空气涡轮启动器容纳系统的制作方法

1.本公开大体涉及用于旋转部件的容纳系统，特别是用于包围空气涡轮启动器中的涡轮转子的容纳系统。


背景技术：

2.飞行器发动机，例如燃气涡轮发动机，以常规操作接合到空气涡轮启动器。空气涡轮启动器(ats)可用于启动内燃机的旋转。ats通常被安装在发动机附近，并且可以联接到例如压缩空气的高压流体源，高压流体源撞击ats中的涡轮转子，使其以相对高的速率旋转。ats包括输出轴，输出轴联接到涡轮转子，通常通过减速齿轮箱到发动机。因此，输出轴随涡轮叶轮而旋转。该旋转转而又使内燃机的可旋转元件(例如，曲轴或可旋转轴)开始旋转。由ats进行的旋转继续，直到内燃机达到自持操作旋转速度。


技术实现要素：

3.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而获知。
4.在一个方面中，本公开涉及一种用于启动发动机的空气涡轮启动器，包括：外壳，外壳具有限定内部的内部表面；至少一个涡轮构件，至少一个涡轮构件围绕旋转轴线可旋转地安装在内部内，并且具有多个周向间隔开的叶片；和容纳结构，容纳结构径向覆盖并周向包围至少一个涡轮构件的至少一部分，具有在径向外表面与径向内表面之间延伸的厚度，并且至少部分地包括形状记忆合金。
5.在另一个方面中，本公开涉及一种形成用于空气涡轮启动器的容纳结构的方法，该方法包括形成容纳结构以限定在外带表面与内带表面之间延伸的厚度，并且至少一层形状记忆合金限定至少一部分厚度。
6.参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点。并入本说明书并构成本说明书的一部分的附图图示了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
7.在参考附图的说明书中，针对本领域普通技术人员，阐述了本发明包括其最佳模式的完整且能够实现的公开：
8.图1是根据本文描述的各种方面的具有附件齿轮箱和空气涡轮启动器的涡轮发动机的立体图。
9.图2是可以被包括在图1中的示例性空气涡轮启动器的横截面图。
10.图3是包括容纳系统的图2的空气涡轮启动器的一部分的放大横截面图。
11.图4a是根据本文描述的本公开的一方面的图3的容纳系统的容纳带的示意性横截面图。
12.图4b是根据本文描述的本公开的另一方面的图3的容纳系统的容纳带的示意性横截面图。
13.图5是根据本文描述的本公开的另一方面的图3的容纳系统的容纳带的示意性横截面图。
14.图6是根据本文描述的本公开的又一方面的图3的容纳系统的容纳带的示意性横截面图。
具体实施方式
15.本公开的方面针对具有空气涡轮启动器的涡轮发动机，空气涡轮启动器包括用于保持、容纳或另外减少ats部件的排出的外壳结构。尽管本文描述的示例针对涡轮发动机和启动器的应用，但是本公开可以应用于驱动机构的任何实施方式，该驱动机构在驱动输出处产生旋转运动，并将旋转运动提供给另一件旋转设备。为了说明的目的，将关于飞行器涡轮发动机的启动器来描述本公开，然而，启动器可以具有包括启动燃气涡轮发动机的各种应用。
16.本文描述的外壳结构包围涡轮转子并且被构造成既容纳涡轮的部件又吸收耗散的能量。通常，具有高韧性的金属被用于形成容纳带。
17.常规的空气涡轮启动器(ats)包括涡轮转子，涡轮转子在加压空气下旋转，以传送足够的速度和扭矩来启动涡轮发动机。金属容纳罩可以被安装在ats内，以提供保持、容纳、防止或另外减少ats部件的排出的强度和刚性，ats部件包括但不限于涡轮转子、松散部件或碎片、附加旋转部件等。金属容纳罩显著地有助于重量，并且对于吸收冲击、动能等具有有限的变形能力。容纳系统通常包括包围涡轮转子的固体金属容纳带，该固体金属容纳带由具有高韧性的金属(例如，17
