从燃烧腔室中的燃烧排出热气。

为了使燃烧空气和/或燃料(先验燃料油)进入燃烧腔室中，前述底座可为环形的，其具有以轴线X1为中心的中心通道。

垂直于所述轴线X1，此中心通道的截面小于用于排出热气的开口的截面。

增材制造还使得有可能通过在制造下部燃烧腔室区之后继续沉积所述材料层，如上文所解释，环形地围绕所述轴线(X1)而连续地产生：

-径向外壁，

-径向内壁，以及

-桥接部，其朝向与所述径向内壁接合所述径向外壁之处相对的径向内壁的端部而彼此紧邻地布置：

--通过围绕所述轴线(X1)分别制造(这些壁的其它部分的)所述径向外部和径向内部多边形壁，并且

--通过倾斜所述桥接部以使得所述桥接部与这些桥接部所位于的多边形的侧边成横向地分别在所述径向外壁与径向内壁之间延伸。

因此，通过倾斜所考虑的桥接部，其将能够分别在所述径向外壁与径向外壁之间延伸，至少对于一些来说，未必以垂直的方式，而是以相对于有关侧边而倾斜的方式(倾斜)延伸。可能存在除了90°之外的角度，例如在10°与80°之间的角度。

为了将空气供应到在径向外壁与径向内壁之间产生的空间，具有径向外壁中的可通向此空间中的开口是有用的。

这些开口中的至少一些的定向将完全平行于所述轴线(X1)以用于高效空气吹扫。

另外，本发明的方法还涉及一种燃气透平机的燃烧腔室，其分别包括围绕所述轴线(X1)的径向外壁和径向内壁，所述壁具有局部内衬，以在其间形成能够产生空气膜的中间空间。

更精确地说，本发明涉及一种燃气透平机的燃烧腔室，其具有轴线(X1)，所述燃烧腔室沿着所述轴线具有上游侧和下游侧，所述燃烧腔室包括围绕所述轴线(X1)的径向外壁，所述径向外壁局部地加衬有径向内壁，两个壁彼此间隔开以在其间形成能够产生空气膜的中间空间，其进一步具有以下特征：

-彼此紧邻地延伸的单个桥接部将所述径向内壁和所述径向外壁朝向所述径向内壁的自由端而连接(接合)成一个整体件，并且

-分别为径向外壁和径向内壁的两个壁：

--在上游侧上(因此朝向与所述自由端相对的端部)彼此连接(接合)，

--并且因此相对于被视为在向上游定向的方向上的轴线(X1)而倾斜，朝向所述轴线(X1)，所述径向外壁具有朝向所述上游接合侧端的比在下游更陡的斜面。

因此，相对于所述轴线(X1)，所述径向外壁有利地朝向其上游连接端具有比朝向所述自由端的更下游更陡的斜面。

当然，应理解，上文的“上游连接端”是径向外壁的(上游)端，其中后者将上游连接端连接/接合到径向内壁的上游连接端。

进一步地在其相应的“上游连接端”的下游，径向内壁和径向外壁可有效地变为大体上平行，因此避免在径向内壁的自由端处的所谓的中间空间且因此避免不合适的空气膜，这是因为其占据的空间太小。

在此燃烧腔室的特征当中，应注意，并排延伸的单个桥接部将径向内壁和径向外壁连接到径向内壁的自由端：

-连接成一个整体件，和/或

-以使得通过堆叠连续层来获得所述桥接部和至少局部地所述径向内壁和所述径向外壁；

此技术通常被称作“增材层结构”。

如上文所提及，这应改进关于至少一些前述缺点的情形。

表述“具有增材层结构”具有成一个整体件的含义，也有“由增材制造产生”的含义，具有此制造特有的物理化学结构并且可通过此结构的物理化学分析来辨识且因此区别于铸造或注入的制造过程。

