用于涡轮发动机的增材制造的嵌套段组件的制作方法

优先权信息

本申请要求于2019年8月21日提交的美国专利申请序列号16/106,558的优先权。

主题总体上涉及涡轮发动机的分段环部件，例如护罩吊架。更具体地，本主题总体上涉及增材制造的分段环部件。

背景技术：

燃气涡轮发动机通常以串行流动顺序包括压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段。在操作中，空气进入压缩机区段的入口，其中一个或多个轴向压缩机逐渐压缩空气直到空气到达燃烧区段。燃料与压缩空气混合并在燃烧区段内燃烧以提供燃烧气体。燃烧气体从燃烧区段被引导通过限定在涡轮区段内的热气路径，然后经由排气区段从涡轮区段排出。

在一些构造中，涡轮区段以串行流动顺序包括高压(hp)涡轮和低压(lp)涡轮。hp涡轮和lp涡轮各自包括各种可旋转的涡轮部件，例如涡轮转子叶片，转子盘和保持器。此外，hp涡轮和lp涡轮各自包括各种固定的涡轮部件，例如定子轮叶或喷嘴，涡轮护罩和发动机框架。可旋转的涡轮部件和固定的涡轮部件至少部分地限定了穿过涡轮区段的热气路径。当燃烧气体流过热气路径时，热能从燃烧气体传递到可旋转的涡轮部件和固定的涡轮部件。

通常，hp涡轮和lp涡轮可另外包括进一步限定热气路径的护罩组件。在护罩组件的护罩和可旋转的涡轮部件的相关级的可旋转的涡轮部件之间限定间隙。护罩通常通过护罩吊架或钩子被保持在燃气涡轮发动机内，该护罩吊架或钩子依次联接至发动机的各种其他部件，例如壳体。此外，在许多情况下，位于护罩组件的轴向前方的喷嘴可接触护罩组件，以限定热气路径并大致密封热气路径。

在某些情况下，将护罩吊架组装成分段，然后将这些分段组装以形成环形护罩吊架环。通常，相邻的护罩吊架包括被加工成相应端面的槽，或者吊架的面向相邻的护罩吊架的面。对于相邻的护罩吊架之间的每个分隔，将花键密封件插入其中一个槽中，并且护罩吊架排成一行并连接以形成一个段。虽然花键密封件充分地防止高压空气在燃气涡轮发动机运行过程中从外部泄漏到内部并进入热气路径，但是组装护罩吊架的过程非常耗时，繁琐且困难，特别是在对齐和连接环的最后两个护罩吊架时。此外，组装其他分段的环形部件(如护罩，喷嘴等)也会出现类似的挑战。

因此，用于涡轮发动机的改进的分段部件将是有用的。特别地，可靠且易于制造和组装的分段部件，例如护罩吊架，将是有益的。

技术实现要素：

本发明的方面和优点将在下面的描述中部分阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过本发明的实践来学习。

在本公开的一个示例性实施例中，提供了增材制造的嵌套段组件。嵌套段组件包括第一部件段，该第一部件段具有端面和从该端面向外突出的舌部。嵌套段组件还包括第二部件段，第二部件段被定位成邻近第一部件段并限定凹槽，其中第一部件段的舌部的至少一部分嵌套在由第二部件段限定的凹槽内。

在本公开的另一示例性实施例中，提供了一种用于制造嵌套段组件的方法。该方法包括在增材制造机器的床上沉积增材材料层。此外，该方法包括引导来自增材制造机器的能量源的能量以在增材材料层的顶部上连续地熔融一层或多层增材材料，从而形成嵌套段组件。所形成的嵌套段组件包括第一部件段，该第一部件段具有端面和从该端面向外突出的舌部，其中该舌部具有限定高度的嵌套部分。所形成的嵌套段组件还包括第二部件段，所述第二部件段被定位成邻近所述第一部件段并限定凹槽，其中所述凹槽具有限定开口高度的开口，其中所述舌部的嵌套部分的至少一部分嵌套在由所述第二部件段限定的凹槽内，并且其中所述嵌套部分的高度大于开口高度，以不可分离地结合第一部件段和第二部件段。

在本公开的又一示例性实施例中，提供分段部件组件。分段部件组件包括具有端面的第一部件段。此外，分段部件组件包括邻近第一部件段并具有端面的第二部件段。此外，分段部件组件包括通过第一部件段的端面和第二部件段的端面在第一部件段和第二部件段之间形成的特斯拉阀。

参考以下描述和所附权利要求，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好地理解。并入本说明书并构成本说明书一部分的附图说明本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。

