用于空气射流冷却设备的加压空气供应单元的制作方法

1.本发明属于涡轮壳体、特别是涡轮机(诸如飞行器的涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机)的涡轮的冷却领域。
2.本发明更具体地涉及一种对涡轮机(特别是低压涡轮)的外部涡轮壳体进行冷却的空气射流冷却设备的加压空气供应单元，涉及一种设置有这样的单元的这样的冷却设备，涉及一种配备有这种冷却设备的涡轮机的涡轮，并且最后涉及一种通过在这样的单元的粉末床上进行激光熔融的增材制造方法。


背景技术：

3.如在代表现有技术的所附的图1和图2中可以看出，涡轮机的涡轮(在此，例如为低压涡轮)由大致为喇叭形、基本上为截头圆锥形的外部壳体c保护。该壳体通过使用冲击冷却技术进行冷却。
4.壳体c配备有冷却设备d。设备d包括一个或多个加压空气供应单元b，该加压空气供应单元中的每一个连接到其供应空气的多个冷却歧管r。
5.在这些附图中所示的示例性实施例中，设备d包括两个单元b(在图1中仅可见一个单元)，这两个单元以彼此成大约180
°
的方式进行定位。
6.单元b通过管t连接到加压空气供应源。不同的支撑件s确保将歧管r保持在整个壳体c的周围。
7.在这两个附图以及随后的附图中，以及在说明书和权利要求书中，通过参考涡轮的前部来使用术语“前部”和附图标记av，并且通过参考涡轮的后部来使用术语“后部”和附图标记ar(相对于空气在其中进行循环的方向)。
8.每个冷却歧管r穿有多个穿孔，该多个穿孔垂直于壳体c的外表面敞开。这同样适用于单元b。因此，穿过这些不同的穿孔行进的加压空气确保了壳体c上的通风和冲击冷却。
9.然而，为了使空气射流冲击冷却有效，在单元b中收集的空气必须以均匀且优化的方式供应给歧管r，否则，存在壳体c的面向一些歧管定位的区域比壳体的面向其他歧管定位的其他区域的冷却效果差的风险。
10.另外，优选的是，在单元b的设置有穿孔的表面与面对壳体的蒙皮之间保持恒定不变的气隙，以确保均匀的冷却。
11.然而，在现有技术的单元中情况并非总是如此，并且这对涡轮、并因此对涡轮机的性能具有负面影响。
12.从文献fr 3050228中已知一种对涡轮机的外部涡轮壳体进行冷却的空气射流冷却设备的加压空气供应单元。
13.该单元包括空气输送弯管，该空气输送弯管连接到界定封壳的主体。该主体具有彼此相对的外壁和内壁，该内壁设置有多个空气喷射穿孔。另外，主体的内壁和外壁的各自的纵向边缘相交以限定位于主体的第一纵向侧上的第一系列的出口管道以及位于主体的第二纵向侧上的具有相同数量的第二系列的出口管道，每个出口管道被构造成连接到冷却
设备的冷却歧管。
14.然而，这样的单元不是整体的，因此不能通过增材制造方法进行制造。另外，这样的单元不包括空气分配隔件，该空气分配隔件改进了空气在不同歧管中的分配。
15.最后，总的来说，减少飞行器上的零件的重量是减少燃料消耗和相关成本的不变目的。


技术实现要素：

16.因此，本发明的目的在于解决现有技术的上述缺点，并且提出一种加压空气供应单元，该加压空气供应单元能够在单元的封壳中获得更好的空气分配，并因此在该加压空气供应单元供应的每个冷却歧管中获得更好的空气分配。
17.为此，本发明涉及一种对涡轮机的外部涡轮壳体进行冷却的空气射流冷却设备的加压空气供应单元，该单元包括空气输送弯管以及界定封壳的主体，该主体具有沿着轴向方向d
a