‑
4ph钢或inco系列金属)形成。材料的高韧性导致更薄的容纳带。韧性被限定为材料吸收能量以及在不破裂的情况下塑性变形的能力。韧性需要强度和延展性的平衡。具有高韧性的金属也具有高密度，这有助于容纳系统和飞行器的总重量。
18.高韧性金属的缺点是这些材料也具有高密度，使得容纳带很重并且显著地增加了整个系统的重量，从而显著地增加了飞行器的重量。此外，这些金属材料的韧性只有通过特殊处理才能有限地提高，这转而又限制了能量吸收能力和容纳带的厚度。
19.替代方法是结合密度较低但韧性较高的材料，以形成容纳带的至少一部分，以便增加整体韧性，在容纳带的强度和延展性之间达成平衡，这可以减少容纳带的重量，同时保持或提高容纳系统的特定能量吸收能力。
20.如本文所用，术语“上游”是指与流体流动方向相反的方向，术语“下游”是指与流体流动方向相同的方向。术语“在前”或“向前”意指在某物前面，而“在后”或“向后”意指在某物后面。例如，当在流体流动方面被使用时，在前/向前可以意指上游，在后/向后可以意指下游。
21.另外，如本文所使用的，术语“径向”或“径向地”是指远离共同中心的方向。例如，在涡轮发动机的整体环境中，径向是指沿着在发动机的中心纵向轴线与发动机外周之间延伸的射线的方向。此外，如本文所使用的，术语“元件集合”或“一组元件”可以是任何数量的元件，包括仅一个。
22.所有方向参考(例如，径向、轴向、近端、远端、上、下、向上、向下、左、右、侧向、前、
后、顶部、底部、上方、下方、垂直、水平、顺时针方向、逆时针方向、上游、下游、向前、向后等)仅用于识别目的，以帮助读者理解本公开，并且不应被解释为对实施例的限制，特别是对本文所描述的本公开的各方面的位置、方位或用途的限制。除非另有指示，否则连接参考(例如，附接、联接、连接和结合)要被广义地解释，并且可以包括元件集合之间的中间构件以及元件之间的相对移动。这样，连接参考不必然推断两个元件直接连接并且彼此成固定关系。示例性附图仅出于图示的目的，附图中反映的尺寸、位置、顺序和相对大小可以变化。
23.参考图1，空气涡轮启动器马达或ats 10联接到也称为变速器外壳的附件齿轮箱(agb)12，并且一起示意性地被图示为安装至例如燃气涡轮发动机的涡轮发动机14。该组件通常被称为集成式启动器/发电机齿轮箱(isgb)。涡轮发动机14包括具有风扇16的进气口，风扇16将空气供应到高压压缩区域18。具有风扇16的进气口与高压压缩区域一起被称为涡轮发动机14在燃烧上游的“冷区段”。高压压缩区域18为燃烧室20提供高压空气。在燃烧室中，高压空气与燃料混合并燃烧。热的加压燃烧气体在从涡轮发动机14排出之前穿过高压涡轮区域22和低压涡轮区域24。当加压气体穿过高压涡轮区域22和低压涡轮区域24时，从穿过涡轮发动机14的气体流中提取旋转能。轴可以将高压涡轮区域22连接到高压压缩区域18以驱动压缩机构。低压涡轮可以通过轴联接到进气口的风扇16，从而为风扇16提供动力。
24.agb 12通过机械动力输出装置26在高压涡轮区域22或低压涡轮区域24处联接到涡轮发动机14。机械动力输出装置26包含多个齿轮和用于将agb 12机械联接到涡轮发动机14的装置。在正常操作状况下，动力输出装置26将动力从涡轮发动机14转变到agb 12，从而为飞行器的附件提供动力，飞行器的附件例如但不限于燃料泵、电力系统和机舱环境控制。ats 10可以安装在包含风扇16的进气区域的外面，或者安装在接近高压压缩区域18的核心上。