附图说明

在说明书中阐述了针对本领域的普通技术人员的本发明的完整而可行的公开，包括其最佳模式，其参考附图，其中：

图1提供了根据本公开的一个实施例的燃气涡轮发动机的示意性截面图；

图2提供了图1的燃气涡轮发动机的高压涡轮部分的特写横截面侧视图；

图3提供了根据本公开的示例性实施例的示例性嵌套段组件的轴向截面图；

图4提供了根据本公开的示例性实施例的形成为环形环的示例性嵌套段组件的轴向视图；

图5提供了根据本公开的示例性实施例的连接在一起以形成环形环的第一示例性嵌套段组件和第二示例性嵌套段组件的轴向视图；

图6提供了与图3的嵌套段组件的第二部件段嵌套的第一部件段的特写轴向截面图；

图7提供了根据本公开的示例性实施例的示例性部件段的立体图；

图8提供了图7的部件段的第二端的特写图；

图9提供了可以与图7和图8的部件段的第二端嵌套的部件段的第一端的特写图；

图10提供了与图9的部件段嵌套的图7的部件段的特写轴向横截面图；

图11提供了根据本公开的示例性实施例的与一个示例性第二部件段嵌套的一个示例性第一部件段的特写轴向截面图；

图12提供了根据本公开的示例性实施例的与一个示例性第二部件段嵌套的一个示例性第一部件段的特写轴向截面图；

图13提供了图12的第一部件段的多个湍流器的特写图；

图14提供了根据本公开的示例性实施例的用于制造嵌套段组件的示例性方法的流程图；

图15提供了根据本公开的示例性实施例的示例性分段部件组件的一部分的轴向图；

图16提供了图15的部分16的特写轴向截面视图，描绘了根据本公开的示例性实施例的图15的分段部件组件的邻近一个示例性第二部件段的一个示例性第一部件段；

图17提供了根据本公开的示例性实施方式的定位成邻近于图15的分段部件组件的一个示例性第二部件段的一个示例性第一部件段的特写轴向剖视图；和

图18提供根据本公开的示例性实施方式的定位成邻近示例性分段部件组件的示例性第二部件段的第一示例性部件段的特写轴向截面图。

在本说明书和附图中重复使用参考字符旨在表示本发明相同或类似的特征或元素。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的当前实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标记来指代附图中的特征。在附图和描述中相似或类似的标记已经用于指代本发明的相似或类似的部分。如本文所使用的，术语“第一”，“第二”和“第三”可以互换使用以将一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示各个组件的位置或重要性。另外，近似术语，例如“近似地”，“基本上”或“大约”是指误差在百分之十(10％)以内。术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对流动方向。例如，“上游”是指流体流动的流动方向，而“下游”是指流体流动的流动方向。此外，如本文中所使用的，术语“轴向”或“轴向地”是指沿着发动机的纵向轴线的尺寸。与“轴向”或“轴向地”结合使用的术语“向前”是指朝向发动机进气口的方向，或者是与另一部件相比相对更靠近发动机进气口的部件。与“轴向”或“轴向地”结合使用的术语“后”或“后部”是指朝向发动机喷嘴的方向，或者是与另一部件相比相对更靠近发动机喷嘴的部件。术语“径向”或“径向地”是指在发动机的中心纵向轴线与发动机外圆周之间延伸的尺寸。

本公开总体上涉及嵌套段组件及其增材制造方法。在一个示例方面，嵌套段组件包括第一部件段和定位成邻近第一部件段的第二部件段。第一和第二部件段可以是护罩吊架，护罩，喷嘴段或用于涡轮发动机的其他部件，它们连接或接合在一起以形成部分或完整的环形环。第一部件段具有端面和从端面向外突出的舌部。例如，舌部朝着相邻的第二部件段周向向外突出。第二部件段限定凹槽。凹槽限定在第二部件段与第一部件段的端面相邻的端面处。第一部件段的舌部的至少一部分嵌套在第二部件段所限定的凹槽内。在第一部件段的舌部和限定第二部件段的凹槽的内表面之间限定了流动路径。流动路径允许部件的热增长以及从外侧到内侧的少量泄漏，反之亦然。当沿着轴向方向看时，流动路径可以具有马蹄形形状，并且可以是充满迂回和转向的曲折路径。具体地，多个湍流器可以从舌部突出、从限定其中设置有舌部的凹槽的内表面突出、或两者突出。这种湍流器限定了流动路径，并且产生流过其中的流体的摩擦和转向损失，以减少流动路径上的泄漏。

在一些示例方面，嵌套段组件的第一部件段和第二部件段同时被增材制造为不同但不可分离的整体部件。也就是说，部件被打印成使得第一部件段的舌部被设置或嵌套在第二部件段的凹槽内。凹槽的尺寸适于容纳舌部，但是凹槽的开口使得舌部与凹槽不可分离。以这种方式，第一部件段和第二部件段以嵌套的方式打印。其他增材部件段可以被打印，以与第一部件段和/或第二部件段嵌套，从而形成较长的嵌套段组件。

图1提供了示例性的高旁路涡轮风扇型燃气涡轮发动机10的示意性截面图，在此被称为“涡轮风扇10”，其可以结合本公开的各种实施例。如图1所示，涡轮风扇10限定轴向方向a，径向方向r和周向方向。此外，涡轮风扇10限定轴向中心线或纵向轴线12，该轴向中心线或纵向轴线12延伸穿过涡轮风扇10以用于参考目的。通常，轴向方向a平行于纵向轴线12延伸，径向方向r正交于纵向轴线12或从纵向轴线12延伸，并且周向方向围绕纵向轴线12同心地延伸。

涡轮风扇10包括设置在风扇区段16下游的核心涡轮发动机14。核心涡轮发动机14通常可以包括限定环形核心入口20的基本管状的外壳18。外壳18可以由多个壳体或单个壳体形成。外壳18以串流关系包围具有增压或低压(lp)压缩机22、高压(hp)压缩机24的压缩机区段、燃烧区段26，包括高压(hp)涡轮28、低压(lp)涡轮30涡轮区段和喷射排气喷嘴区段32。高压(hp)轴或卷轴34驱动地将hp涡轮28连接到hp压缩机24。低压(lp)轴或卷轴36驱动地将lp涡轮30连接到lp压缩机22。(lp)卷轴36还可以被连接到风扇区段16的风扇卷轴或轴38上。在具体实施例中，(lp)卷轴36可以直接连接到风扇卷轴38，例如在直接驱动构造中。在替代构造中，(lp)卷轴36可经由减速装置37(例如间接驱动或齿轮传动构造中的减速齿轮箱)连接至风扇卷轴38。根据需要或要求，这种减速装置可以包括在涡轮风扇10内的任何合适的轴/卷轴之间。