延伸的彼此相对的外壁和内壁，主体的内壁设置有多个空气喷射穿孔，主体的内壁和外壁的各自的纵向边缘相交以限定位于主体的第一纵向侧上的第一系列的出口管道以及位于主体的第二纵向侧上的具有相同数量的第二系列的出口管道，每个出口管道设置有出口孔，该出口孔被构造成连接到冷却设备的冷却歧管，所述空气输送弯管具有内部部分、相对的外部部分以及两个侧向部分，每个侧向部分将内部部分连接到外部部分。
18.根据本发明，该单元是整体的，所述空气输送弯管连接到主体的外壁，使得该空气输送弯管的出口嘴通向所述封壳中，并且该空气输送弯管的内部部分与主体的外壁的朝向所述主体的第一侧延伸的部分相对地定位，并且单元包括被设置在空气输送管道的出口嘴中的至少一个空气分配隔件，该空气分配隔件将空气输送弯管的内部部分的内部面连接到空气输送弯管的外部部分的内部面。
19.由于本发明的这些特征，空气被更好地分配在单元中，并且一个或多个分配隔件有助于将由所述单元供应的空气更好地分配在不同的冷却歧管中。
20.涡轮的壳体被更好地冷却，从而改进了发动机的性能。
21.另外，该空气供应单元的特定形状及其整体性质使得其能够通过增材制造方法进行制造。
22.根据本发明的通过单独采用或组合采用的其他有利的且非限制性的特征：
23.‑
空气输送弯管的内部部分在该空气输送弯管的出口嘴与主体的外壁连接的高度处具有在所述空气输送管道的侧向部分与位于该侧向部分附近的空气分配隔件之间延伸的v形的连接区域，和/或沿着单元的轴向方向在两个相邻的空气分配隔件之间延伸的v形的连接区域，v形的尖端突出到位于空气输送管道的内部部分与主体的外壁的与所述空气输送管道相邻的部分之间的空间中；
24.‑
空气分配隔件向空气输送管道的内部和/或主体的内部延伸；
25.‑
主体的内壁和外壁的横向边缘在主体的后端部和主体的前端部处相交，并且其中，空气输送管道的出口嘴连接到主体的外壁的位于主体的所述前端部附近的前部，并且其中，所述空气分配隔件从空气输送管道的出口嘴朝向主体的后端部弯曲；
26.‑
所述空气分配隔件从空气输送管道的内部部分朝向空气输送管道的外部部分以及主体的后端部弯曲：
27.‑
每个出口管道具有漏斗的形状，并且在同一系列的出口管道的两个连续的出口孔之间的主体的内壁与主体的外壁之间的接合区域呈双曲抛物面的形状；
28.‑
单元在主体的内部包括用于周向地分配空气流的至少一个喷口，该喷口呈具有v形横截面的薄片的形式，该喷口从主体的内壁的中心或者基本上从主体的内壁的中心延伸，使得所述薄片的v形的尖端在主体的封壳中突出，该喷口设置有多个凹口，从而允许空气从主体的内部朝向空气喷射穿孔通过；
29.‑
主体的内壁包括形成额外厚度的材料的多个条带，每个条带从位于主体的第一侧上的出口孔延伸直至位于主体的第二侧上的出口孔并且位于主体的第一侧上的出口孔与位于主体的第二侧上的出口孔对准，空气喷射穿孔穿过所述额外厚度条带形成，并且该额外厚度条带沿着圆弧形状弯曲，该额外厚度条带的半径大于待冷却的壳体的圆形截面的半径，所述额外厚度条带旨在面向该壳体定位；
30.‑
主体的内壁和外壁的横向边缘在主体的后端部和主体的前端部处相交，并且所述单元在其后端部和/或其前端部处具有用于将单元紧固在待冷却的壳体上的紧固元件，诸如紧固凸耳或紧固凸缘；
31.‑
主体和空气输送管道的不同的壁相对于单元的参考轴线具有50
°
的最大角度，该参考轴线将主体的第二纵向侧上的出口管道的出口孔的中心与主体的第一纵向侧上的相对定位的出口管道的出口孔的中心连接。
32.本发明还涉及一种用于对涡轮机的外部涡轮壳体进行冷却的空气射流冷却设备。
