分区表面粗糙度的制作方法

本发明涉及多级压缩机之间的改进的气体流动布置。具体来说，但非排他地，本发明涉及气体涡轮发动机中的多级压缩机之间的气体流动。

典型的气体涡轮发动机包括一对压缩机，即，第一上游低压压缩机以及第二下游高压压缩机。该对压缩机将进入发动机的空气以两级压缩，之后被压缩的气体连通到燃烧室中，在燃烧室中引入燃料，并且该混合物被点燃。对于本领域的技术人员来说，气体涡轮发动机的操作是熟知的。

本发明涉及将空气在低压压缩机与高压压缩机之间连通的过渡管道。低压压缩机和高压压缩机与气体涡轮发动机的中心旋转轴线同心。出于效率原因，低压压缩机的半径大于高压压缩机的半径。例如，较小直径的高压压缩机允许发动机内的重量节省以及较紧凑的设计。

背景技术：

此半径差异使得能够将空气从低压压缩机的出口连通到高压压缩机的入口的管道或通道成为必需。因为每一压缩机都是筒形的(并围绕发动机的中心轴线旋转)，所以管道(或通道)呈环形通道的形式，该环形通道与发动机的轴线同心并且在上游端处的入口与下游端处的出口之间具有渐缩的直径。

发动机中的压力损失严重影响气体涡轮发动机的效率，并且因此期望将任何压力损失减到最小。压力损失能够因许多原因(包含表面摩擦、几何形状)而发生，并且导致流动空气与发动机内的通道的表面分离的可能。

在低压压缩机与高压压缩机之间减少压力损失的解决方案是将管道表面加工成极高的表面光洁度。表面甚至可以被抛光以防止流动通过管道的空气的任何中断。实现此精加工通常是困难且昂贵的，这是因为是管道的内表面需要加工。此复杂性稍微由以下事实抵消：常规发动机相对长，这意味管道上的渐缩并不严重，从而允许车床较方便地近接管道内部。

然而，在工业中通常期望减小气体涡轮发动机的总长度，从而实际上在轴向方向上压缩所有部件。这能够显著减小低压压缩机与高压压缩机之间的管道的轴向长度，在该轴向长度上压缩的空气必须从大直径平移到高压压缩机入口的较小直径。实际上，这使得管道的正弦形状或s形状成为必需。

管道的几何形状的复杂度(severity)直接影响加工复杂性和成本。管道的几何形状越极端，加工到实现现代发动机的预期效率所需的期望的表面精整则越困难。这些是气体涡轮发动机制造商当前面临的困难中的一些。

本发明人已确定了加工上文所述的管道的令人惊讶的替代方法，该替代方法极大改进了压缩机之间的压缩的空气的有效连通，减少压力损失，同时还限制了昂贵的制造成本。

技术实现要素：

在所附权利要求书中阐述本发明的形态。

从本文所述的本发明的第一形态所见，提供一种多级压缩机，所述多级压缩机包括相对于涡轮的中心轴线同轴定位的第一压缩机和第二压缩机，其中所述第一压缩机的出口通过管道与所述第二压缩机的入口流体连通，所述管道限定用于气体流动的通道，并且所述管道包括限定所述通道的内表面的内气体面对壁和对置的外气体面对壁，并且其中所述通道的所述内表面的区域具有预定的且不均一的表面粗糙度。

因此，根据本文所述的本发明，提供了非常规管道布置，其中该非常规管道布置与管道的出于将压力和其它效率损失减到最小的目的而具备高度抛光的表面的常规设计相反。

此类型的管道(在本领域中也被称为核心流动过渡管道)中的压力损失的主要来源是导致大摩擦损失的粗糙表面。具体来说，管道的内表面(即，含有气体并限定管道气体流动通道的表面)能够导致主要压力损失。

客户的要求通常根据最大表面粗糙度来表达。为了满足这些要求，制造工艺通常需要包含抛光或甚至超级抛光以实现足够光滑的表面。这在实践中非常难实现，因为流动路径在轴向上是s形的并且通常径向高度较窄。曲线流动路径指示以下抛光设置：高度灵活且足够小以使得该曲线流动路径能够横穿流动路径。现今，通常不可能通过产品的单次夹持来近接所有区域。这继而导致很长的操作时间，因为产品可能需要旋转并且从各种位置加工。这极大地提高了成本。