如图1进一步所示，风扇区段16包括多个风扇叶片40，所述多个风扇叶片40联接到风扇卷轴38并从风扇卷轴38径向向外延伸。环形风扇壳体或机舱42周向地围绕风扇区段16和核心涡轮发动机14的一部分。机舱42由多个周向间隔开的出口导向轮叶44相对于核心涡轮发动机14支撑。而且，机舱42的下游区段46(出口导向轮叶44的下游)可以延伸到核心涡轮发动机14的外部部分，以便在其之间限定出旁路气流通道48。

在涡轮风扇10的操作过程中，初始气流(由箭头95指示)可以通过机舱42的相关入口49进入发动机10。然后，空气流95经过风扇叶片40并分成流经旁路气流通道48的第一压缩空气流(由箭头96指示)以及通过核心入口20进入lp压缩机22的第二压缩空气流(由箭头97指示)。然后，第二压缩空气流97的压力增加并进入hp压缩机24(如箭头98所示)。在与燃料混合并在燃烧区段26的燃烧器中燃烧之后，燃烧产物99离开燃烧区段26并流过hp涡轮28。之后，燃烧产物99流过lp涡轮机30并离开排气喷嘴32以产生用于涡轮风扇10的推力。当压缩空气96离开机舱42的下游区段46时，流过旁通气流通道48的压缩空气96也产生用于涡轮风扇10的推力。

图2提供了可并入本公开的各种实施例的图1的核心涡轮发动机14的hp涡轮28部分的特写截面视图。如图2所示，hp涡轮28以串联流动关系包括第一级50，该第一级50包括喷嘴段51的环形阵列52(仅示出一个)。每个喷嘴段51包括内带53和例如沿径向方向r与内带53间隔开的外带55。此外，每个喷嘴段51包括定子轮叶54。喷嘴段51形成环形喷嘴段环。每个喷嘴段51的定子轮叶54例如沿着轴向方向a与涡轮转子叶片58的环形阵列56(仅示出一个)间隔开。hp涡轮28还包括第二级60，该第二级60包括喷嘴段61的环形阵列62(仅示出一个)。每个喷嘴段61包括内带63和例如沿径向方向r与内带63间隔开的外带65。此外，每个喷嘴段61包括定子轮叶64。喷嘴段61形成环形喷嘴段环。每个喷嘴段61的定子轮叶64例如沿着轴向方向a与涡轮转子叶片68的环形阵列66(仅示出一个)间隔开。涡轮转子叶片58、68从hp卷轴34(如图1)径向向外延伸并联接至hp卷轴34。

图2进一步所示，hp涡轮包括一个或多个护罩组件，其围绕转子叶片的环形阵列形成环形环。例如，护罩组件72可围绕第一级50的转子叶片58的环形阵列56形成环形环，护罩组件74可围绕第二级60的涡轮转子叶片68的环形阵列66形成环形环。第一级50的护罩组件72包括多个护罩段或护罩73(图2中只显示了一个)。每个护罩73由弓形护罩吊架75承载，该弓形护罩吊架75又被安装到环形壳体80(其可以连接至图1的壳体18的一部分或形成为图1的壳体18的一部分)。每个护罩吊架75通过前钩82和后钩84安装到壳体80，前钩82和后钩84接合壳体80的配合机械特征。类似地，第二级60的护罩组件74包括多个护罩段或护罩86(图2中只显示了一个)。每个护罩86由弓形护罩吊架88承载，该弓形护罩吊架88又安装到环形壳体80。每个护罩吊架88通过前钩90和后钩92安装到壳体80，前钩90和后钩92接合壳体80的配合机械特征。一般情况下，护罩组件72,74的护罩73、86与每一个转子叶片68的叶片尖端76、78径向间隔开。径向或间隙cl被限定在叶片尖端76、78和护罩之间。

喷嘴段51、61的内带53、63，外带55、65和定子轮叶54、64以及护罩组件72，74和涡轮转子叶片58、68至少部分地限定热气路径70，用于将来自燃烧区段26(图1)的燃烧气体引导通过hp涡轮28。内带53、63，外带55、65，护罩73、86和护罩吊架75、88通常减少高压压缩机排出的空气(p3表示的空气)泄漏到低压热气路径70中。

应该注意的是，上述披露的护罩组件可以另外地以类似的方式用于低压压缩机22、高压压缩机24和/或低压涡轮30中。因此，本文所公开的护罩组件并不限于在高压涡轮中使用，而是可以在燃气涡轮发动机的任何合适的区段中使用。此外，如本文所使用的，护罩、护罩吊架、喷嘴段和可连接在一起以形成环形环或部分环的其他部件通常被称为“部件段”。也就是说，护罩73、86，护罩吊架75、88，喷嘴段51、61都可以被认为是部件段。

图3提供了根据本公开的示例性实施例的示例性嵌套段组件100的轴向截面图。更具体地说，图3中所示的嵌套段组件100是嵌套式护罩吊架组件，其具有与相邻的第二护罩吊架嵌套的第一护罩吊架。例如，护罩吊架可以是图2所示的护罩吊架75、88之一。尽管在此将嵌套段组件100描述为在航空工业中用于燃气涡轮发动机的应用，但应该注意的是，嵌套段组件100可以构造为在任何合适的应用和任何合适的行业中使用。例如，本文描述的发明性方面可以用于交通工具，海事，发电或其他合适的行业。