为了促成连续周边(围绕轴线X1)以用于支撑膜壁和空气的均匀通过，进一步提出在此燃烧腔室上，在其连接到径向内壁的一个端部处，桥接部向外展开：

-直到其成对地接触，和/或

-成小于150°或在120°与160°之间的角度。

再次，为了促成空气的均匀通过，还提出：

-围绕所述轴线(X1)，所述径向外壁和径向内壁分别具有多边形面，并且

-垂直于所述桥接部连接所述径向内壁和径向外壁所处的方向，并且垂直于所述径向内壁和径向外壁围绕所述轴线(X1)延伸所处的方向，所述桥接部为细长的并且各自具有双重斜面端。

关于用于所述径向外壁中的空气的开口，所述开口在所述径向外壁与径向内壁之间开放，甚至提出：

-所述开口沿着若干平行线而形成于所述径向外壁的若干面上，和/或

-所述开口分别具有凸五边形形状。

最后，本发明还涉及一种航空透平机，其包括具备所有或部分以上特征的燃烧腔室。

关于增材制造，此技术包含通过添加或聚结材料、通过堆积连续层来按体积制造部件的方法。通过使用计算机辅助设计，特定软件组织制造部件所需的切割成片的各种层。使用若干材料可使得有可能获得具有为零和/或受控制的热膨胀或其它物理性质的部件。可提供热等静压、冷等静压或真空致密化等静压的步骤以获得部件，所述部件尤其不具有非所要的各向异性或孔隙度。所述部件可包括金属合金和/或陶瓷材料。

附图说明

[图1]图1描述根据本发明的技术方案的可能实施例，其示出在透视和轴向截面(轴线X1)中的航空透平机的燃烧腔室的上游下部部分。

[图2]图2描述根据沿箭头IIe所见的图1的截面。

[图3]图3描述根据沿箭头III所见的图1的截面。

[图4]图4表示沿箭头IV所见的图1的视图。

[图5]图5是以上燃烧腔室的粗略轴向横截面。

具体实施方式

在以下描述中，相同附图标记表示相同部分或具有类似功能的部分。

因此，本发明的主题是航空(燃气)透平机的燃烧腔室，其在图式(尤其图5)中标记为1。

众所周知，此燃烧腔室1插入在压缩机与涡轮机(turbine)之间，所述压缩机相对于透平机中的燃气流的总体方向而在上游，所述涡轮机在下游。

在上游，空气和燃料注入系统向燃烧腔室供应空气和燃料。来自压缩机的上游空气的一部分被引导通过注入系统以用于形成沿着轴线X1注入的燃料混合物。混合物穿过燃烧腔室内部的发生燃烧反应的主要区，然后所产生的气体在次要区中，进一步在下游稀释且冷却，并且分布到其驱动的涡轮机。

X1也是燃烧腔室1从上游延伸到下游所围绕的轴线。

因此，燃烧腔室1沿着轴线X1在上游端处具有由在中心的中心通道横穿的底座，并且在下游端处具有热气排放开口，参见图5。

如还可在图5中所见，垂直于轴线X1，中心通道的截面优选地小于热气排放开口的截面。

配备有燃烧腔室1的燃气透平机可为双通量和双体涡轮喷气发动机，其从上游(AM)到下游(AV)具备风扇、低压压缩机、高压压缩机和环形燃烧腔室、高压涡轮机和低压涡轮机。

如特别在图1中示出，燃烧腔室1包括围绕轴线X1的局部地加衬有径向内壁5的径向外壁3。

因此，在径向外壁3与径向内壁5之间存在中间空间7。可在壁之间产生空气膜。

为了在与径向外壁3相同的部分中制造径向内壁5，略过形成悬挂式壁的问题，彼此紧邻地延伸的单个桥接部9将径向内壁5和径向外壁3朝向径向内壁5的自由端5a而连接成一个整体件。

换句话说，至少局部地，如在燃烧腔室1(图5)的下部区10中，桥接部9以及径向内壁5和径向外壁3被制成一个整体件并且具有共同的增材层结构。

为了促成周边(围绕轴线X1)的连续性以用于支撑(用于所述下部区10的支撑件)径向内壁5以及中间空间7中空气的均匀通过，可为有用的是存在桥接部9，所述桥接部在其连接到径向内壁5所处的一个端部(或顶部)9a处向外展开。