可能此问题将普遍存在，因为存在对减少所有部件中的压力损失以减少总燃料消耗的恒定关注。

本发明还通过减小管道轴向长度而实现重量减小(或通过针对给定长度增大径向偏移而提高性能)。这在之前是不可能的，部分由于这些激进的管道设计所具有的流动分离的风险。

通道的内表面的流动气体撞击的至少一个区域可以设有比内表面的流动气体不撞击的区域低的预定表面粗糙度。随着气体(空气)进入管道，它撞击(碰撞)管道的内表面，此处，管道使得气体改变方向。这些区域可以具有较低表面粗糙度，以将可随着气体在这些位置处接触管道的内壁而导致的摩擦力减到最小。

相反，内表面的在使用中经历较低的气体压力的区域可以有利地设有比所述通道的其余内表面高的预定表面粗糙度。较低压力的区域是管道的在直径上与高压力的区域相对的区域。具体来说，参照图2(下文更详细地论述)，由于气体在区域c的撞击而出现高压力的区域，而相对的区域e经历较低压力。有利地，增大区域e处的表面粗糙度防止此区域处气体流动与管道的表面的分离。这在下文中更详细地进行描述。

管道呈环的形式，该环在使用中相对于压缩机的中心轴线同轴定位。所述管道从相对于所述压缩机的所述中心轴线测量的第一最大半径渐缩到相对于所述压缩机的所述中心轴线测量的第二较小半径。第一半径和第二半径有利地对应于第一压缩机的出口的半径和第二压缩机的入口的半径以通过管道实现两者之间的气体连通。

管道呈环或环状物的形式，该环或环状物在使用中与压缩机的中心轴线同轴，该环或环状物的外周边的横截面具有大体渐缩的s形状或正弦形状，其中沿着在所述第一压缩机与所述第二压缩机之间的所述管道的长度，从所述涡轮的中心轴线测量的所述管道的最大半径变小。

管道的内气体面对壁可以是多级压缩机的毂的外表面，并且对置的外气体面对壁可以是多级压缩机的护罩的内表面。

管道内表面的设有高于管道的其余部分(即，尚未修改其表面粗糙度以增大或减小其表面粗糙度的区域——“未经修改”区域)的表面粗糙度的区域可以根据给定的管道设计设有任何适当的表面粗糙度值。本发明人已确定，所述通道的所述内表面的具有较高表面粗糙度的所述区域应有利地具有3微米ra或更大的平均粗糙度值。

类似地，管道内表面的设有低于管道的其余部分(即，尚未修改其表面粗糙度以增大或减小其表面粗糙度的区域——“未经修改”区域)的表面粗糙度的区域可以根据给定的管道设计设有任何适当的表面粗糙度值。本发明人已确定，所述通道的所述内表面的具有较低表面粗糙度的所述区域应有利地具有在0.5微米ra与1.6微米ra之间的平均粗糙度值。

增大的表面粗糙度(其防止本文所述的边界分离)可以使用各种制造技术(下文论述)来实现。在替代实施方案中，表面粗糙度可以通过在表面上和/或沿着表面形成或定位隆起而调适，以引起防止重大边界分离的相同的空气动力学干扰。例如，所述通道的所述内表面的具有较高表面粗糙度的所述区域可以设有从表面延伸并延伸到通道中的隆起(例如，突出部、脊部或鼓胀部)。因此，能够减小边界分离。例如，隆起可呈在通道的区域上分布的人字纹的形式。能够使用添加制造技术形成这些隆起。

在一种布置中，人字纹可以是能够移动的，即，在使用中伸展/缩回以提供边界分离的实时调整。

从另一形态所见，提供一种多级气体涡轮发动机，其包括如本文所述的压缩机布置。

从另一形态所见，提供一种制造多级压缩机的管道的方法，管道形状包括用于气体流动的通道，并具有限定所述通道的内表面的内气体面对壁和对置的外气体面对壁，所述方法包括以下步骤：