根据本公开的各方面，可以使用增材制造工艺(例如3d打印工艺)形成一些或全部嵌套段组件100。这样的过程的使用可以允许嵌套段组件100的部件段嵌套在一起(即，连接在一起但不附接)，但是仍形成为单个整体式部件。具体地说，制造过程可以允许嵌套段组件100形成为具有使用先前制造方法时不可能形成的各种特征。例如，本文所述的增材制造方法使得能够制造具有独特特征、构造、厚度、材料、密度和结构的分段部件是无法使用现有的制造方法实现。这些新颖的特征中的一些可以在使用例如本文所述的增材制造工艺同时形成这样的部件之后，允许嵌套段组件100的两个部件段之间的相对运动。

如本文中所使用的，术语“增材制造”或“增材制造技术或工艺”通常是指制造过程，其中在彼此上提供连续材料层以逐层“堆积”三维部件。连续的层通常熔融在一起以形成整体组件，该整体部件可以具有各种完整的子部件。尽管本文描述的增材制造技术使得能够通过通常在垂直方向上逐点、逐层构建对象来实现复杂对象的制造，但是其他制造方法也是可能的，并且在本主题的范围内。例如，尽管本文的讨论涉及增加材料以形成连续的层，但是本领域技术人员将理解，本文公开的方法和结构可以用任何增材制造技术或制造技术来实践。例如，本公开的实施例可以使用层相加工艺，层相减工艺或混合工艺。

根据本公开的合适的增材制造技术包括，例如，熔融沉积建模(fdm)、选择性激光烧结(sls)、3d打印(例如通过喷墨、激光和粘合剂喷墨)、立体光刻(sla)、直接选择激光烧结(dsls)、电子束烧结(ebs)、电子束熔化(ebm)、激光工程网成形(lens)，激光网形制造(lnsm)、直接金属沉积(dmd)、数字光加工(dlp)、直接选择激光熔化(dslm)、选择激光熔化(slm)、直接金属激光熔化(dmlm)和其他已知过程。

本文所述的增材制造工艺可用于使用任何合适的材料形成部件。例如，材料可以是塑料，金属，混凝土，陶瓷，聚合物，环氧树脂，光敏聚合物树脂，或任何其他合适的材料，可能是固体，液体，粉末，薄板材料，电线，或任何其他合适的形式或其组合。更具体地，根据本主题的示例性实施例，本文描述的增材制造的部件可以部分地，整体地或以包括但不限于纯金属，镍合金，铬合金，钛，钛合金，镁，镁合金，铝，铝合金和镍或钴超合金(例如，可从specialmetalscorporation获得的名称为的那些)。这些材料是适用于本文所述的增材制造过程的材料的示例，并且通常可称为“增材”。

另外，本领域的技术人员将理解，可以使用多种材料和用于结合这些材料的方法，并且这些材料和方法被认为在本公开的范围内。如本文所使用的，对“熔融”的提及可以指用于产生由任何以上材料形成的粘结层的任何合适的工艺。例如，如果物体是由聚合物制成的，则熔融可指在聚合物材料之间建立热固性键合。如果物体是环氧树脂，则可以通过交联过程形成键合。如果材料是陶瓷，则可以通过烧结工艺形成键合。如果材料是粉末金属，则可以通过熔融或烧结工艺形成键合。本领域的技术人员将理解，通过增材制造来熔融材料以制造部件的其他方法也是可行的，并且目前公开的主题可以通过那些方法来实践。

另外，本文公开的增材制造工艺允许单个部件由多种材料形成。因此，本文描述的组分可以由以上材料的任何合适的混合物形成。例如，部件可以包括使用不同的材料，工艺和/或在不同的增材制造机器上形成的多层，分段或零件。以这种方式，可以构造具有不同材料和材料特性的部件，以满足任何特定应用的需求。另外，尽管本文描述的部件完全由增材制造工艺构造，但是应当理解，在替代实施例中，这些部件的全部或一部分可以通过铸造，机械加工和/或任何其他合适的制造工艺来形成。实际上，可以使用材料和制造方法的任何合适的组合来形成这些部件。

现在将描述示例性增材制造工艺。增材制造过程使用部件的三维(3d)信息(例如三维计算机模型)来制造部件。因此，可以在制造之前定义部件的三维设计模型。就这一点而言，可以扫描部件的模型或原型以确定部件的三维信息。作为另一个示例，可以使用适当的计算机辅助设计(cad)程序来构造部件的模型，以定义部件的三维设计模型。

设计模型可能包括部件的内外表面在内的整个结构的3d数值坐标。例如，设计模型可以定义主体，表面和/或内部通道，例如开口，支撑结构，突起等。在一个示例性实施例中，三维设计模型例如沿着部件的中心(例如，垂直)轴或任何其他合适的轴被转换为多个切片或分段。每个切片可以为切片的预定高度限定部件的薄截面。多个连续的横截面切片一起形成3d部件。然后逐个片段或逐层“构建”部件，直到完成。

以这种方式，可以使用增材工艺来制造本文所述的嵌套段组件100的部件段，或更具体地，例如通过使用激光能量或将塑料熔融或聚合，或者通过烧结或熔化金属粉末，来依次形成每个层。例如，特定类型的增材制造工艺可以使用能量束(例如，电子束或电磁辐射，例如激光束)来烧结或熔化粉末材料。可以使用任何合适的激光和激光参数，包括关于功率，激光光斑尺寸和扫描速度的考虑。为了增强强度、耐久性和使用寿命，特别是在高温下，可选择任何合适的粉末或材料形成构建材料。

每个连续层可以例如在大约10μm和200μm之间，但是根据替代实施例，可以基于任何数量的参数选择厚度并且可以具有任何合适的尺寸。因此，利用上述增材形成方法，本文所述的部件可具有与在增材形成过程中使用的相关粉末层的厚度(例如10μm)一样薄的横截面。

