此發(fā)明涉及用于發(fā)動機構(gòu)件的改進設計，其包括形成在發(fā)動機殼內(nèi)的夾心結(jié)構(gòu)中的內(nèi)部冷卻通道。本發(fā)明提供優(yōu)化的結(jié)構(gòu)以提供以下特征中的一者或多者：結(jié)構(gòu)完整性、熱-機械負載承載能力、彎曲、封閉、冷卻流壓降、改進的溫度梯度以及最終改進的構(gòu)件壽命。

背景技術：

燃氣渦輪發(fā)動機包括若干區(qū)段，其包括容納在發(fā)動機殼體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)葉片。如果旋轉(zhuǎn)葉片斷裂，其必定容納在發(fā)動機殼體內(nèi)。為了保證斷裂的葉片不擊穿殼體，殼體的壁已經(jīng)制造得相對厚和/或利用纖維織物增強。減少重量和增強lpt殼的方案已經(jīng)依靠增材制造技術來制備用于帶有中間層的殼的夾心結(jié)構(gòu)，中間層是多孔結(jié)構(gòu)和/或蜂巢結(jié)構(gòu)。參見美國專利申請公開號2014/0161601。這些設計在發(fā)動機殼的內(nèi)壁和外壁之間提供內(nèi)部多孔或蜂巢結(jié)構(gòu)，其設計成增加強度同時減小發(fā)動機殼的重量。這些設計依靠外部管路來冷卻復合發(fā)動機殼。

燃氣渦輪發(fā)動機使用主動間隙控制(acc)外部管路配置以將較冷空氣提供至發(fā)動機殼的表面。如圖1中所示，外部管路101將冷卻空氣提供至發(fā)動機殼的外側(cè)。此類型的冷卻系統(tǒng)在噴氣式飛機發(fā)動機的低壓渦輪機(lpt)區(qū)段中是典型的。如圖2中所示，外部冷卻管路101引導來自歧管202的空氣以助于維持發(fā)動機殼的合適溫度，且在操作期間提供合適的轉(zhuǎn)子/殼間隙。外部管路101、102以及副管路管、支架和閥的復雜性增加了制造成本且增加了發(fā)動機的重量。存在對具有較低重量、增加的強度、增加的冷卻效率、減少的冷卻流以及增加的鉤密封效率的發(fā)動機殼的需要。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及改進的發(fā)動機構(gòu)件，其中該構(gòu)件包括環(huán)形區(qū)段，環(huán)形區(qū)段包括第一實心壁區(qū)域和第二實心壁區(qū)域。內(nèi)部區(qū)域設在第一實心壁區(qū)域和第二實心壁區(qū)域之間。內(nèi)部區(qū)域限定至少一個腔，且該腔包括控制穿過該區(qū)段的冷卻劑空氣的流的一個或多個格狀結(jié)構(gòu)。在一個實施例中，第一實心壁區(qū)域和第二實心壁區(qū)域占發(fā)動機構(gòu)件的厚度的20％±10％，且內(nèi)腔占發(fā)動機構(gòu)件的厚度的60％±20％。發(fā)動機構(gòu)件可為噴氣式飛機發(fā)動機的低壓渦輪區(qū)段的殼。

在本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明允許在發(fā)動機殼的內(nèi)部區(qū)域內(nèi)從主動間隙控制系統(tǒng)和/或輔助空氣系統(tǒng)提供冷卻空氣。設在內(nèi)腔內(nèi)的格狀結(jié)構(gòu)可設計成在發(fā)動機殼的特定部分中提供期望的壓降。

技術方案1.一種發(fā)動機構(gòu)件，包括：

環(huán)形區(qū)段，所述環(huán)形區(qū)段包括第一實心壁區(qū)域和第二實心壁區(qū)域；

所述第一實心壁區(qū)域和第二實心壁區(qū)域之間的內(nèi)部區(qū)域，其中所述內(nèi)部區(qū)域限定至少一個腔，且所述腔包括控制穿過所述區(qū)段的冷卻劑空氣的流的一個或多個格狀結(jié)構(gòu)。

技術方案2.根據(jù)前述技術方案中任一項所述的發(fā)動機構(gòu)件，其中，所述第一實心壁區(qū)域和第二實心壁區(qū)域占所述發(fā)動機構(gòu)件的厚度的20％±10％，且所述內(nèi)腔占所述發(fā)動機構(gòu)件的厚度的60％±20％。

技術方案3.根據(jù)前述技術方案中任一項所述的發(fā)動機構(gòu)件，其中，所述發(fā)動機適合于在所述內(nèi)部區(qū)域內(nèi)從主動間隙控制系統(tǒng)提供冷卻空氣。

技術方案4.根據(jù)前述技術方案中任一項所述的發(fā)動機構(gòu)件，其中，所述發(fā)動機適合于在所述內(nèi)部區(qū)域內(nèi)從輔助空氣系統(tǒng)提供冷卻空氣。

