增材制造擋板、覆蓋物和模具的制作方法
【專利說明】増材制造擋板、覆蓋物和模具
[0001]政府利益的聲明
[0002]美國政府對要求專利所有人許可他人通過美國海軍部授予的合同號N00019-02-C-3003的條款提供的合理條款擁有本發(fā)明的已付訖許可和有限情況下的權利。
[0003]發(fā)明背景
[0004]本發(fā)明涉及燃氣渦輪發(fā)動機組件，并且特別涉及用于燃氣渦輪發(fā)動機組件的制造過程。燃氣渦輪發(fā)動機使用一系列壓縮機和渦輪以使空氣通過發(fā)動機來產(chǎn)生轉動軸功率。每個壓縮機和渦輪將具有多個葉片和多個葉輪，其中轉動葉片從由固定葉輪引導到其上的空氣中賦予或提取轉速。每個葉片和葉輪將具有成形為將氣流引導通過燃氣渦輪發(fā)動機的翼型件。每個葉片和葉輪也將具有外平臺和內(nèi)平臺，它們可附接到其它平臺以形成翼型件可在其之間延伸的結構。
[0005]每個葉片和葉輪可在翼型件、外平臺和內(nèi)平臺中具有多個腔室。腔室可在翼型件中從第一端完全延伸通過第二端，或者腔室可延伸到外平臺或內(nèi)平臺中達限定距離。在燃氣渦輪發(fā)動機操作期間，葉片和葉輪經(jīng)受極高溫度。高溫可超過用于構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葉片和葉輪造成損壞，可使用通常由壓縮機虹吸的相對較冷空氣來冷卻葉片和葉輪。冷卻空氣可通入和通過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外平臺和內(nèi)平臺上的腔室以冷卻外平臺和內(nèi)平臺?？赏ㄟ^多種方法(包括沖擊冷卻)將冷卻空氣引導到并通過葉片和葉輪。
[0006]完全延伸通過翼型件的腔室可容納被設計為促進沖擊冷卻的擋板，這增加了翼型件的冷卻。延伸到外平臺和內(nèi)平臺中達限定距離的腔室可容納也被設計為促進沖擊冷卻的覆蓋物，這會增加外平臺和內(nèi)平臺的冷卻。擋板和覆蓋物的設計和制造是個耗時的過程。擋板和覆蓋物通常由金屬板制成并經(jīng)過加工過程以將其成形為裝配到葉片和葉輪的腔室內(nèi)部。加工過程通常包括大量復雜步驟。由于加工過程的復雜性，通常需要兩年的準備時間來制造新?lián)醢搴透采w物設計。
發(fā)明概要
[0007]根據(jù)本發(fā)明，一種方法包括:(a)在工作臺上沉積粉末材料層，所述層具有一定厚度；(b)基于限定具有成形為裝配到燃氣渦輪發(fā)動機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)降低工作臺達所述厚度。然后可重復步驟(a)至(C)，直到插入件完成。然后可將插入件從工作臺上移除。
[0008]—種方法包括:(a)在工作臺上沉積粉末材料層，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)降低工作臺達所述厚度。然后可重復步驟(a)至(C)，直到模具完成。然后可將模具從工作臺上移除。
[0009]插入件包括主體，其通過增材制造過程形成并成形為裝配到燃氣渦輪發(fā)動機組件中的腔室中；插入件的主體中的孔；和鄰近孔構建以促進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；和用于附接到燃氣渦輪發(fā)動機組件并從壁向外延伸的凸緣。
[0010]具有插入件的燃氣渦輪發(fā)動機組件包括:主體，其具有在外平臺和內(nèi)平臺之間延伸的翼型件；腔室，其在外平臺或內(nèi)平臺中的至少一個上具有開口 ；和插入件，其通過增材制造過程形成、放置在腔室中，其中在預先選定區(qū)域中具有局部堆積物以促進組件的冷卻。
[0011]附圖簡述
[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。
【具體實施方式】