(a)形成所述管道形状；以及

(b)加工所述通道的所述内表面的预定区域，以将所述预定区域中的平均表面粗糙度减小到比所述通道的其余内表面的平均表面粗糙度低的平均表面粗糙度。

如上文所论述，所述预定区域可以被加工到任何适当的表面粗糙度。例如，区域可以被加工到在0.5微米ra与1.6微米ra之间的平均表面粗糙度。

从另一形态所见，提供一种制造多级压缩机的管道的方法，管道形状包括用于气体流动的通道，并具有限定所述通道的内表面的内气体面对壁和对置的外气体面对壁，所述方法包括以下步骤：

(a)形成所述管道形状；以及

(b)加工所述通道的所述内表面的预定区域，以将所述预定区域中的平均表面粗糙度增大到比所述通道的其余内表面的平均表面粗糙度高的平均表面粗糙度。

如上文所论述，预定区域可以被加工到任何适当的表面粗糙度。例如，区域可以被加工到3微米ra或更大的平均表面粗糙度。

可以使用任何适当的工艺来执行表面粗糙度的加工。实例包含抛光工艺、机器人辅助抛光工艺、激光清洗、滚磨或水射流抛光。增大表面粗糙度的其它工艺包含铣削、研磨或粗抛光。

形成步骤可以以包含铸造或锻造的许多不同方式执行。为管道选择的材料可以是能够适应气体涡轮发动机内的高温的任何适当的材料。实例材料是钛、铝或钛合金或铝合金的锻件、片材以及铸件。

也可以使用添加制造技术来执行形成步骤以产生管道形状。例如，形成步骤可以涉及基于粉末的添加制造技术(沉积工艺)或金属丝沉积工艺。其它技术可以包含选择性激光烧结、电子束焊接或其它技术。

从又一形态所见，提供一种制造多级压缩机的管道的方法，管道形状包括用于气体流动的通道，并具有限定所述通道的内表面的内气体面对壁和对置的外气体面对壁，所述方法包括以下步骤：

(a)使用添加制造(am)工艺以形成所述管道形状；以及

(b)在所述am工艺期间，将所述通道的所述内表面的预定区域设有预定的且不均一的表面粗糙度。

从又一形态所见，提供一种气体涡轮发动机的多级压缩机的过渡管道，所述管道在使用中被布置成使气体在相对于气体涡轮发动机的中心轴线同轴定位的第一压缩机与第二压缩机之间连通，其中所述管道限定用于气体流动的通道，并且所述管道包括限定所述通道的内表面的内气体面对壁以及对置的外气体面对壁，并且其中所述通道的所述内表面的区域具有预定的且不均一的表面粗糙度。

能够使用各种添加制造技术以将本发明的表面修改应用到管道的内表面。实际上，几何形状使得添加制造特别适合，因为能够产生复杂的内部几何形状和表面精整而不需要通过研磨或抛光加工来近接。

术语“添加制造”旨在表示部件(管道)逐层产生直到形成完整管道为止的技术。能够方便地使用的添加制造技术的实例包含粉末床技术，例如，电子束焊接、选择性激光熔融、选择性激光烧结或直接金属激光烧结。替代技术可以包含例如电子束成形等送丝工艺。

本发明的形态扩展到使用添加制造以形成管道的方法，所述添加制造使用上文的这些工艺中的每一个以应用本文所述的分区表面粗糙度布置。

附图说明

现将仅通过示例方式参照附图来描述本发明的形态，其中：

图1示出了结合有根据本发明的管道的气体涡轮发动机的横截面图；

图2示出了管道的放大示意图；

图3示出了管道内的压力区域；

图4示出了压力系数对沿着管道的轴向位置的曲线图；

图5a示出了图示管道的几何形状的管道轮廓的横截面图；和

图5b示出了图示管道的几何形状的管道轮廓的立体图。

虽然本发明可具有各种变型和替代形式，但通过示例方式在附图中示出具体实施例并在本文中详细描述了这些具体实施例。然而，应理解的是，附图和具体实施方式不旨在将本发明限于所公开的特定形式，而是本发明将涵盖落入本发明的精神和范围内的所有变型、等同物和替代。