33.根据本发明，该设备包括多个被穿孔的、弯曲的冷却歧管，该冷却歧管被构造成围绕所述外部涡轮壳体和至少一个如上所述的加压空气供应单元设置，该单元的出口孔连接到所述冷却歧管的端部，以便允许向所述冷却歧管供应加压空气。
34.本发明还涉及一种涡轮机的涡轮，特别是低压涡轮，该涡轮机诸如为飞行器的涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机，该涡轮包括外部壳体。该涡轮包括如上所述的用于对该壳体进行冷却的空气射流冷却设备。
35.最后，本发明涉及一种通过在如上所述的加压空气供应单元的粉末床上进行激光熔融的增材制造方法。根据本发明，该方法包括以下步骤：在水平支撑件上沉积构成所述单元的材料的粉末床；然后通过激光束对该粉末床的一些点位进行扫描，以便使所述粉末熔化并将所述粉末固化，重复该步骤直至获得所述加压空气供应单元，这些不同的连续粉末层被置于与竖直制造方向垂直的平面中，该竖直制造方向平行于或基本平行于单元的参考轴线，该参考轴线将主体的第二纵向侧上的出口管道的出口孔的中心与主体的第一纵向侧上的相对定位的出口管道的出口孔的中心连接，单元的制造从主体的第二纵向侧上的出口管道开始。
36.由于这种增材制造方法，能够获得更薄且因此更轻的单元。
附图说明
37.本发明的其他特征和优点将参考附图从本发明的以下描述中变得清楚，所述描述以说明而非限制的方式示出了可能的实施例。
38.在这些附图中：
39.‑
图1是配备有根据现有技术的空气射流冷却设备的低压涡轮的轴向纵向剖视图，
40.‑
图2是图1的围绕低压涡轮的壳体布置的冷却设备的透视图，
41.‑
图3是根据本发明的冷却设备的透视图，
42.‑
图4是图3的出口管道的一部分的详细视图，
43.‑
图5是图4的两个出口管道之间的相交区域的详细视图，
44.‑
图6是图3的冷却单元的另一视角的透视和局部剖视图，
45.‑
图7是被布置在根据本发明的冷却单元的内部的用于周向地分配空气流的喷口的详细透视图，
46.‑
图8至图10a分别是沿着图3中的以p8、p9和p10标记的截面截取得到的根据本发明的冷却单元的侧视示意剖视图、俯视示意剖视图和正视示意剖视图，
47.‑
图10b是图10a的详细视图，
48.‑
图11是示出了位于待冷却的壳体的前部的根据本发明的分段冷却单元的示意图，
49.‑
图12是沿着图3中的以p12标记的截面切割得到的单元的一部分的透视图，以及
50.‑
图13是沿着图3中的以p13标记的截面截取得到的根据本发明的冷却单元的俯视剖视图。
具体实施方式
51.根据本发明的加压空气供应单元2是对涡轮机的外部涡轮壳体进行冷却的空气射流冷却设备1的元件。
52.如先前关于图1和图2所述，冷却设备1还包括多个穿孔的冷却歧管10，该多个穿孔的冷却歧管在圆弧部分中弯曲并且围绕涡轮的外部壳体c设置。在图3和图6中，出于简化的目的，仅示出了歧管10的两个部分。
53.在图1和图2中，箭头d
a
、d
b
和d
c
分别表示涡轮和壳体的轴向方向、径向方向和周向方向。
54.单元2旨在替代图1和图2中所示的单元b，并且相对于涡轮的壳体如单元b一样地进行定位。因此，图3、图6和图9中已经对方向的坐标系进行了转变，以显示单元2的取向。
55.单元2是整体的，也就是说，单元2被制成一体件，而不是由不同的部件焊接或组装而成。然而，为了能够对该单元进行描述，认为该单元包括多个子组件，该多个子组件将被更详细地描述。