[0016]—般情況下，本申請涉及用于燃氣渦輪發(fā)動機組件的插入件的制造過程。插入件可放置在葉片和葉輪中的腔室中以直接冷卻通過葉片和葉輪的氣流以冷卻葉片和葉輪。通常由復雜的加工制造過程制作插入件。加工的開發(fā)非常耗費時間。本申請公開了使用增材制造過程來制造用于葉片和葉輪的插入件。使用增材制造過程來制造插入件可使制造初始部件所需的準備時間從兩年減少到幾天。這也允許插入件的設計具有更大的靈活性，因為不同的插入件設計可更容易地被定型和測試。
[0017]圖1是葉輪的透視圖10。葉輪10包括翼型件12、外平臺14、內(nèi)平臺16、腔室30、腔室32、腔室34、腔室36、凸架40和凸臺42。外平臺14包括氣體路徑側20和非氣體路徑側22。內(nèi)平臺16包括氣體路徑側24和非氣體路徑側26。
[0018]葉輪10是可被放置在燃氣渦輪發(fā)動機中的渦輪段或壓縮機段中的燃氣渦輪發(fā)動機組件。在圖1中示出葉輪10，但在可替換實施方案中，葉輪10可以是葉片。在所示的實施方案中，葉輪10被放置在燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪段，但在替代實施方案中，葉輪10可被放置在燃氣渦輪發(fā)動機的壓縮機段。葉輪10包括在外平臺14和內(nèi)平臺16之間延伸的翼型件12。翼型件12被成形為引導氣流通過燃氣渦輪發(fā)動機并被放置在渦輪段的流動路徑中。
[0019]外平臺14包括氣體路徑側20和非氣體路徑側22。氣體路徑側20面向翼型件12延伸通過的流動路徑。非氣體路徑側22位于流動路徑外。內(nèi)平臺14包括氣體路徑側24和非氣體路徑側26。氣體路徑側24面向翼型件12通過其延伸的流動路徑。非氣體路徑側26位于流動路徑外。外平臺14和內(nèi)平臺16附接到燃氣渦輪發(fā)動機中的其它平臺以形成在其之間支撐翼型件12的結構。由外平臺14和內(nèi)平臺16形成的結構產(chǎn)生邊界以保持空氣流過流動路徑。
[0020]腔室30、32、34和36位于葉輪10中，其中在外平臺14和/或內(nèi)平臺16的一個或兩個上具有開口。腔室30延伸通過翼型件12，其中在外平臺14上具有開口且在內(nèi)平臺16上具有開口。腔室32延伸通過翼型件12，其中在外平臺14上具有開口且在內(nèi)平臺上16具有開口。腔室34伸入外平臺14中達限定距離Dl并在外平臺14上具有開口。腔室36伸入外平臺14中達限定距離D2并在外平臺14上具有開口。
[0021]腔室30、32、34和36延伸通過葉輪10以將冷卻氣流引導到翼型件12、外平臺14和內(nèi)平臺16中并通過它們中。冷卻氣流被引導通過腔室30和32以從內(nèi)部冷卻翼型件12。冷卻氣流被引導到腔室34和36中以冷卻外平臺14。腔室也可位于內(nèi)平臺16上以冷卻內(nèi)平臺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14的外框架。凸臺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42為腔室30、32、34和36提供結構并有助于限定腔室30、32、34和36的形狀。凸架和凸臺也可位于內(nèi)平臺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14和內(nèi)平臺16。葉輪10經(jīng)受極高溫度，該溫度可超過制造葉輪10的材料的熔化溫度。為了防止高溫損壞葉輪10，冷卻氣流通過腔室30、32、34和36被引入葉輪10中。冷卻氣流通過延伸穿過葉輪10的表面來冷卻葉輪10。期望最大化延伸通過腔室30、32、34和36的冷卻氣流的冷卻效果。這可通過將多個擋板和覆蓋物插入腔室30、32、34和36中來完成，如參考圖2所見和討論。
[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14、內(nèi)平臺16、腔室32、凸架40、凸臺42、擋板50、覆蓋物54和覆蓋物56。外平臺14包括氣體路徑側20和非氣體路徑側22。內(nèi)平臺16包括氣體路徑側24和非氣體路徑側26。
[0025]葉輪10包括在外平臺14和內(nèi)平臺16之間延伸的翼型件1