技術方案5.根據(jù)前述技術方案中任一項所述的發(fā)動機構(gòu)件，其中，所述內(nèi)部區(qū)域包括至少第一冷卻區(qū)域和第二冷卻區(qū)域。

技術方案6.根據(jù)前述技術方案中任一項所述的發(fā)動機構(gòu)件，其中，所述發(fā)動機適合于在所述第一冷卻區(qū)域內(nèi)從主動間隙控制系統(tǒng)提供冷卻空氣，且所述發(fā)動機適合于在所述第二冷卻區(qū)域內(nèi)從輔助空氣系統(tǒng)提供冷卻空氣。

技術方案7.根據(jù)前述技術方案中任一項所述的發(fā)動機構(gòu)件，其中，所述格狀結(jié)構(gòu)適合于結(jié)構(gòu)地支撐所述發(fā)動機構(gòu)件且跨過所述腔提供期望的壓降。

技術方案8.根據(jù)前述技術方案中任一項所述的發(fā)動機構(gòu)件，其中，所述格狀結(jié)構(gòu)適合于結(jié)構(gòu)地支撐所述發(fā)動機構(gòu)件且跨過所述腔提供期望的壓降。

技術方案9.根據(jù)前述技術方案中任一項所述的發(fā)動機構(gòu)件，其中，所述發(fā)動機構(gòu)件是發(fā)動機殼。

技術方案10.根據(jù)前述技術方案中任一項所述的發(fā)動機構(gòu)件，其中，所述發(fā)動機構(gòu)件是低壓渦輪發(fā)動機的發(fā)動機殼。

技術方案11.根據(jù)前述技術方案中任一項所述的發(fā)動機構(gòu)件，其中，跨過所述第一區(qū)域的壓降大于跨過所述第二區(qū)域的壓降。

附圖說明

圖1示出了常規(guī)低壓渦輪發(fā)動機殼的截面。

圖2示出了常規(guī)低壓渦輪發(fā)動機殼的側(cè)視圖。

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有內(nèi)部冷卻通道的發(fā)動機殼的截面。

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的設計用于封閉的具有內(nèi)部冷卻通道的發(fā)動機殼的截面。

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的設計用于彎曲的具有內(nèi)部冷卻通道的發(fā)動機殼的截面。

圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的設計用于減小的冷卻流壓降的具有內(nèi)部冷卻通道的發(fā)動機殼的截面。

圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的低壓渦輪發(fā)動機殼的一部分的局部放大截面，示出了內(nèi)部冷卻通道。

圖8示出了內(nèi)部冷卻通道沿圖7中所示的低壓渦輪發(fā)動機殼的軸線b-b的截面，其中格狀設計與冷卻劑流的方向?qū)省?/p>

圖9示出了內(nèi)部冷卻通道沿圖7中所示的低壓渦輪發(fā)動機殼的軸線b-b的截面，其中格狀設計相對于冷卻劑流的方向?qū)省?/p>

圖10a示出了不同的內(nèi)部冷卻通道設計如何影響穿過根據(jù)本發(fā)明的實施例的內(nèi)部通道的冷卻空氣流。

圖10b示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)的設計如何促成剛度和用于冷卻劑流的減小的壓降。

圖11示出了內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)可如何設計用于發(fā)動機殼內(nèi)的多個流，包括旁通空氣流和高壓輔助空氣系統(tǒng)(sas)流。

圖12示出了發(fā)動機殼的截面，其中冷卻空氣引入發(fā)動機殼的中心部分中且在殼的兩端附近排出冷卻空氣。

圖13是圖12的lpt發(fā)動機殼的軸向視圖，示出了冷卻空氣的三個引入點以及沿著發(fā)動機殼的長度的空氣的流路。

圖14示出了發(fā)動機殼的截面，其中冷卻空氣在發(fā)動機殼的后部區(qū)段處引入且從殼的前部排出。

圖15示出了發(fā)動機殼的截面，其中冷卻空氣沿發(fā)動機殼的長度在三個不同的級中引入和排出。

具體實施方式

以下詳細描述作為示例而非作為限制闡述了用于低壓渦輪(lpt)發(fā)動機的內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)。例如，本發(fā)明可在其他發(fā)動機部分中實施以用于殼冷卻，諸如高壓渦輪(hpt)、高壓壓縮機(hpc)、渦輪中心框架(tcf)以及燃燒器。描述應當能夠清楚地使本領域普通技術人員制造和使用內(nèi)部冷卻通道，且描述闡述了若干實施例、修改、變化、替代，以及內(nèi)部冷卻通道的使用，包括目前認為的其最佳模式。本文描述的內(nèi)部冷卻通道應用于幾個優(yōu)選實施例，即，用于lpt發(fā)動機殼的內(nèi)部冷卻通道的不同實施例。然而，構(gòu)想的是，除了用于渦輪發(fā)動機的lpt殼的內(nèi)部冷卻通道之外，內(nèi)部冷卻通道以及制造內(nèi)部冷卻通道的方法可在寬范圍的系統(tǒng)和/或多種商業(yè)、工業(yè)和/或消費者應用中具有普遍應用。

