具有内孔腔的涡轮机转子盘的制作方法

1.本说明书大体涉及一种燃气涡轮发动机，更具体地，涉及一种包括内孔腔的转子盘。


背景技术：

2.许多燃气涡轮发动机包括转子组件，该转子组件包括转子盘和从转子盘的周边径向向外延伸的转子叶片阵列。转子叶片可以与转子盘分开地形成，然后附接到转子盘，或者转子叶片可以形成为转子盘的一体部分。
3.转子盘通常位于加热环境中，并以高速旋转。转子盘可形成有比邻近腹板区段更厚的内孔体，以便在转子盘在操作期间旋转时更好地承受施加在转子盘上的环向应力。沿着转子盘的径向方向的温度梯度也可以在转子盘上施加额外的热应力，尤其是在内孔体处。


技术实现要素：

4.在一个实施例中，一种用于燃气涡轮发动机的转子盘包括盘体，该盘体具有延伸通过其中的中心孔。盘体包括绕中心孔延伸的孔体；腹板，该腹板从孔体径向向外延伸，具有相对于孔体减小的厚度；以及周缘，该周缘位于该腹板的外端。该周缘包括叶片安装结构，该叶片安装结构用于接合转子叶片的互补安装结构。该孔体具有孔腔，该孔腔连续地延伸通过该孔体并围绕中心孔的整个外周延伸。该孔腔具有绕中心孔形成圆的中心轴线。
5.在另一实施例中，一种用于燃气涡轮发动机的转子盘包括盘体，该盘体具有延伸通过其中的中心孔。该盘体包括绕中心孔延伸的孔体；腹板，该腹板从该孔体径向向外延伸，具有相对于孔体减小的厚度；以及周缘，该周缘位于该腹板的外端。该周缘包括用于接合转子叶片的互补安装结构的叶片安装结构。该孔体具有孔腔，该孔腔连续地延伸通过孔体并绕中心孔的整个外周延伸。该孔腔为孔体的横截面面积的至少约25％。横截面面积取自于垂直于孔腔的中心轴线的横截面平面并径向延伸。
6.在另一实施例中，提供了一种形成用于燃气涡轮发动机的转子盘的方法。该方法包括选择该转子盘的三维计算机模型。使用该三维模型打印转子盘。一旦该转子盘被打印，转子盘包括盘体，该盘体具有延伸通过其中的中心孔。盘体包括绕中心孔延伸的孔体；腹板，腹板从孔体径向向外延伸，具有相对于孔体减小的厚度；以及周缘，周缘位于腹板的外端。周缘包括用于接合转子叶片的互补安装结构的叶片安装结构。孔体具有孔腔，该孔腔连续地延伸通过孔体并绕中心孔的整个外周延伸。孔腔为孔体的横截面面积的至少约25％。横截面面积取自于垂直于孔腔的中心轴线的横截面平面并径向延伸
7.本文描述的发电机系统及其部件的附加特征和优点将在下面的详细描述中阐述，并且部分地从该描述中对于本领域技术人员是显而易见的，或者通过实施这里描述的实施例来理解，包括下面的详细描述、权利要求以及附图。
8.应当理解的是，前述一般描述和以下详细描述均描述了各种实施例，并且旨在提
供用于理解所要求保护的主题的性质和特征的概述或框架。附图被包括以提供对各种实施例的进一步理解，并且被并入本说明书并且构成本说明书的一部分。附图图示在此描述的各种实施例，并且与描述一起用于解释所要求保护的主题的原理和操作。
附图说明
9.图1是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的燃气涡轮发动机的涡轮风扇示意性局部剖视图；
10.图2是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的用于与图1的燃气涡轮发动机一起使用的转子盘的简化截面图，该转子盘包括孔腔；
11.图3是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的图2的转子盘的简化截面图；
12.图4是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的图3的转子盘的另一简化截面图；
13.图5是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的图2的转子盘的打印层的示意图；
14.图6a表示在操作条件下没有孔腔的转子盘的计算机模型；
15.图6b表示在操作条件下包括孔腔的转子盘的计算机模型；以及
16.图7示出根据本文所示和描述的一个或多个实施例的打印包括孔腔的转子盘的方法。
具体实施方式
17.本文描述的实施例大体涉及用于涡轮风扇燃气涡轮发动机中的转子盘组件。转子盘组件包括转子盘和从转子盘的周边径向向外延伸的转子叶片阵列。转子盘包括盘体，盘体包括孔、绕孔延伸的孔体、从孔体径向向外延伸的腹板以及位于腹板外端的周缘。该缘可以具有叶片安装结构(例如，燕尾槽)，用于轴向接收和保持转子叶片的互补燕尾部。