25.现在参考图2，更详细地示出了可以安装到agb 12的ats 10。通常，ats 10包括外壳30，外壳30限定入口32、出口34、以及在入口32与出口34之间延伸用于使气体流通过其中的流动路径36。在一个非限制性示例中，气体是空气，并且从地面操作气源车、辅助动力单元或来自已经操作的发动机的交叉引气启动被供应。ats 10包括涡轮构件38，涡轮构件38在外壳30内并且被布置在流动路径36内，用于沿着流动路径36可旋转地从气体流中提取机械能。容纳系统41设置在包围涡轮构件38的外壳30中。齿轮箱42安装在外壳30内。此外，可以使布置在齿轮箱42内并与涡轮构件38驱动联接的齿轮系40旋转。
26.齿轮系40包括环形齿轮46，并且可以进一步包括任何齿轮组件，任何齿轮组件包括例如但不限于行星齿轮组件或小齿轮组件。涡轮轴50将齿轮系40联接到涡轮构件38，从而允许将机械动力传递至齿轮系40。涡轮轴50联接到齿轮系40并由一对涡轮轴承52可旋转地支撑。齿轮系40由一对承载轴承53支撑。齿轮箱内部54可以包含润滑剂，包括但不限于油脂或油，以向包含在其中的机械零件(例如齿轮系40、环形齿轮46和轴承52、53)提供润滑和冷却。
27.齿轮箱42中有孔隙56，涡轮轴50延伸通过孔隙56并与承载轴58啮合，离合器60安装到承载轴58并由一对间隔轴承62支撑。驱动轴64从齿轮箱42延伸并联接到离合器60，并且由一对间隔轴承62附加支撑。驱动轴64由齿轮系40驱动并联接到agb 12，使得在启动操作期间，驱动轴64为agb 12提供驱动运动。
28.离合器60可以是形成包括涡轮轴50、承载轴58和驱动轴64的单个可旋转轴66的任
何类型的轴接口部分。轴接口部分可以通过任何已知的联接方法进行，已知的联接方法包括但不限于齿轮、花键、离合器机构或其组合。
29.ats 10可以通过任何材料和方法形成，包括但不限于高强度和轻质金属(例如铝、不锈钢、铁或钛)的压铸。外壳30和齿轮箱42可以形成有在不给ats 10以及因此不给飞行器增加不必要重量的情况下，足以提供足够的机械刚度的厚度。
30.可旋转轴66可以通过任何材料和方法构造，包括但不限于高强度金属合金的挤压或机加工，例如包含铝、铁、镍、铬、钛、钨、钒或钼的那些高强度金属合金。涡轮轴50、承载轴58和驱动轴64的直径可以沿着旋转轴66的长度被固定或变化。直径可以变化以适应不同的大小以及转子到定子的间隔。
31.如本文所述，沿着流动路径36供应的空气使涡轮构件38旋转，用于驱动可旋转轴66的旋转。因此，在启动操作期间，ats 10可以经由可旋转轴66的旋转而成为涡轮发动机14的驱动机构。非驱动机构，即由驱动机构所驱动的设备，可以理解为利用可旋转轴66的旋转移动以例如在ats 10中发电的旋转设备。
32.驱动轴64进一步联接到分离器70。分离器70包括输出轴72，输出轴72可操作地联接到发动机14，使得输出轴可以使发动机14的一部分旋转。
33.图3是来自图2的ats 10的部分a的放大图，图示了容纳系统41的一部分和涡轮构件38。涡轮构件38是绕涡轮轴50的旋转轴线安装的旋转组件。作为非限制性示例，涡轮构件38包括涡轮盘74，涡轮盘74具有图示为涡轮叶片76的多个辐射翼型件。容纳系统41包括在本文中被描述为容纳带78的容纳结构，容纳带78具有限定容纳带78的厚度84的内带表面80和外带表面82。如本文所述的容纳带78可以是用于部分地或整体地包围涡轮构件38的任何容纳结构，并且由彼此分开形成并安装的连续带或零件形成。内带表面80可以具有与涡轮构件38互补的几何形状，使得涡轮构件38可以在外壳30中自由旋转而不接触容纳带78。
34.外壳30具有限定外壳30内部的内部表面86和在外壳30外部的外表面88。容纳带78的外带表面82和外壳30的内部表面86可以限定在容纳带78与外壳30之间的径向间隙90。