56.优选地，单元2通过在粉末床上进行激光熔融的增材制造方法进行制造，并且已经相应地对其形状进行了设计。
57.单元2包括界定封壳300的主体3以及空气输送弯管4(弯曲的管)(参见图8)。
58.如在图3、图6和图12中可以看出，主体3具有两个相对的壁，即外壁31和内壁32，之所以称为内壁是因为其旨在面向待冷却的壳体c的外表面定位并且其转向涡轮的内部。
59.内壁32穿有空气喷射穿孔320。
60.主体3具有大致细长的形状。外壁31的两个纵向边缘311中的一个纵向边缘与内壁32的两个纵向边缘321中的一个纵向边缘相交，以便限定位于主体3的第一纵向侧上的第一系列的出口管道33，并且外壁31的两个纵向边缘311中的另一个纵向边缘与内壁32的两个纵向边缘321中的另一个纵向边缘相交，以便在主体3的第二纵向侧上限定具有相同数量的
第二系列的出口管道34。
61.因此，例如在图3和图6中，每个系列包括八个出口管道33和八个出口管道34。
62.每个出口管道33基本上与相对定位的出口管道34对准并形成一对管道。
63.为了促进空气流流动并减少压头损失，使管道33和管道34的表面的几何形状变得平滑，也就是说，管道33和管道34的截面逐渐变成每个出口管道33、34的相应的出口孔330、340。
64.因此，优选地，管道33、34具有漏斗的形状，该漏斗的形状变窄直至出口孔330、340，这种形状在图4的管道33上可见。同样优选地，如在图5中可以看出，在同一系列的管道的两个连续的出口管道33或34之间的空间中，主体3的内壁32与外壁31之间的接合区域30具有双曲抛物面的形状。
65.由于这些特定的形状，在与粉末床上的增材制造方法的制造角度兼容的同时获得了非常好的空气流的流动，这将在后面进行描述。
66.另外，这种几何形状允许具有单元2的最佳厚度并且减少单元的整体质量，同时具有该单元的在两个相邻的出口管道之间的良好的机械强度。
67.优选地，出口孔330或340具有圆形的横截面，并且该出口孔的内径对应于冷却歧管10的外径。因此，这些歧管可以被焊接到出口孔中。
68.此外，外壁31的两个横向边缘312中的一个横向边缘与内壁32的两个横向边缘322中的一个横向边缘相交，以便限定主体3的被称为“前”端部的一个端部35，并且外壁31的两个横向边缘312中的另一个横向边缘与内壁32的两个横向边缘322中的另一个横向边缘相交，以便限定主体3的被称为“后”端部的端部36。当冷却设备1的单元2围绕所述涡轮的壳体定位时，参考涡轮的前端部av和后端部ar来给定标记“前部”和“后部”。
69.空气输送管道4具有入口嘴41和出口嘴42。如在图6和图8中最佳地可见，该空气输送管道在其出口嘴42附近弯曲。优选地，如图3中所示，该空气输送管道从其入口嘴41向其出口嘴42沿宽度方向张开。
70.优选地，入口嘴41具有圆形的截面。该入口嘴旨在连接到图中未示出的加压空气供应源。
71.喇叭状的出口嘴42在形成在该外壁31中的入口嘴38(参见图8)的高度处连接到主体3的外壁31，使得管道4与主体3的内部流体连通。在图3的实施例中，这种连接在外壁31的前部中进行。然而，出口嘴42可以更大程度地张开，然后从外壁31的前部向后部进行连接。
72.同样优选地，空气输送管道4的出口嘴42在出口孔330、340之间的一半的位置处通向主体3中。
