增材制造擋板、覆蓋物和模具的制作方法
【專利說(shuō)明】増材制造擋板、覆蓋物和模具
[0001]政府利益的聲明
[0002]美國(guó)政府對(duì)要求專利所有人許可他人通過(guò)美國(guó)海軍部授予的合同號(hào)N00019-02-C-3003的條款提供的合理?xiàng)l款擁有本發(fā)明的已付訖許可和有限情況下的權(quán)利。
[0003]發(fā)明背景
[0004]本發(fā)明涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)組件，并且特別涉及用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)組件的制造過(guò)程。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)使用一系列壓縮機(jī)和渦輪以使空氣通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)軸功率。每個(gè)壓縮機(jī)和渦輪將具有多個(gè)葉片和多個(gè)葉輪，其中轉(zhuǎn)動(dòng)葉片從由固定葉輪引導(dǎo)到其上的空氣中賦予或提取轉(zhuǎn)速。每個(gè)葉片和葉輪將具有成形為將氣流引導(dǎo)通過(guò)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的翼型件。每個(gè)葉片和葉輪也將具有外平臺(tái)和內(nèi)平臺(tái)，它們可附接到其它平臺(tái)以形成翼型件可在其之間延伸的結(jié)構(gòu)。
[0005]每個(gè)葉片和葉輪可在翼型件、外平臺(tái)和內(nèi)平臺(tái)中具有多個(gè)腔室。腔室可在翼型件中從第一端完全延伸通過(guò)第二端，或者腔室可延伸到外平臺(tái)或內(nèi)平臺(tái)中達(dá)限定距離。在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間，葉片和葉輪經(jīng)受極高溫度。高溫可超過(guò)用于構(gòu)造葉片和葉輪的合金的熔化溫度。為了防止由于極高溫度而對(duì)葉片和葉輪造成損壞，可使用通常由壓縮機(jī)虹吸的相對(duì)較冷空氣來(lái)冷卻葉片和葉輪。冷卻空氣可通入和通過(guò)翼型件中的腔室以在內(nèi)部冷卻翼型件。冷卻空氣也可通入和通過(guò)外平臺(tái)和內(nèi)平臺(tái)上的腔室以冷卻外平臺(tái)和內(nèi)平臺(tái)?？赏ㄟ^(guò)多種方法(包括沖擊冷卻)將冷卻空氣引導(dǎo)到并通過(guò)葉片和葉輪。
[0006]完全延伸通過(guò)翼型件的腔室可容納被設(shè)計(jì)為促進(jìn)沖擊冷卻的擋板，這增加了翼型件的冷卻。延伸到外平臺(tái)和內(nèi)平臺(tái)中達(dá)限定距離的腔室可容納也被設(shè)計(jì)為促進(jìn)沖擊冷卻的覆蓋物，這會(huì)增加外平臺(tái)和內(nèi)平臺(tái)的冷卻。擋板和覆蓋物的設(shè)計(jì)和制造是個(gè)耗時(shí)的過(guò)程。擋板和覆蓋物通常由金屬板制成并經(jīng)過(guò)加工過(guò)程以將其成形為裝配到葉片和葉輪的腔室內(nèi)部。加工過(guò)程通常包括大量復(fù)雜步驟。由于加工過(guò)程的復(fù)雜性，通常需要兩年的準(zhǔn)備時(shí)間來(lái)制造新?lián)醢搴透采w物設(shè)計(jì)。
發(fā)明概要
[0007]根據(jù)本發(fā)明，一種方法包括:(a)在工作臺(tái)上沉積粉末材料層，所述層具有一定厚度；(b)基于限定具有成形為裝配到燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)組件中的腔室中的主體的插入件的數(shù)據(jù)固化層的一部分；和(C)降低工作臺(tái)達(dá)所述厚度。然后可重復(fù)步驟(a)至(C)，直到插入件完成。然后可將插入件從工作臺(tái)上移除。
[0008]—種方法包括:(a)在工作臺(tái)上沉積粉末材料層，所述層具有一定厚度，(b)基于限定可在加工過(guò)程中使用的模具的數(shù)據(jù)固化所述層的一部分，和(C)降低工作臺(tái)達(dá)所述厚度。然后可重復(fù)步驟(a)至(C)，直到模具完成。然后可將模具從工作臺(tái)上移除。
[0009]插入件包括主體，其通過(guò)增材制造過(guò)程形成并成形為裝配到燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)組件中的腔室中；插入件的主體中的孔；和鄰近孔構(gòu)建以促進(jìn)組件的冷卻的局部堆積物。主體包括基本上是平的基座部分；從基座部分向上延伸的壁；和用于附接到燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)組件并從壁向外延伸的凸緣。
[0010]具有插入件的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)組件包括:主體，其具有在外平臺(tái)和內(nèi)平臺(tái)之間延伸的翼型件；腔室，其在外平臺(tái)或內(nèi)平臺(tái)中的至少一個(gè)上具有開(kāi)口 ；和插入件，其通過(guò)增材制造過(guò)程形成、放置在腔室中，其中在預(yù)先選定區(qū)域中具有局部堆積物以促進(jìn)組件的冷卻。
[0011]附圖簡(jiǎn)述
[0012]圖1是葉輪的透視圖。
[0013]圖2是具有擋板和覆蓋物的葉輪的透視圖。
[0014]圖3是沿圖2的線3-3截取的葉輪的側(cè)橫截面圖。