35.径向间隙90允许容纳带78的自由变形。容纳带78的自由变形可以耗散一部分能量，减小外壳30的最终变形以及对外壳30的附加部件的潜在能量传递和损坏。
36.在ats 10的正常操作期间，容纳带78经由一个或多个预应力弹簧92被保持在外壳30中的适当位置，预应力弹簧92在容纳带78上引起抵靠外壳30的载荷。在涡轮盘74的部件自由移动的情况下，容纳带78可以变得离开原位并自由旋转以耗散任何松散部件的一些能量，并且围绕松散部件从其原始形状变形，以吸收来自涡轮盘74的松散部件的一些能量并容纳涡轮盘74的松散部件，从而防止损坏ats 10的相邻零件。
37.图4a是根据本文公开的一方面的用形状记忆合金(sma)增强的容纳带100的示意性横截面图。容纳带100可以是图3的容纳带78，并且可以具有适合于容纳带的任何横截面几何形状。容纳带100可以包括sma层110和金属合金层112。sma层110沿着容纳带100的外带表面114的至少一部分周向延伸。sma层110可以包括sma的固体层或多个sma环。
38.sma材料，例如ni
‑
ti合金，表现出伪弹性行为，允许由sma形成的制品在变形后返回其原始形状。此外，sma在破坏时具有高应变。某些sma材料的破坏应变为50
‑
90％，韧性是钢的两倍。因此，通过结合sma材料来增强容纳带可以通过允许容纳带变形以吸收能量，同时仍维持足够的结构完整性以容纳任何涡轮转子松散部件，来增加容纳系统的能量吸收能
力。此外，sma的密度通常低于钢。因此，用sma替换容纳带78的全部或部分可以减小容纳带78的总重量，并因此减小整个飞行器的总重量。
39.作为非限制性实例，本文描述的sma可以包括镍钛诺，镍钛诺是具有近似55％重量镍和45％重量钛的合金，并且被退火以形成本领域已知的期望形状的零件。
40.当涡轮构件38的松散部件与涡轮轴50分离时，它们可以在径向方向上移动。增强的容纳带100将变形，以吸收涡轮构件38的松散部件的冲击。涡轮盘74的松散部件可以以高动能接触容纳带100。在ats的正常操作期间，容纳带100被保持在外壳30中的适当位置，但是，一旦被涡轮盘74的松动部件冲击，容纳带100就可以自由旋转以消散松散部件的一些能量，并在部件周围从其原始形状变形，以从涡轮盘74的部件吸收一些能量以及容纳涡轮盘74的部件，从而防止损坏ats 10的相邻零件。
41.由于其弹性行为，当试图恢复其原始形状时，sma层110在金属合金层112上施加压缩力，但是，变形的金属合金层112防止sma层110完全恢复其原始形状，导致扩张的sma层110。扩张的sma层110继续在金属合金层112上施加压缩力，从而支持金属合金层112的结构完整性，并转而增加了增强的容纳带100吸收由涡轮构件38的任何松散部件施加的能量的能力。当sma层110的压缩力平衡金属合金层112的变形力，导致容纳带100与固体金属容纳带相比具有相同或更好的的能量吸收时，形成增强的容纳带100可能相比于传统的金属容纳带需要更少的金属合金，从而在具有相同或更好的能量吸收能力的情况下，容纳带的整体重量更轻。
42.图4b是根据本公开的另一方面的用sma增强的容纳带120的示意性横截面图。容纳带120可以是图3的容纳带78，并且可以具有适合于容纳带的任何横截面几何形状。容纳带120可以包括sma层122和金属合金层124。sma层122沿着容纳带120的内带表面126的至少一部分周向延伸。sma层122可以包括sma的固体层或多个sma环。