73.通常，认为构成所述管道4的壁具有四个纵向部分，即内部部分431、相对的外部部分432和将内部部分连接到所述外部部分的两个侧向部分433、434。这些部分在图10a中最佳地可见。内部部分431面向主体3的外壁31延伸，并且更具体地，由于管道4的弯曲形状，该内部部分面向外壁31的朝向主体3的第一侧延伸的部分延伸，管道的第一系列的出口管道33位于该第一侧上(在图6中，管道朝向上方)。
74.为了朝向主体3的不同的出口管道33、34对来自管道4的空气进行引导和最佳地分配，在空气输送管道4的出口嘴42的内部设置有用于轴向地分配(沿着轴向方向d
a
)空气的至少一个隔件37。优选地，存在多个隔件37(例如，在图9和图10中存在五个隔件)。
75.如在图8中可以看出，根据第一实施例，每个隔件37至少从空气输送管道4的内部部分431的内部面延伸直至管道4的外部部分434的内部面(在图8和图9中以阴影线表示的表面)。
76.根据第二实施例，每个隔件(以37’标记)在管道4的内部和/或主体3的内部更宽地延伸。在图8中，隔件37’从空气输送管道4的内部部分431的一部分的内部面和主体3的第一侧的外壁31延伸直至管道4的外部部分434的内部面(在图8和图9中以两条虚线之间的十字表示的表面)。
77.另外，有利地，并且如在图9和图13中可以看出，每个隔件37、37’从空气输送管道4的出口嘴42朝向主体3的内壁32以及主体3的后端部36弯曲。
78.同样优选地，并且如在图10a和图13中可以看出，每个隔件37、37’从内部部分431朝向外部部分432以及主体3的后端部(在图10a中的左侧)弯曲。
79.隔件37、37’的这种空气动力学形状促进了空气流的引导(在图6和图9中由箭头i表示)，使得能够减少压头损失并且以受控的方式朝向不同的出口孔330、340分配该流。容易理解的是，可以根据待供应的歧管的数量和单元2的期望的空间需求而调整每个隔件37、37’的数量、取向和3d几何形状，以最佳地分配空气流。
80.如上所述，单元2有利地通过在粉末床上进行激光熔融的增材制造而进行制造。该单元2优选地由金属(例如铬镍铁合金inconel 718)制成。
81.通过将连续的层沉积在图6和图12中局部地示出并且在图8中示意性地示出的水平支撑件p上来执行增材制造。
82.更具体地，将构成单元2的材料的粉末层置于支撑件p上，然后通过使用激光束进行扫描而使粉末在某些点位处熔化。重复该步骤，直至获得单元2。
83.构造方向是竖直的，并且单元2的构造方向由竖直箭头f从底部到顶部表示。
84.应当注意，竖直构造方向平行于或基本平行于图12中所示的参考轴线x
‑
x’，该参考轴线将主体3的第二纵向侧上的管道34的出口孔340的中心与主体3的第一纵向侧上的相对定位的管道33的出口孔330的中心连接(换句话说，该参考轴线连接一对管道的两个孔的中心)。
85.构造从管道34(在图12中，在底部处)开始。
86.为了通过这种增材制造方法来保证单元2的可行性，优选的是，主体3的内壁32、外壁31以及管道4的不同的部分431至434相对于竖直构造方向形成等于至多50
°
的角度α，这能够避免在制造期间或在制造之后对多余部件进行机加工期间提供任何支撑。换句话说，所有的壁都不应超过该50
°
的角度，以免过于水平，并且引起不被位于下方的未熔融粉末层支撑的风险。同样换句话说，单元2的不同的壁与前述的参考轴线x
‑
x’形成至多50
°
的角度α。
87.另外，隔件37、37’允许支撑管道4的位于上方的内部部分431(在图9中以灰色示出并且在图10a中可见)。