內(nèi)部冷卻通道通過增材技術利用夾心結(jié)構(gòu)制造以減小重量而保持與現(xiàn)有構(gòu)造相同的負載承載能力?，F(xiàn)有發(fā)動機殼的厚度可分成兩個外區(qū)段和一個內(nèi)區(qū)段。如圖3中所示，大體設計是將一個或多個內(nèi)部冷卻流路301放置在發(fā)動機的lpt殼300內(nèi)。在一個實施例中，內(nèi)部冷卻流路301占殼的厚度的大約60％，其中厚度的剩余部分40％在內(nèi)部流路301的每一側(cè)上在殼300的壁之中拆分。然而，如圖4-圖6中所示，流路與殼的相對厚度可修改以實現(xiàn)特定目的，且還可沿發(fā)動機殼的長度變化，如結(jié)合圖10論述的那樣。內(nèi)部冷卻通道設有格狀結(jié)構(gòu)，其促成發(fā)動機殼的強度同時允許足夠的空氣通道(以及相應的低壓降)以允許冷卻空氣流過發(fā)動機殼。阻塞的量可從20％變化至80％、更優(yōu)選地從40％變化至60％、且最優(yōu)選地大約50％。

在封閉是期望的目的的情況下，諸如在渦輪葉片的區(qū)域中，朝渦輪葉片面向內(nèi)的發(fā)動機殼壁402可占殼的厚度的35％，而外壁403可占殼的厚度的5％，留下發(fā)動機殼厚度的60％用于內(nèi)部冷卻劑流路。參見圖4。在發(fā)動機殼設計成防止發(fā)動機殼的彎曲的區(qū)域中，內(nèi)壁502可占殼厚度的5％，而外壁503占殼的厚度的35％。再一次，殼厚度的60％保留以用于內(nèi)部冷卻通道。參見圖5。在期望增加冷卻流壓降的情況下，內(nèi)壁602和外壁603可分別設計成占殼的厚度的10％，留下殼厚度的80％用于內(nèi)部冷卻流路601。參見圖6。

圖7示出了低壓渦輪殼的一部分的截面，包括具有內(nèi)壁702和外壁703以及內(nèi)部冷卻通道701的環(huán)形lpt殼700。內(nèi)部冷卻通道701可貫穿殼700延伸，且如果期望，延伸到與罩706的前唇705接合的前鉤區(qū)域704中。如圖7中所示，本發(fā)明可整體結(jié)合到具有通道707的發(fā)動機殼中，通道707允許殼700和罩706之間的空氣流。內(nèi)部冷卻通路沿軸線b-b設在發(fā)動機殼700內(nèi)。格狀結(jié)構(gòu)內(nèi)的流可用于吹掃/密封流路的導葉-鉤區(qū)域704。這減少了泄漏，改進了熱梯度，且增加了lpt的效率，且改進了發(fā)動機殼體壽命。如圖8和圖9中可見，內(nèi)部冷卻通道701包括可相對于冷卻空氣流具有變化的定向的結(jié)構(gòu)。例如，圖8示出了與冷卻流對準的結(jié)構(gòu)，而圖9示出了與冷卻流相對的結(jié)構(gòu)。

如圖10中所示，它是穿過不同類型的格狀結(jié)構(gòu)的冷卻流的頂視圖。在區(qū)域1001中，格狀結(jié)構(gòu)設計成限制流且給殼提供增強結(jié)構(gòu)支撐，這增加了穿過此區(qū)域的壓降。增加的壓降還可從如圖9中所示的約束流的格定向獲得。在區(qū)域1002中，由于使用促進流的格狀結(jié)構(gòu)(圖8)，壓降減小。結(jié)合圖6描述的內(nèi)部冷卻劑流路的相對厚度的增加也可用于提供較低壓降。

存在用于設在內(nèi)部冷卻通路內(nèi)的格狀結(jié)構(gòu)的若干可能的設計。不同的格狀設計允許優(yōu)化設在內(nèi)部冷卻通路內(nèi)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的多孔性和強度。不同的格類型可為任何類型的期望的網(wǎng)格：高剛度網(wǎng)格、蜂巢或球基拓撲。網(wǎng)格型式可使用在http：//www.withinlab.com/case-studies/new_index10.php處描述的產(chǎn)品內(nèi)的提供。格狀設計可匹配殼的外表面，同時為格提供中空內(nèi)部或空隙。內(nèi)部格提供內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)以承載結(jié)構(gòu)負載和熱負載。因為發(fā)動機殼使用增材制造技術制備，故用在內(nèi)部冷卻通路內(nèi)的特定結(jié)構(gòu)可為任何期望的型式。通過在內(nèi)腔內(nèi)配置格狀結(jié)構(gòu)，對殼的結(jié)構(gòu)剛度的需要可相對于冷卻劑腔內(nèi)的期望的壓降平衡。