18.与腹板相比，孔体的厚度增加。在操作中，孔体围绕燃气涡轮发动机的旋转轴延伸。孔体增加的厚度可以增加转子盘的环强度，并且有助于在操作期间控制转子材料的挠曲。如下文将更详细地描述，孔体具有周向延伸的孔腔，该孔腔延伸通过孔体并围绕孔。孔腔可连续地延伸通过孔体并围绕孔的整个圆周。除了与孔腔和孔体的外表面相交的排放通道之外，孔腔可由孔体的材料封闭。与孔腔相比，排放通道可以具有减小的宽度。排放通道可允许空气在操作期间进入和排出，以便进一步减小在没有排放通道的情况下可形成的热梯度。
19.在一些实施例中，本文描述的转子盘可以诸如通过三维打印工艺增材制造。这些增材制造工艺可以允许转子盘整体地形成为具有相对复杂的形状和特征(例如孔腔)的单个一体式部件。下面更详细地描述增材制造工艺的附加细节。
20.可以从“大约”一个特定值和/或“大约”另一个特定值来表示范围。当表示这样的范围时，另一实施例包括从一个特定值和/或到另一特定值。类似地，当值被表示为近似值时，通过使用前述“大约”，将理解该特定值形成另一实施例。将进一步理解的是，每个范围的端点相对于另一端点并且独立于另一端点是重要的。
21.本文中使用的定向术语-例如，上、下、右、左、前、后、顶、底、上方、下方-仅参考所
绘制的图，除非另有明确说明，否则不用于暗示绝对定向。
22.除非另有明确规定，否则本文中所述的任何方法均不应被解释为要求以特定顺序执行其步骤，也不应被解释为要求具有任何装置特定定向。因此，如果方法权利要求实际上没有列举要跟随其步骤的顺序，或者任何装置权利要求实际上未提及对单个部件的顺序或定向，或者在权利要求或描述中没有以其他方式明确地说明步骤将被限制为特定的顺序，或者未提及对装置的部件的特定的顺序或定向，则在任何方面绝不旨在推断顺序或定向。这适用于任何可能的非明示解释基础，包括：有关步骤安排、操作流程、组件顺序或组件方向的逻辑问题；源于语法组织或标点符号的普通意义，以及；说明书中描述的实施例的数量或类型。
23.如本文所使用的，单数形式“一个”、“一”和“所述”包括复数引用，除非上下文清楚地另有规定。因此，例如，对“一个”部件的引用包括具有两个或更多这样的部件的方面，除非上下文清楚地另有指示。
24.参照图1，示出了示例性涡轮风扇燃气涡轮发动机10，其可以是飞行器的一部分以提供推力。在一些实施例中，燃气涡轮发动机10可用于提供动力。燃气涡轮发动机10包括包括：风扇区段12，风扇区段12包括风扇14；压缩机区段16；以及涡轮区段18。风扇区段12、压缩机区段16以及涡轮区段18均可包括一个或多个转子盘20，转子盘20包括从其径向延伸的转子叶片。空气被吸入燃气涡轮发动机10并由风扇14加速。空气或其至少一部分在压缩机区段16中被压缩并被输送到燃烧室，在该燃烧室中空气与燃料混合并燃烧，从而产生相对热的燃烧气体。燃烧气体使涡轮区段18旋转，燃烧气体也使压缩机区段16旋转。然后，通过喷嘴排出燃烧气体以提供向前推力。应当理解的是，转子盘20在燃气涡轮发动机10的操作期间受到热应力和机械应力。
25.参照图2，示出了转子盘20的截面图，转子盘20包括盘体22，盘体22包括孔24、围绕孔24延伸的孔体26、从所述孔体26径向向外延伸的腹板28和位于腹板28的外端处的周缘30。缘30可具有叶片安装结构(由线32表示，例如燕尾槽)，用于轴向接收和保持转子叶片34的互补燕尾部。
26.孔体26与腹板厚度t相比，具有增加的厚度t。在一些实施例中，孔体26和腹板28之间的过渡可以相对尖锐。在其他实施例中，例如所示的示例中，可能不存在限定孔体26的外部终端40的相对尖锐的向外弯曲。还可参照图3，外部终端40可被确定为孔体26和腹板28之间最靠外位置，其中与孔体26的外表面36相切的线35的斜率与腹板28的径向轴线37成至少约20度的角度θ。在一些实施例中，外部终端40可被识别为距旋转轴线r的最靠外位置，其中孔体26的厚度t比腹板28的平均厚度t大至少约15％。在一些实施例中，孔体26的外部终端可以是与上述外表面36相切的线的斜率相比的径向最靠外位置并且是其中厚度t比腹板的平均厚度t大至少约15％的最靠外位置。还可以使用应力建模来估计孔体的位置，尤其是，通过量化转子盘20的周向应力最高的区域来估计孔体的位置，而腹板的位置可以通过在操作期间径向应力更重要的区域来约估。