特别地，桥接部9可向外展开：

-直到其成对地接触(区11，图3)，和/或

-成小于150°或在120°与160°之间的角度A。

这是在增材制造容量与待实现的机械效应之间的折中办法。

为了进一步促成均匀空气流(相当稳定)，可取的是：

-围绕轴线X1，所述径向外壁3和径向内壁5具有多边形面(参见图4)，并且

-也就是说，垂直于桥接部9连接所述内壁5和外壁3所处的方向，并且垂直于这些壁3和5围绕所述轴线X1延伸所处的方向(Y1)，桥接部9为细长的(方向Xp，图1)并且具有双重斜面端9b1、9b2。

锥形端9b1、9b2为空气动力的，并且桥接部9稳定从上游到下游的空气流，所述桥接部的长度(方向Xp)比其宽度更长。

在径向外壁3中将开口13设置到中间空间7中将会确保循环，所述循环有助于沿着径向外壁3的内侧产生所需空气膜。

关于这些开口13，甚至提出：

-其优选地沿着彼此平行的若干线而形成于径向外壁3的例如30a、30b等多个面上，和/或

-其分别具有凸五边形的形式(参见图1)。

每一凸五边形的具有双斜面的凸面部分13a优选地定位成比五边形的其它侧边更靠近轴线X1。

因此，有用的是使适用于增材制造的壁3、5的多边形面设计和围绕轴线X1分布的开口13的分布与优化的机械强度(凸五边形形状)相关联。

关于生产燃烧腔室的至少一个部分，例如部分1，应注意，特别关注的是，由于增材制造，所述生产从下到上(分别L和H以及箭头，图2)进行。

因此，在通过沉积一连串材料层来产生所述径向外壁3的下部部分30(下部区10)的同时，继续此类材料层的沉积以建立在所述下部部分桥接部9上，所述桥接部接着彼此紧邻地设置直到这些桥接部的顶部9a。

此时，可继续材料层的沉积以产生(开始产生)径向内壁5，同时继续产生径向外壁3。

随着时间推移，连续地沉积所述材料层，至少直到径向外壁3的下部部分30与径向内壁5的与5a相对的端部5b会合(平行于轴线X1)在桥接部9所位于之处为止。

因此，在下部区10中，径向内壁5相对于轴线X1而倾斜且朝向其连接到径向外壁3的其端部5b而上升。

径向外壁3还相对于轴线X1而倾斜。

优选地，为了制造、机械强度和空气动力工作之间的折中，在此方面可取的是径向外壁3和径向内壁5在所述端部5a与5b之间延伸的径向内壁5的大部分长度L上方彼此平行。

在径向外壁3和径向内壁5的轮廓(闭合的，因此为周边)的其余部分上方，如果还使用前述制造技术，那么可取的是以相同方式进行以下操作：使两个壁3和5相对于轴线X1而倾斜，但在所述壁3、5的且因此燃烧腔室1的上部部分中具有相反的前进方向，即通过使径向内壁5从连接到径向外壁3的其端部5b朝向其自由端5a而升高，其中桥接部9将升高直到其连接到正在进行的层沉积将同时继续产生的径向外壁3为止。

在此方面，应注意，考虑到(在制造、机械强度和空气动力冲击之间的)折中，在继续沉积所述材料层的同时，围绕轴线X1而连续地产生径向外壁3、径向内壁5和桥接部9，所述桥接部接着朝向径向内壁5的自由端5a而彼此紧邻地布置：

-通过围绕轴线X1形成所述多边形径向外壁3和径向内壁5，并且

-通过倾斜桥接部9以使得所述桥接部与其所布置于的多边形的侧边(面)成横向地在所述径向外壁3与径向内壁5之间延伸：参见例如图2：桥接部9能够竖直地设置在径向外壁3的面30a与径向内壁5的大体上平行的面50a之间，这两个面相对于轴线X1而倾斜，在上游方向上接近此轴线X1。