将会认识到的是，本文所述的本发明的形态的特征能够以任何适当的组合方便且可互换地使用。

具体实施方式

图1示出如下文详细描述的根据本发明的并有管道的气体涡轮发动机1的横截面图。

本领域的技术人员应理解气体涡轮发动机的主要部件及其操作。概括地说，发动机1包括进气口2，进气口2允许空气流动到发动机中，空气流动到位于发动机的上游端处的风扇3。所有部件都容纳在发动机舱4内。

发动机包括位于风扇的下游的旁通通道，以及中心发动机核心，该中心发动机核心含有压缩机、燃烧器和涡轮。发动机的核心由第一低压压缩机5和第二高压压缩机6形成。此多级压缩机布置使空气从环境压力和温度达到高温和高压。然后，压缩的空气连通到燃烧室7，此处，燃料被注入，并且发生燃烧。

燃烧气体从燃烧室7的后部排出，并且在通过核心喷嘴11离开发动机的后部之前首先撞击高压涡轮9并且然后撞击第二低压涡轮10。来自发动机的推力由两个气体流产生：来自风扇喷嘴8(从风扇接收推力)的第一气体流以及来自核心喷嘴11的排出气体的第二气体流。

本发明涉及图1中所示的过渡管道12，过渡管道12将压缩气体从低压压缩机5的出口连通到高压压缩机6的入口。

如图所示，两个压缩机与涡轮的中心轴线都同轴。低压压缩机5出于效率原因(上文所论述的实例)具有比高压压缩机6的外半径大的外半径(相对于压缩机的中心轴线测量)。

这需要使空气在两个压缩机之间连通的管道或通道具有大体s形状或正弦形状以将压缩的空气朝向涡轮的中心轴线流通并流通到高压涡轮6中。

如上文所论述，此类型的管道(在本领域中也被称为核心流动过渡管道)中的压力损失的主要来源是粗糙表面，该粗糙表面导致大摩擦损失。具体来说，气体流撞击的管道的内表面(即，含有气体并限定管道气体流动通道的表面)上的粗糙表面。

管道内的效率损失(压力损失)能够由许多因素导致，包括：

(i)气体流在通道表面上的摩擦；

(ii)来自上游部件的引入尾流，该引入尾流与管道中的流动相互作用；；以及

(iii)气体流与通道壁的分离。

本发明涉及减小这些因素中的第三个，这有可能产生令人惊讶的性能提高并减小管道内的总压力损失。

图2是图1中的管道12放大扩大示意图。

箭头a和b分别示出了进入到管道中以及从管道离开的气体流。管道入口13连接到低压压缩机5(未示出)的出口，而管道出口14连接到高压压缩机6(也未示出)的入口。

应认识到的是，参照图1中的横截面，管道呈环或环状物的形式，该环或环状物围绕发动机核心的圆周延伸。气体流动通道的内壁和外壁(15、16)含有气体流并引导气体流从a到b。示意性箭头示出了气体流首先如何沿着管道的第一凹弯曲c流动。此第一弯曲部分c向气体流提供向内指向的y移动分量(即，朝向涡轮的中心轴线)。

然后，气体流横穿通道并撞击第二凹弯曲部分d，第二凹弯曲部分d使气体流返回到平行于气体涡轮的中心轴线的流动轴向方向x。

参照图2所示的4个区域能够最好地理解本发明，即，第一凹弯曲部分c和第二凹弯曲部分d以及两个相对凸部分或区域e、f。

在操作期间，管道中的高速气体流能够导致气体流在部分e处与内壁15分离。分离是气体流与内壁表面的脱离。此分离显著增大了穿过管道的压力损失。在第二凸弯曲部分f处导致了完全相同的效果。再次，气体流与通道的内壁16的分离在气体流中进一步产生湍流，从而进一步增大了压力损失。

图3和图4图示了沿着管道的轴向长度的高压区和低压区以及示出压力系数cp与管道的轴向延伸部之间的关系的曲线图。

压缩机管道中的流很大程度上通过管道内部的压力的改变来控制。由于管道的曲率，压力将在流动方向上(图3中的箭头a)变化。

存在两个主要的设计准则：

a)从入口到出口的低的压力损失；以及

b)管道内部无流动分离。

如上文所论述，第二点是最重要的，因为这显著影响进入到高压压缩机中的流(并且分离显著增大损失)。

分离的风险在以下区域中较高：在这些区域中流对抗增大的压力行进(图4中标记为x的区)。

按照常规，管道的设计具有很大的分离裕度，这导致仅关注因摩擦所致的压力损失。因此，管道壁被抛光以达到低表面粗糙度和低摩擦。然而，对于齿轮风扇架构所需的朝向较激进的设计的驱动需要挑战常规分离裕度。