88.更具体地，并且如在图10a和图10b中可以看出，在外壁31上的嘴42的连接处，内部部分431具有多个v形的连接区域，即位于管道4的侧向部分433或434与相邻的空气分配隔件37、37’之间的v形的连接区域4311。如果存在至少两个隔件37、37’，则部分431在两个相邻的隔件37、37’之间还具有v形的连接区域4312。
89.在图13中也可以看到这些v形的连接区域。这些v形的连接区域沿着轴向方向d
a
延伸。
90.v形的尖端朝向形成在管道4与主体3之间的空间突出(突出至图6的顶部)。该空间也具有v形或u形的形状，并且沿径向方向d
b
延伸。
91.最后，v形的每一侧的截面相对于竖直制造方向形成至多50
°
的角度α(参见相对于箭头f的角度)。
92.倒置的v形成一种拱顶，该拱顶也可以通过增材制造进行制造，而无需额外的支撑。
93.如在图8的剖视图中可以看出，空气输送管道4的出口嘴42以倾斜的方式连接到主体3的外壁31，使得该出口嘴趋于进一步朝向第二侧上的出口管道34引导空气(到达图8的底部)。有利地，并且为了补偿上述现象，单元2包括用于周向地分配空气流的喷口5，该喷口被设置在主体3的内部，并且趋于迫使空气流的一部分朝向第一侧流动(到达图8的顶部)，以更好地平衡单元2的任一侧上的流的分布。
94.该喷口5具有折成具有v形横截面的两片的薄片的形状，该喷口被设置在主体3的内壁32的中心或者基本上在主体的内壁的中心，使得v形的尖端向主体的内部突出。
95.优选地，该喷口5从主体3的前端部延伸到后端部(也参见图12)。
96.该喷口5设置有多个凹口50，该多个凹口允许空气从主体3的内部朝向空气喷射穿孔320进行循环，并且允许从部件上去除粉末，即在制造结束时，有效地去除位于喷口5与壁32之间并且未被激光束熔融的粉末层。
97.该喷口5的形状及其相对于竖直构造方向f的倾斜角度(小于50
°
)与增材制造方法兼容。
98.如上所述，主体3的内壁32具有空气喷射穿孔320，该空气喷射穿孔使所述主体的内部与待冷却的壳体c连通。
99.这些穿孔320以至少一行穿孔的形式对准，对于每一对出口孔而言，该至少一行穿孔从位于主体3的第一侧上的出口孔330延伸直至位于主体3的第二侧上的出口孔340。优选地，并且如在图4中可以看出，存在平行的两行穿孔，这两行穿孔的穿孔320以半个节距进行偏移。
100.优选地，并且为了进一步改进空气射流冷却的效率，主体3的内壁32具有形成额外厚度的材料的条带323，每个条带323从出口孔330延伸到同一对出口孔的出口孔340。
101.如在图11中可以看出，该额外厚度条带323的内表面(即，朝向壳体c的表面)以圆弧形状从孔330向孔340弯曲，该额外厚度条带的半径r1大于相对定位的待冷却的壳体c的圆形截面的半径r2。穿孔320穿过该具有额外厚度的材料带323而形成。
102.因此，在穿孔320的出口与壳体c之间获得恒定不变的气隙e。另外，穿孔320因此在壳体2的较大部分上延伸，并且减小了壳体c的未经冷却的区域z。
103.最后，有利地，并且如在图3中可以看出，单元3的前端部35和/或后端部36设置有用于将单元2紧固在待冷却的壳体c上的紧固元件6。
104.该紧固元件6例如是凸缘61或紧固凸耳62。该紧固元件与主体3成一体。
105.优选地，紧固凸缘61和紧固凸耳62分别具有平面部分610、620，从而允许在平面上进行紧固。另外，在平面部分610或620与主体3之间的接合部分611或621形成有与增材制造
兼容而无需额外的构造支撑的角度。