另外，利用增材工艺，部件段的表面光洁度和特征可以根据应用的需要而变化。例如，可以通过在增材过程中，特别是在涂层的外围，选择适当的激光扫描参数(例如，激光功率，扫描速度，激光焦点尺寸等)来调整表面光洁度(例如，使表面更光滑或更粗糙)，特别是在与零件表面相对应的截面层的外围。例如，可以通过增加激光扫描速度或减小所形成的熔池的尺寸来获得较粗糙的光洁度，而且可以通过降低激光扫描速度或增大所形成的熔池的尺寸来实现较光洁的光洁度。也可以改变扫描图案和/或激光功率以改变选定区域的表面光洁度。

值得注意地，在示例性实施例中，由于制造限制，本文之前描述的嵌套段组件100的部件段的几个特征以前是不可能的。然而，本发明的发明人已经有利地利用增材制造技术中的最新进展来总体上根据本公开来开发这种部件的示例性实施例。尽管本公开一般不限于使用增材制造来形成这些部件，但是增材制造确实提供了各种制造优势，包括易于制造，成本降低，准确性更高等。

在这方面，利用增材制造方法，甚至多部分部件也可以形成为单片连续金属，因此可能包含比现有设计更少的子部件和/或接头。通过增材制造来一体形成这些多零件部件可以有利地改善整个组装过程。例如，整体结构减少了必须组装的独立零件的数量，从而减少了相关的时间和总体组装成本。另外，可以有利地减少例如泄漏，独立零件之间的连接质量以及整体性能的现有问题。

此外，上述增材制造方法使得本文所述的部件的形状和轮廓更加复杂和复杂。例如，这样的部件段可以嵌套在一起，但是仍然允许它们之间的轻微相对运动，例如，以便于组装和热生长。另外，增材制造过程使得能够制造具有不同材料的单个部件，使得部件的不同部分可以展现出不同的性能特征。制造过程的连续性，累加性质使这些新颖特征得以构建。因此，本文描述的嵌套段组件100的部件段可表现出改进的功能性和可靠性。

如图3所示，类似于图1的涡轮风扇10。嵌套段组件100限定轴向方向a，径向方向r和周向方向c。此外，嵌套段组件100限定轴向中心线ax(图4)，该轴向中心线ax延伸穿过嵌套段组件100以作为参考。通常，轴向方向a平行于轴向中心线ax延伸，径向方向r正交于轴向中心线ax或从轴向中心线ax延伸，并且周向方向c围绕轴向中心线ax同心地延伸。

嵌套段组件100包括第一部件段110和与第一部件段110嵌套的第二组部件段112。第二部件段112例如沿周向方向c邻近第一部件段110。虽然在图3中仅示出了两(2)个部件段，任何适当数量的部件段可嵌套在一起以形成嵌套段组件100。作为一个示例，如图4所示，嵌套段组件100可包括嵌套在一起以形成环形环102的多个部件段。作为另一示例，如图5所示，第一嵌套段组件104可包括嵌套在一起以形成环形环的一半的多个部件段，第二嵌套段组件106可包括嵌套在一起以形成环形环的另一半的多个部件段。第一嵌套段组件104可以通过传统方法，例如通过花键密封组件108，与第二嵌套段组件106连接在一起，在花键密封组件108中，将花键密封件插入限定在相邻部件段的斜面中的槽中。

如图3所示，每个部件段110、112例如沿着轴向方向a在前端114和后端116之间延伸(图7)，例如沿着径向方向r在内端118和外端120之间延伸，并且例如沿着周向方向c在第一端122和第二端124之间延伸。此外，每个部件段110、112在其各自的第一端122上具有第一端面126，在其各自的第二端124具有第二端面128。通常，部件段的第一端面126和第二端面128正交于周向方向c。

如上所述，第一部件段110与相邻的第二部件段112嵌套。特别地，第一部件段110通过某些嵌套特征与第二部件段112嵌套。如图3所示，突起或舌部130在其第二端124处从第一部件段110的第二端面128向外突出。具体地说，舌部130沿周向方向c从第一部件段110的第二端面128向外突出。如进一步所述，第二部件段112在其第一端面126限定了凹槽132。凹槽132的轴向横截面被限定为具有与所示的舌部130的轴向横截面大致互补的形状。第一部件段110的舌部130的至少一部分嵌套在由第二部件段112限定的凹槽132内。尽管图3中未显示，部件段可以在其第一端122处与第一部件段110嵌套，而另一个部件段可以在其第二端124处与第二部件段112嵌套。例如，在其第二端具有舌部的部件段可以嵌套在由第一部件段110在其第一端122处限定的凹槽132内，并且在其第一端处限定凹槽的部件段可以允许第二部件段112的舌部130嵌套在其中。其他相邻的部件段可以以类似的方式嵌套，例如以形成部分或完整的环形环。

图6提供了与图3中的第二部件段112嵌套的第一部件段110的特写轴向截面视图。也就是说，第一部件段110与第二部件段112连接或互锁，但不附接到第二部件段112。如图6所示，舌部130具有从第一部件段110的第二端面128延伸的颈部134。舌部130的嵌套部分136从颈部134延伸并且嵌套在由第二部件段限定的凹槽132内。如图所示，凹槽132的尺寸和形状容纳舌部130的嵌套部分136的至少一部分。当第一部件段110与第二部件段112嵌套时，不需要例如利用花键密封件来将两个(2)部件组装在一起。这可以，例如，有利地减少组装时间。