[0015]圖4是增材制造系統(tǒng)的橫截面透視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]—般情況下，本申請(qǐng)涉及用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)組件的插入件的制造過(guò)程。插入件可放置在葉片和葉輪中的腔室中以直接冷卻通過(guò)葉片和葉輪的氣流以冷卻葉片和葉輪。通常由復(fù)雜的加工制造過(guò)程制作插入件。加工的開(kāi)發(fā)非常耗費(fèi)時(shí)間。本申請(qǐng)公開(kāi)了使用增材制造過(guò)程來(lái)制造用于葉片和葉輪的插入件。使用增材制造過(guò)程來(lái)制造插入件可使制造初始部件所需的準(zhǔn)備時(shí)間從兩年減少到幾天。這也允許插入件的設(shè)計(jì)具有更大的靈活性，因?yàn)椴煌牟迦爰O(shè)計(jì)可更容易地被定型和測(cè)試。
[0017]圖1是葉輪的透視圖10。葉輪10包括翼型件12、外平臺(tái)14、內(nèi)平臺(tái)16、腔室30、腔室32、腔室34、腔室36、凸架40和凸臺(tái)42。外平臺(tái)14包括氣體路徑側(cè)20和非氣體路徑側(cè)22。內(nèi)平臺(tái)16包括氣體路徑側(cè)24和非氣體路徑側(cè)26。
[0018]葉輪10是可被放置在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪段或壓縮機(jī)段中的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)組件。在圖1中示出葉輪10，但在可替換實(shí)施方案中，葉輪10可以是葉片。在所示的實(shí)施方案中，葉輪10被放置在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪段，但在替代實(shí)施方案中，葉輪10可被放置在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)段。葉輪10包括在外平臺(tái)14和內(nèi)平臺(tái)16之間延伸的翼型件12。翼型件12被成形為引導(dǎo)氣流通過(guò)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)并被放置在渦輪段的流動(dòng)路徑中。
[0019]外平臺(tái)14包括氣體路徑側(cè)20和非氣體路徑側(cè)22。氣體路徑側(cè)20面向翼型件12延伸通過(guò)的流動(dòng)路徑。非氣體路徑側(cè)22位于流動(dòng)路徑外。內(nèi)平臺(tái)14包括氣體路徑側(cè)24和非氣體路徑側(cè)26。氣體路徑側(cè)24面向翼型件12通過(guò)其延伸的流動(dòng)路徑。非氣體路徑側(cè)26位于流動(dòng)路徑外。外平臺(tái)14和內(nèi)平臺(tái)16附接到燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的其它平臺(tái)以形成在其之間支撐翼型件12的結(jié)構(gòu)。由外平臺(tái)14和內(nèi)平臺(tái)16形成的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生邊界以保持空氣流過(guò)流動(dòng)路徑。
[0020]腔室30、32、34和36位于葉輪10中，其中在外平臺(tái)14和/或內(nèi)平臺(tái)16的一個(gè)或兩個(gè)上具有開(kāi)口。腔室30延伸通過(guò)翼型件12，其中在外平臺(tái)14上具有開(kāi)口且在內(nèi)平臺(tái)16上具有開(kāi)口。腔室32延伸通過(guò)翼型件12，其中在外平臺(tái)14上具有開(kāi)口且在內(nèi)平臺(tái)上16具有開(kāi)口。腔室34伸入外平臺(tái)14中達(dá)限定距離Dl并在外平臺(tái)14上具有開(kāi)口。腔室36伸入外平臺(tái)14中達(dá)限定距離D2并在外平臺(tái)14上具有開(kāi)口。
[0021]腔室30、32、34和36延伸通過(guò)葉輪10以將冷卻氣流引導(dǎo)到翼型件12、外平臺(tái)14和內(nèi)平臺(tái)16中并通過(guò)它們中。冷卻氣流被引導(dǎo)通過(guò)腔室30和32以從內(nèi)部冷卻翼型件12。冷卻氣流被引導(dǎo)到腔室34和36中以冷卻外平臺(tái)14。腔室也可位于內(nèi)平臺(tái)16上以冷卻內(nèi)平臺(tái)16。
[0022]凸架40由位于凸架40內(nèi)部的腔室30、32、34和36限定外平臺(tái)14的外框架。凸臺(tái)42在凸架40內(nèi)部和腔室30、32、34和36之間延伸。凸架40和凸臺(tái)42為腔室30、32、34和36提供結(jié)構(gòu)并有助于限定腔室30、32、34和36的形狀。凸架和凸臺(tái)也可位于內(nèi)平臺(tái)16上。
[0023]腔室30、32、34和36位于葉輪10內(nèi)以冷卻翼型件12、外平臺(tái)14和內(nèi)平臺(tái)16。葉輪10經(jīng)受極高溫度，該溫度可超過(guò)制造葉輪10的材料的熔化溫度。為了防止高溫?fù)p壞葉輪10，冷卻氣流通過(guò)腔室30、32、34和36被引入葉輪10中。冷卻氣流通過(guò)延伸穿過(guò)葉輪10的表面來(lái)冷卻葉輪10。期望最大化延伸通過(guò)腔室30、32、34和36的冷卻氣流的冷卻效果。這可通過(guò)將多個(gè)擋板和覆蓋物插入腔室30、32、34和36中來(lái)完成，如參考圖2所見(jiàn)和討論。
[0024]圖2是具有擋板50、覆蓋物54和覆蓋物56的葉輪10的透視圖。葉輪10包括翼型件12、外平臺(tái)14、內(nèi)平臺(tái)16、腔室32、凸架40、凸臺(tái)42、擋板50、覆蓋物54和覆蓋物56。外平臺(tái)14包括氣體路徑側(cè)20和非氣體路徑側(cè)22。內(nèi)平臺(tái)16包括氣體路徑側(cè)24和非氣體路徑側(cè)26。
[0025]葉輪10包括在外平臺(tái)14和內(nèi)平臺(tái)16之間延伸的翼型件1