43.增强的容纳带120可以变形，因为它吸收了涡轮构件38的任何松散部件的冲击。在金属合金层124变形以吸收松散部件的冲击的能量的同时，sma层122将试图恢复其原始形状。变形的金属合金层124防止sma层122完全恢复其原始形状，导致扩张的sma层122。扩张的sma层122继续在金属合金层124上施加弹力。因此，抵抗金属合金层124的变形力的sma层122的弹力将抵消，以防止并控制容纳带120的整体变形，并转而增加了增强的容纳带120的能量吸收能力。当sma层122的弹性力平衡了金属合金层124的变形力，导致容纳带120与固体金属容纳带相比具有相同或更好的能量吸收能力时，可能需要更少的金属合金来形成容纳带120，从而在具有与传统容纳带相同或更好的能量吸收能力的情况下，形成重量更轻的容纳带。
44.图5是根据本文公开的又一方面的用sma增强的容纳带130的示意性横截面图。容纳带130可以是图3的容纳带78，并且可以具有适合于容纳带的任何横截面几何形状。增强的容纳带130在限定增强的容纳带130的厚度133的内带表面132与外带表面134之间包括sma和金属合金的交替层。第一金属合金层136被夹在第一sma层138与第二sma层140之间。第二金属合金层142形成内带表面132，同时第三金属合金层144形成外带表面134。每个金属合金层136、142、144中的金属合金可以相同或不同。每个sma层138、140中的sma材料可以相同或不同。替代地，增强的容纳带130可以包括单个sma层或任何数量的sma层。进一步地，可以确定或取决于容纳系统的要求来确定sma的百分比以及sma层与金属合金层之间的间
隔。
45.在容纳带130的厚度133的部分中使用sma来代替金属合金减小了容纳带130的整体重量，并因此减少了飞行器的整体重量。此外，如本文已经描述的，将sma夹在金属合金层之间可以增加容纳带130中的能量吸收的效率。
46.图6是根据本文公开的又一方面的容纳带150的示意性横截面图。再次，容纳带150可以是图3的容纳带78，并且可以具有适合于容纳带的任何横截面几何形状。容纳带150完全由sma形成。由于sma的伪弹性行为，与本文所描述的传统容纳带或其他容纳带100、120和130相比，完全由sma形成的容纳带150可以具有更大的变形。因此，容纳带150还将需要足够的径向间隙90以适应更大的变形。但是，当与完全由金属合金形成的传统的容纳带相比时，由于sma的高应变失效、韧性、较低密度以及伪弹性，因此完全由sma形成容纳带150还可以需要较少的整体材料来吸收等量的能量。当与传统的金属合金容纳带相比时，形成容纳带150所需的较少材料以及容纳带150的较低密度可以提供减小的容纳带150的整体厚度以及减小的容纳带150的整体重量，同时维持容纳系统41的能量吸收要求。
47.虽然图示为环状结构，但应当理解的是，如本文所述的容纳带可以是部分或作为整体单件形成的容纳结构。预期的是，部分或整个容纳结构被增材制造。增材制造(am)处理是通过材料的连续沉积来逐层构建部件的处理。am是描述通过层层增加材料(无论材料是塑料还是金属)来构建3d对象的技术的适当名称。am技术可以利用计算机、三维建模软件(计算机辅助设计或cad)、机器设备和分层材料。一旦产生cad草图，am设备可以从cad文件中读入数据，并以层叠方式铺设或增加液体、粉末、片材或其他材料的连续层以制造3d对象。应当理解，术语“增材制造”涵盖许多技术，包括像3d打印、快速原型(rp)、直接数字制造(ddm)、分层制造和增材制造的子集。可用于形成增材制造部件的增材制造的非限制性实例包括粉末床融合、光固化、粘合剂喷射、材料挤压、定向能量沉积、材料喷射或片材层压。
48.与本文描述的容纳带相关联的益处包括利用具有增加韧性的较轻重量的材料来增强或更换金属容纳带可以增加容纳带的能量吸收能力，同时减小容纳带的重量，并因此减小飞行器的重量。这增加了飞行器的效率，并且保护了ats的其余部分。在启动机故障期间保护ats的其余部件可以降低与修理ats所需的零件和维护相关的成本。