在一個實施例中，發(fā)動機殼的內(nèi)腔分成兩個或更多不同的冷卻劑通道，如圖11中所示的那樣。在一個實施例中，用于冷卻的旁通空氣1101可傳送到第一內(nèi)腔中，且較高壓力輔助空氣系統(tǒng)(sas)空氣1102可傳送到第二腔中。在一個實施例中，用于冷卻的輔助空氣系統(tǒng)(sas)的使用被最小化。格狀結(jié)構(gòu)被優(yōu)化以傳遞用于殼冷卻且維持轉(zhuǎn)子/殼間隙的冷卻流。

在一個實施例中，主動間隙控制(acc)冷卻流沿格狀結(jié)構(gòu)傳送到兩個層之間以控制lpt末梢間隙，因此利用外部acc管路配置替代現(xiàn)有的實心殼。在此實施例中，用于冷卻lpt發(fā)動機中的實心殼的外部管路通過在殼中使用內(nèi)部冷卻通道被部分地或整體地替代。在此配置中，acc冷卻流可與來自輔助空氣系統(tǒng)(sas)的較高壓力空氣結(jié)合，以便達到系統(tǒng)的冷卻和間隙目的。在此情況下，特定的冷卻劑通路和格狀結(jié)構(gòu)設計成引起系統(tǒng)中的壓降且優(yōu)化sas。在一個實施例中，acc冷卻流傳送穿過平面1101，且sas流傳送穿過平面1102，如圖11中所示的那樣。在此情況下，acc流用于優(yōu)化葉片間隙和殼溫度，而sas流用于吹掃/密封如圖7中所示的流路的導葉-鉤區(qū)域704。

在一個優(yōu)選實施例中，冷卻空氣在冷卻管1201處在殼的中心附近引入至lpt殼，如圖12中所示的那樣。冷卻空氣然后沿殼的軸向方向朝各自行進穿過殼的內(nèi)部冷卻通路且在殼的前部1202和后部1203處離開。如圖13中所示，它是沿殼的軸向方向的前視圖，冷卻空氣在三個冷卻管位置1201、1204和1205處引入，且冷卻空氣的一部分朝殼的前部行進且在區(qū)域1202處排出。圖12-圖13中所示的冷卻方案在減小壓降和使附接至發(fā)動機殼的冷卻空氣供應線路的數(shù)量最小化方面是有利的。其它配置也是可能的。在圖14中，冷卻供應管1401放置在殼的后部處，且冷卻空氣行進殼的整個長度且在殼的前部1402處排出。在此情況下，跨過殼的壓降大于圖12-圖13中所示的實施例。在圖15中，使用三個單獨的冷卻管1501、1502和1503，且冷卻空氣在區(qū)域1502、1504和1506處排出。此實施例提供較低壓降，但需要發(fā)動機殼周圍的額外管。

具有集成冷卻的部分(例如lpt發(fā)動機殼)可根據(jù)增材打印技術制造，包括選擇性激光燒結(jié)(sls)、直接金屬激光燒結(jié)(dmls)以及三維打印(3dp)。材料可包括不銹鋼、鋁、鈦、inconel625、inconel718、鈷鉻合金以及其他金屬材料。在這些粉末基制造方法的每一種中，粉末材料熔化或燒結(jié)以形成每個部分層。具有集成冷卻的大的部分的增材制造可使用諸如2015年6月19日提交的名稱為″additivemanufacturingapparatusandmethodforlargecomponents″的美國專利申請第14/744982號中描述的設備和方法完成。以上任何技術可用于形成本發(fā)明的具有集成冷卻的部分。

低壓渦輪(lpt)殼的示例性實施例及制造其的方法在上文詳細描述。該方法和系統(tǒng)不限于本文描述的特定實施例，相反，該方法和系統(tǒng)的構(gòu)件可從本文描述的其它構(gòu)件獨立且單獨地使用。例如，本文描述的方法和系統(tǒng)可具有其它工業(yè)和/或消費者應用，且不限于僅與如本文描述的燃氣渦輪發(fā)動機一起實踐。相反，本發(fā)明可結(jié)合很多其它的工業(yè)來實施和使用。雖然本發(fā)明已經(jīng)關于各種特定實施例描述，但本領域技術人員將認識到的是，本發(fā)明可帶有權利要求的精神和范圍內(nèi)的修改來實踐。