颈部134的至少一些部分具有高度h1。嵌套部分136的至少一些部分具有高度h2。而且，如图6所示，凹槽132具有开口138，并且由第二部件段112的一个或多个内表面140限定。凹槽132的开口138(例如，沿着径向方向r)限定在第二部件段112的第一端面126处。凹槽132的开口138具有高度h3。为了确保舌部130嵌套在凹槽132内并且防止第一部件段110(例如，沿着周向方向c)与第二部件部分112分离，舌部130的嵌套部分136的高度h2大于开口138的高度h3。也就是说，第一部件段110的嵌套在由第二部件段112所限定的凹槽132内的舌部130的部分(例如舌部130的嵌套部分136)的尺寸大于凹槽132的开口138。因此，第一部件段110和第二部件段112嵌套在一起并且可以被认为是不可分离的组件。也就是说，第一部件段110和第二部件段112不能被涡轮机械(例如，图1的涡轮风扇10)操作期间预期的任何一个或多个力分开，第一部件段110和第二部件段112安装在涡轮机械中。此外，如图所示，颈部134的高度h1小于开口138的高度h3。

如图6进一步所示，流动路径p被限定在舌部130与限定在第二部件112的凹槽132的一个或多个内表面140之间。流动路径p允许少量的空气从外侧泄漏到内侧(例如，如果嵌套段组件100位于涡轮机的涡轮区段内)或从内侧泄漏到外侧(例如，如果嵌套段组件100位于涡轮机的压缩机区段内)。如将在本文中更详细地解释的，可以定制跨过流动路径p的压降，并且可以沿流动路径p设置增材构建的密封特征。由于可以定制横跨流动路径p的压降，因此可以平衡和优化涡轮机械效率和允许这些部件的热生长的竞争考虑。

图7和图8提供了根据本公开的示例性实施例的示例性部件段的各种视图。具体地说，图7提供了示例性部件段的立体图，并且图8提供了图7的部件段的第二端的特写图。更具体地说，在图7和图8中所示的部件段更详细地描述图3的嵌套段组件100的第一部件段110的特征。

如图7和8所示，舌部130从第一部件段110的第二端面128延伸出来。具体而言，舌部130例如沿轴向方向a基本上在前端114和后端116之间延伸。对于本实施例，舌部130延伸超过第一部件段110的轴向长度的百分之八十(80％)。此外，第一部件段110具有沿径向方向r在第一部件段110的内端118和外端120之间延伸的径向长度rl(图7)。在该实施例中，舌部130至少延伸第一部件段110的径向长度rl的一半。因此，舌部130不仅沿周向方向c从第一部件段110的第二端面128向外突出，而且舌部130基本沿第一部件段110的轴向长度和径向长度rl延伸。

图9提供了可与图7和图8的部件段嵌套的相邻部件段的第一端的特写图。更具体地说，图9所示的部件段更详细地描述了图3所示的嵌套段组件100的第二部件段112的特征。在图9中，为了说明的目的，未示出嵌套的部件段。如图9所示，在第一斜线126处限定的第二部件段112的凹槽132以与第一部件段110的舌部130相似的方式轴向和径向地延伸，以允许第一部件段110的全部或基本上全部的舌部130嵌套在第二部件段112的凹槽132中。应当理解，图7和8所示的第一部件段110同样可包括凹槽，该凹槽与图9所示的凹槽132以类似的方式轴向和径向延伸，以便允许嵌套另一个相邻的部件段的所有或基本上所有的舌部130。

再次参考参照图7和图8，如图所示，舌部130包括前部150，过渡部分152和后部154。前部150定位在第一部件段110的前端114处或邻近第一部件段110的前端114，并且沿着径向r设置在舌部130的过渡部分152和后部154的内侧。随着前部150沿着轴向a向后延伸并且沿着径向方向r开始向上弯曲，前部150过渡到过渡部分152。当过渡部分152沿着轴向方向a向后延伸时，舌部130的过渡部分152沿着径向方向r向上倾斜。此外，随着过渡部分152沿轴向a向后延伸，过渡部分152弯曲进入舌部130的后部154。具体地说，舌部130具有相反的曲率，其中舌部130从过渡部分152过渡到后部154的曲率与舌部130从前部150过渡到过渡部分152的曲率相反。舌部的后部154设置在舌部130的过渡部分154和前部150的外侧。一般情况下，从周向方向c观察，舌部130以s形或s形曲线的形式从第一部件段110的第一端面126突出。

如图8进一步所示，对于该实施例，舌部130包括从其突出的多个湍流器142。具体地说，对于该实施例，多个湍流器142是半球形的突起。在替代实施例中，湍流器142可以是圆锥形，矩形长方体，其他合适的形状，其组合等。对于该实施例，一些湍流器142从颈部134突出，并且一些湍流器142从舌部130的嵌套部分136突出。从颈部134突出的湍流器142沿着轴向方向a彼此间隔开，并且类似地，从嵌套部分136突出的湍流器142沿着轴向方向a彼此间隔开。如图8所示，从颈部134突出的湍流器142与从嵌套部分136突出的湍流器142偏移或轴向交替。

图10提供了与图9的第二部件段112嵌套的图7和图8的第一部件段110的特写轴向截面图。如图10所示，从舌部130突出的湍流器142产生曲折的流动路径p。在流体大体上径向移动通过流动路径p时，曲折的流动路径p使流体(例如，压缩空气)径向和轴向地扭曲和转向。从流动路径p的轴向方向a看，相对长的马蹄形会导致摩擦损失，而湍流器142会导致转向损失。这样的损失最终减小了试图通过流动路径p泄漏的流体的压力，因此，可以将整个泄漏控制到令人满意的水平。如上所述，可以定制流动路劲上的压降。这可以通过将湍流器142定位在某些位置、增材地打印更多或更少的湍流器142、改变湍流器142的形状等来完成。