本发明人已确定这能够通过确保接近管道的壁的边界层出现湍流而实现。这继而例如通过具有粗糙表面来实现。常规将指示管道内的增大的摩擦力将对性能有害。然而，虽然增大的摩擦力导致局部效率降低，但因为管道较短，所以总体表面积减小。因此，就总体管道性能来说，本发明的总体效果是正面的。

此外，并且有利地，从具有增大的粗糙度产生最多益处的区域也是最难以近接以进行抛光的区域。因此，通过本发明，存在可能的制造成本降低。

增大的表面粗糙度的准确位置受制于当前的管道的设计。然而，参照图4，受益于增大的表面粗糙度的区域与压力系数正在上升的轴向位置x/l相关，如图4所示。图4中的区域x1、x2和x3对应于图3中的相同标记的区域。

能够调适这些区域中的表面粗糙度的方式可以按许多不同方式实现。针对给定的气流速度以及给定的管道几何形状，存在有在边界层发生分离之前能够容忍的最大表面粗糙度，即，低于此粗糙度阈值，表面被视为在流体动力学上是光滑的。

例如，在一个实施例中，铸造部件可以仅被抛光或加工，并且区域e和f保持未被加工，即，保持铸造表面。或者，区域e、f可以适于增大表面粗糙度，例如通过研磨或增大平均表面粗糙度的其它工艺。

重要关系是区域c、d、e和f的相对表面粗糙度满足以下准则：

区域e和f的ra大于区域c和d的ra

表面粗糙度的实例是：

区域c——0.5微米ra到1.6微米ra

区域d——0.5微米ra到1.6微米ra

区域e——3微米ra或更大

区域f——3微米ra或更大

在使用人字纹处，人字纹可以从内表面延伸0.5mm到1.5mm。

能够使用各种不同精整技术来产生上文所述的表面加工。例如，可以使用制造领域中已知的以下技术中的一种而产生预定表面粗糙度：

-机器人辅助抛光

-激光清洗

-滚磨或滚转精整

-水射流抛光；以及其它。

图5a和图5b孤立地阐明根据本发明的管道的几何形状。管道提供具有环形入口13和环形出口14的筒形且环形的导管。图5a示出了穿过整个管道截取的横截面图(与图2中所示的只有上方的横截面图相反)。a示出了管道围绕中心轴线x定位，中心轴线x被布置成在使用中与气体涡轮发动机的中心轴线对准。入口13呈环形环的形式，从而定义朝向出口14(也是环形环)的流动通路的入口。流动路径如上所述渐缩以将压缩的空气从第一压缩机的出口引导到第二压缩机的入口。

图5b示出了管道的立体图，其中出口14是可见的，并且入口以隐藏线示出。应认识到的是，入口与出口之间的渐缩的精确几何形状以及管道的总长度l将取决于将要应用该管道的特定气体涡轮发动机的设计而变化。

本领域的技术人员应从本说明书和附图认识到，管道的内表面实际上具有4个修改了表面粗糙度的区域，该四个区域作为圆形区域(环)围绕管道的空气通道延伸(在内气体面对壁或外气体面对壁上)。每一个“环”的长度(即，环沿着管道的表面延伸的距离)将由管道的空气动力学轮廓确定，例如，管道改变空气流动路径的急剧程度(以及其它特征)。

沿着管道的长度(从入口到出口测量)所见，根据本发明能够标识4个修改了表面粗糙度的不同环或圆盘。具体来说，在外气体面对壁上，存在至少2个设有修改的表面粗糙度的区域，并且在内气体面对壁上，存在至少2个设有修改的表面粗糙度的区域。

从管道的入口到出口测量，外气体面对壁上的所述至少2个区域中的第一区域具有低于第二区域的表面粗糙度。

相反，从管道的入口到出口测量，内气体面对壁上的所述至少2个区域中的第一区域具有高于第二区域的表面粗糙度。