49.在尚未描述的范围内，各种方面的不同特征和结构可以根据需要彼此组合使用。不能在所有方面中都图示一个特征并不意味着不能解释它，而是为了描述的简洁。因此，不管是否明确地描述了新示例，都可以根据需要混合和匹配不同方面的各种特征，以形成新示例。本文所描述的特征的组合或排列被本公开所覆盖。除了以上附图中所示的之外，本公开还涵盖许多其他可能的实施例和构造。另外，可以重新布置各种部件(例如启动器、agb或其部件)的设计和放置，使得可以实现许多不同的同轴构造。
50.本书面描述使用示例来公开本发明包括最佳模式的各方面，并且还使任何本领域技术人员能够实践本发明的各方面，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法。本发明的可专利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。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其他示例旨在权利要求书的范围内。
51.本发明的其它方面由以下条款的主题提供：
52.1.一种用于启动发动机的空气涡轮启动器，包括：外壳，所述外壳具有限定内部的内部表面；至少一个涡轮构件，所述至少一个涡轮构件围绕旋转轴线可旋转地安装在所述内部内，并且具有多个周向间隔开的叶片；和容纳结构，所述容纳结构具有径向外表面和径向内表面，并且具有在所述径向外表面与所述径向内表面之间延伸的厚度，所述径向外表面与所述内部表面间隔开以限定径向间隙，所述容纳结构周向包围所述至少一个涡轮构件的至少一部分，并且至少部分地包括形状记忆合金。
53.2.任何前述条款的空气涡轮启动器，其中所述形状记忆合金沿着所述容纳结构的至少一部分周向延伸。
54.3.任何前述条款的空气涡轮启动器，其中所述形状记忆合金沿着所述径向外表面延伸。
55.4.任何前述条款的空气涡轮启动器，其中所述形状记忆合金沿着所述径向内表面延伸。
56.5.任何前述条款的空气涡轮启动器，其中所述容纳结构在所述径向间隙中可自由变形。
57.6.任何前述条款的空气涡轮启动器，其中所述形状记忆合金是至少两层形状记忆合金。
58.7.任何前述条款的空气涡轮启动器，其中所述容纳结构进一步包括至少一层金属合金。
59.8.任何前述条款的空气涡轮启动器，其中所述至少一层金属合金设置在所述至少两层形状记忆合金之间。
60.9.任何前述条款的空气涡轮启动器，进一步包括金属合金和形状记忆合金的交替层。
61.10.任何前述条款的空气涡轮启动器，其中所述形状记忆合金是镍钛合金。
62.11.任何前述条款的空气涡轮启动器，其中所述形状记忆合金限定整个容纳结构。
63.12.一种形成用于空气涡轮启动器的容纳结构的方法，所述方法包括形成所述容纳结构以限定在径向外表面与径向内表面之间延伸的厚度，并且至少部分地包括限定至少一部分所述厚度的形状记忆合金。
64.13.任何前述条款的方法，进一步包括沿着所述容纳结构的至少一部分周向地形成所述形状记忆合金。
65.14.任何前述条款的方法，进一步包括沿着所述径向外表面形成所述形状记忆合金。
66.15.任何前述条款的方法，进一步包括沿着所述径向内表面形成所述形状记忆合金。
67.16.任何前述条款的方法，进一步包括形成至少一层形状记忆合金。
68.17.任何前述条款的方法，其中所述至少一层是多层。
69.18.任何前述条款的方法，进一步包括由金属合金形成所述容纳结构的至少一部分。
70.19.任何前述条款的方法，进一步包括在多层金属合金之间设置多层形状记忆合金。
71.20.任何前述条款的方法，进一步包括仅由形状记忆合金形成所述容纳环。