图11提供了与一个示例性第二部件段112嵌套的一个示例性第一部件段110的特写轴向截面图。如图所示，除上述湍流器特征作为补充或替代之外，限定凹槽132的内表面140可包括从其突出的多个湍流器144。湍流器144的形状可以相对于如上所述的湍流器142形成。此外，舌部130限定了多个凹陷146以限定流动路径p。每个凹陷146与对应的湍流器144相对。相对的湍流器144和凹陷146产生具有额外的转向和流体可以接触的表面的收缩流动通道，这最终降低了流体的压力。对于该实施例，凹陷146被限定为半球形凹陷。然而，其他合适的形状也是可能的，例如圆锥形的凹陷，圆形等。此外，在一些实施例中，凹陷146不需要与相应的湍流器144相对。有利地是，通过打印舌部130以便在舌部130处限定凹陷146，打印舌部130所需的材料更少。此外，在一些实施例中，第二部件段112的内表面140可类似地限定多个凹陷。

现在参照图12和图13，图12提供了与一个示例性第二部件段112嵌套的一个示例性第一部件段110的特写轴向截面图。如图所示，作为上述湍流器特征的补充或替代，限定凹槽132的内表面140可包括从其突出的多个湍流器144，并且舌部130可包括从其突出的具有棱锥形状的多个湍流器142。图13提供了从图12的第一部件段的舌部130突出的多个湍流器142的特写图。应当理解，从限定凹槽132的内表面140突出的湍流器144可以与图13所示的湍流器142类似地成形。

值得注意的是，根据本文所述的示例性实施例，第一部件段110与第二部件段112同时被增材制造。其他部件段也可以同时地增材制造。例如，参照图3，第一部件段110和第二部件段112可以例如沿轴向方向a在增材制造机器160的构建平台或床162上增材制造。例如，增材制造机器160的能量源164可以选择性地引导能量以连续地熔融一层或多层增材材料以形成嵌套段组件100。在这方面，使用上述一种或多种增材制造技术，第一部件段110和第二部件段112因此沿着轴向方向a从其后端116到其前端114(图7)被逐层同时地增材制造(例如，“打印”)，反之亦然。在一些实施例中，第一部件段110和第二部件段112可以(例如沿着径向方向r)在构建平台或床上被增材制造。

图14提供了根据本公开的示例性实施例的用于制造嵌套段组件的示例性方法(300)的流程图。例如，示例性方法(300)可用于利用一种或多种上述增材制造技术来增材制造本公开的嵌套段组件100。应当理解，本文仅讨论示例性方法(300)以描述本主题的示例性方面，而无意于进行限制。

在(302)，方法(300)包括在增材制造机器的床上沉积一层增材材料。例如，增材制造机器可以在床或平台上沉积一层增材材料。增材材料层可以由任何合适的材料形成，例如金属、本文所述的一些其他材料或其组合。

在(304)，方法(300)包括选择性地引导来自增材制造机器的能量源的能量以在增材材料层的顶部上连续地熔融一层或多层增材材料，从而形成嵌套段组件。例如，所形成的嵌套段组件100在一些或所有方面可类似于上述嵌套段组件100。

例如，在(304)处形成的嵌套段组件可以包括第一部件段，该第一部件段具有端面和从该端面向外突出的舌部。舌部具有限定高度的嵌套部分。嵌套段组件还包括邻近第一部件段的第二部件段。第二部件段限定凹槽。凹槽具有限定开口高度的开口。舌部的嵌套部分的至少一部分嵌套在由第二部件段限定的凹槽内。此外，嵌套部分的高度大于开口高度，以不可分离地结合第一部件段和第二部件段。值得注意的是，在一些示例性实施方式中，第一部件段和第二部件段同时被增材制造为不同但不可分离的整体部件。

在一些实施方式中，在(304)处在引导来自增材制造机器的能量源的能量以在增材材料层的顶部上连续地熔融一层或多层增材材料、从而形成嵌套段组件期间，在舌部和限定第二部件段的凹槽的一个或多个内表面之间限定了流动路径。例如，如图3、图6、图8和图9中的任何一个所示，流动路径p被限定在舌部130和限定第二部件段112的凹槽132的一个或多个内表面140之间。此外，在一些实施方式中，流动路径被限定为具有沿轴向方向观察的马蹄形。例如，如图3、图6、图8和图9中的任何一个所示，流动路径p被限定为具有蹄形或马蹄形。马蹄形增加了流过其中的流体的摩擦力和转向损失。

在一些进一步的实施方式中，在(304)处在引导来自增材制造机器的能量源的能量以在增材材料层的顶部上连续地熔融一层或多层增材材料、从而形成嵌套段组件期间，多个湍流器从第一部件段的舌部和第二部件段的一个或多个内表面中的至少一个突出以限定流动路径。例如，在图10的所示出的实施例中，多个湍流器142从第一部件段110的舌部130突出。在图11所示实施例中，多个湍流器144从第二部件段112的一个或多个内表面140突出。在一些实施方式中，尽管未示出，但是多个湍流器142从第一部件段110的舌部130突出，并且多个湍流器144从第二部件段112的一个或多个内表面140突出。