此处，术语“横向”未必意味着垂直于有关侧边，也可以是相对于有关侧边而倾斜的。

Claims

1.通过增材制造来生产航空透平机的燃烧腔室的至少一个部分的方法，所述航空透平机的燃烧腔室围绕轴线(X1)延伸且包括径向外壁(3)，所述径向外壁局部地加衬有径向内壁(5)以在其间形成能够产生空气膜的中间空间(7)，所述方法的特征在于从下到上且通过增材制造来执行：

-同时，通过沉积一连串材料层产生所述径向外壁(3)的下部部分(30)，继续所述材料层的沉积以在所述下部部分上构建桥接部(9)，所述桥接部彼此紧邻地建立直到所述桥接部的顶部(9a)，其中

-继续所述材料层的沉积以产生所述径向内壁(5)，同时继续构建所述径向外壁(3)，并且

-继续材料层的沉积，至少直到所述径向外壁(3)的下部部分(30)与所述径向内壁的与所述桥接部(9)的位置相对的端部(5b)接合在一起为止。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在金属粉末床上执行增材制造。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述径向外壁(3)和所述径向内壁(5)在所述端部之间延伸的径向内壁的长度的一部分上方彼此平行。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过继续沉积所述材料层，环形地围绕所述轴线(X1)而连续地产生所述径向外壁(3)、所述径向内壁(5)和桥接部(9)，所述桥接部朝向与所述径向内壁(5)接合所述径向外壁(3)之处相对的径向内壁的端部(5a)而彼此紧邻地布置：

-通过围绕所述轴线(X1)制造所述多边形径向外壁(3)和径向内壁(5)，并且

-通过倾斜所述桥接部以使得所述桥接部与其所布置于的多边形的侧边成横向地在所述径向外壁与径向内壁之间延伸。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述径向外壁(3)中，制造在所述径向外壁(3)与所述径向内壁(5)之间开放的开口(13)。

6.燃气透平机的燃烧腔室，其具有轴线(X1)，所述燃烧腔室沿着所述轴线具有上游侧和下游侧，所述燃烧腔室包括围绕所述轴线(X1)的径向外壁(3)，所述径向外壁局部地加衬有径向内壁(5)以在其间形成能够产生空气膜的中间空间(7)，其特征在于彼此紧邻地延伸的单个桥接部(9)将所述径向内壁和所述径向外壁朝向所述径向内壁(5)的自由端(5a)而接合成一个整体件，所述径向外壁(3)和所述径向内壁(5)在上游侧朝向与所述自由端(5a)相对的端部而分别接合到彼此，并且因此相对于被视为在向上游定向的方向上的轴线(X1)而倾斜，朝向所述轴线(X1)，所述径向外壁具有朝向所述上游接合侧端的更陡斜面。

7.根据权利要求6所述的燃烧腔室，其特征在于，在所述桥接部(9)接合所述径向内壁(5)所处的端部处，所述桥接部向外展开直到其成对地接触和/或成小于150°或在120°与160°之间的角度。

8.根据权利要求6所述的燃烧腔室，其特征在于：

-围绕所述轴线(X1)，所述径向外壁(3)和径向内壁(5)具有多边形面，并且

-垂直于所述桥接部(9)接合所述径向内壁和所述径向外壁所处的方向，并且垂直于所述径向内壁(5)和径向外壁(3)围绕所述轴线(X1)延伸所处的方向，所述桥接部为细长的并且各自具有双重斜面端。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的燃烧腔室(1)，其在所述径向外壁(3)中具有在所述径向外壁与所述径向内壁之间开放的开口(13)。

10.根据权利要求6所述的燃烧腔室，其特征在于，所述开口根据多个平行线而形成于所述径向外壁(3)的多个面上，和/或分别具有凸五边形的形式。

11.航空透平机，其包括根据权利要求6至10中任一项所述的燃烧腔室(1)。