在一些实施方式中，在(304)处在引导来自增材制造机器的能量源的能量以在增材材料层的顶部上连续地熔融一层或多层增材材料、从而形成嵌套段组件期间，多个凹陷由第一部件段的舌部和第二部件段的一个或多个内表面中的至少一个限定，以限定流动路径。例如，如图11所示，第一部件段110的舌部130限定了多个凹陷146。凹陷146限定了流动路径p。在一些实施方式中，尽管未示出，但附加地或替代地，第二部件段112的内表面140限定了多个凹陷146。这样的凹陷146可以限定流动路径p。

上面描述了增材制造的嵌套段组件和用于制造嵌套段组件的方法。值得注意的是，嵌套段组件通常可包括性能增强的特性，这些特性的实际实现可以通过增材制造过程来实现。例如，使用在此描述的增材制造方法，嵌套段组件可以包括第一部件段，该第一部件段与第二部件段嵌套并且不可分离地形成，但仍然容纳部件段的热增长并且允许部件段之间的相对运动，例如，为了易于组装。这些特征可以在嵌套段组件的设计期间引入，使得它们可以在构建过程期间以很少或没有额外成本很容易地集成到嵌套段组件中。

在一些情况下，嵌套段组件可以被打印为完整的环形环并且被组装到涡轮发动机中。在其他情况下，由于环的尺寸或其他实际考虑，可以将两个或更多个嵌套段组件以如上所述的嵌套方式打印，并且可以通过传统方法，例如通过花键密封件，将这些组件连接在一起。尽管这样的传统方法可能会带来如前所述的一些挑战，但是这样的环形环可以通过将至少一些部件段嵌套到嵌套段组件中然后连接它们，来更有效地组装。

图15、16和17提供了根据本公开的示例性实施例的示例性分段部件组件的各种视图。具体地，图15提供了示例性分段部件组件200的轴向视图。图16提供了图15的部分16的特写轴向截面图，描绘了定位在分段部件组件200的一个示例性第二部件段212附近的第一部件段210。此外，图17提供了与图15的分段部件组件200的第二部件段212相邻的第一部件段210的特写轴向横截面图。

如图所示，除如下所述外，部件段210、212可以以与上文所述的部件段110、112类似的方式构造。具体地，每个部件段210、212例如沿着轴向方向a在前端和后端之间延伸，例如沿着径向方向r在内端218和外端220之间延伸，以及例如沿周向方向c在第一端122和第二端124之间延伸。此外，每个部件段210、212在其各自的第一端222处具有第一端面226，在其各自的第二端224处具有第二端面228。通常，部件段的第一端面226和第二端面228与周向方向c正交。

如图16中所示，对于本实施例，特斯拉阀250限定在第一部件段210和第二部件段212之间。通常，特斯拉阀250导致泄漏流从外侧流向内侧(即从外端220流向内端218)以逆着自身流动，而无需利用任何可变的几何形状或移动零件。特斯拉阀250由沿着第一部件段210的第二端面228和相邻的第二部件段212的第一端面226的特征形成。更具体地，第一部件段210在其第二端面228处限定由分隔墙232彼此间隔开的多个桶或凹口230。每个凹口230被分隔墙232分隔开，基本上沿着径向方向r沿着第一部件段210的径向长度延伸。此外，凹口230基本沿着轴向方向a沿着第一部件段210的轴向长度延伸。以这种方式，可以轴向地和径向地控制泄漏。类似地，第二部件段212在其第一端面226处限定由分隔墙242彼此间隔开的多个桶或凹口240。每个凹口240由分隔墙242分隔，基本上沿着径向方向r沿着第二部件段212的径向长度延伸。由第二部件段212限定的凹口240与由第一部件段214限定的凹口230以交替布置限定。因此，当流体流过特斯拉阀250时，流体以交替的方式从凹口240向下游流到凹口230，这将在下面更全面地解释。此外，凹口240基本上沿着轴向方向a沿着第二部件段212的轴向长度延伸。以这种方式，可以轴向和径向地控制泄漏。应当理解，第一部件段210可具有包括与其第二端面228相同的特征的第一端面226，并且第二部件段212可具有包括与其第一端面226相同的特征的第二端面228。此外，将认识到，分段部件的环形环可具有如上所述的类似的特征。

如图17所示，在操作中，从外侧流到内侧的流体被引导通过外侧开口214进入由第二部件段212限定的凹口240。流体向内流入凹口240，然后在向外方向上偏转近180度(180°)。流体的向外流动极大地阻碍了额外的流体流入外侧开口214。然而，值得注意的是，一些流体流过在分隔墙242和第一部件段210的第二端面228之间限定的通道234。流体沿向内方向加速通过通道234并流入由第一部件段210限定的凹口230。流体向内流入凹口230，然后在向外方向上偏转近180度(180°)。流体的向外流动极大地阻碍了流体流过通道234。然而，一些流体通过在分隔墙242和第二部件段212的第一端面226之间限定的通道244。流体以这种方式继续向下游流动，直到流体通过内侧开口216流出。值得注意的是，凹口230、240的几何形状在流体中引起剧烈的浪涌和涡流，这实质上干扰了部件段210、212之间从外侧到内侧的流体流动。

此外，尽管示出了用于特斯拉阀250的四个凹口230和四个凹口240，但是可以通过分段部件之间的泄漏流率来确定任何合适数量的凹口。特斯拉阀250的几何形状可以通过机械加工或通过如本文所述的合适的增材制造工艺来创建。此外，特斯拉阀250的特征可以被机械加工或增材打印以阻止在其他方向上的流动，例如，如图18所示的从内侧到外侧的流动。此外，本文描述的特斯拉阀250可结合或可替代地使用其它密封方法，例如本文描述的花键密封件或嵌套特征。

该书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求书的文字语言不存在差异的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的文字语言不存在实质性差异的等效结构元件，则这些其他示例旨在权利要求书的范围内。