27.孔体26具有周向延伸的孔腔42，该孔腔42延伸通过孔体26并且围绕孔24周向延伸。孔腔42可以是环形的，因为孔腔连续地通过孔体26并围绕孔24的整个圆周延伸。孔腔42的横截面形状可以是不规则的、圆形的、三角形的、椭圆形等。在一些实施例中，孔腔42的形状可以关于包含孔腔42的中心轴线c的径向延伸平面对称。
28.与没有孔腔的孔体相比，孔腔42的横截面面积可被选择以在发动机10运行期间沿着径向方向减小孔体26中的热梯度。如图所示，孔体26和孔腔42的横截面面积在垂直于孔腔42的中心轴线c并沿径向方向延伸的横截面平面中测量。在一些实施例中，孔腔42的横截面面积可以是孔体26的横截面面积的至少约25％，例如至少约30％、例如至少约35％、例如至少约40％、例如至少约45％、例如至少约50％。孔腔42的存在可以通过省略孔体26的材料来改善盘疲劳并且还减少转子盘20的重量。
29.在一些实施例中，在平行于轴线r的孔腔42的最外侧点之间测量的孔腔42的最大宽度w可以是在平行于轴线r的孔体26的最外侧点之间测量的孔体26的最大厚度t的预选百分比。在一些实施例中，孔腔42的最大宽度w可以是孔体26的最大厚度t的至少大约25％，例如至少约30％、例如至少约35％、例如至少约40％、例如至少约45％、例如至少约50％、例如至少约60％、例如至少约70％、例如至少约80％。
30.可以提供一个或多个排放通道46和48，该排放通道46和48可允许空气从孔体26的外部进出孔腔42。虽然在图2的横截面中仅示出了两个排放通道46和48，但也参照图4，可以有更多的排放通道50、52，它们与排放通道46和48周向间隔开。排放通道46、48、50的宽度可以比孔腔42窄(例如，诸如窄少于约50％，例如窄少于约25％)。每个排放通道46、48、50、52包括与孔腔42相交的内端53和与外表面36相交的外端54。排放通道46、48、50、52还可以与径向轴线37成小于90度的角度延伸，例如在大约30度和70度之间。在一些实施例中，如虚线所示，排放通道可以在约90度和约零度之间。此外，排放通道46、48和50、52可以沿着同一条线对齐，使其内端53彼此横穿地指向。在其他实施例中，排放通道可以彼此偏移，使其不沿着同一条线延伸。
31.参照图5，示出了转子盘20的层60，该层60包括盘体部分62，该盘体部分62包括孔部分64、孔体部分66以及从孔体部分66径向向外延伸的腹板部分68。周缘部分65位于腹板部分68的外端。如上所述，层60可以通过3d打印形成，其中孔腔部分70未被打印成层，以便形成孔腔42。排放通道部分72、74、76以及78也未被打印以形成排放通道46和48。可以为特定转子盘配置提供任意数量的排放通道部分。
32.现在参考图6a和6b，无孔腔(图6a)和有孔体26(图6b)的转子盘100的计算机模型在加热操作条件下示出。如图6a所示，温度梯度从孔体106的中心区域104径向延伸到腹板108。在一些实施例中，在所示示例中，由于热梯度，中心区域104内的应力可高达188ksi。现在参考图6b，通过省略材料以形成孔腔42和排放通道46、48，可以减小温度梯度并因此减小最大应力。
33.转子盘的各种实施例涉及通过粉末增材制造(诸如使用电子束熔化(ebm)、选择性激光烧结(sls)和/或选择性激光熔化(slm))将二维结构层叠在另一个上以生产三维物体的方法。使用增材制造工艺可允许转子盘20或其部件形成为相同材料的单个一体式零件。
34.如本文中所使用的，术语“三维结构”等通常指预期用于特定目的的预期或实际制造的三维构造(例如，结构材料或材料)。这种结构可以，例如借助计算机辅助设计(cad)程序来设计。
35.如本文所使用的，术语“二维结构”等通常指三维结构的层，当被构建时，一个在另一个之上，形成三维结构。虽然被称为“二维结构”，但应当理解的是，每个层包括在第三维度上的伴随厚度，尽管与形成三维结构的二维结构的融合堆叠相比，这些结构具有相对平
面的配置。
36.如本文所使用的，术语“电子束”是指任何带电粒子束。带电粒子束的源可以包括电子枪、线性致动器等。
37.参照图7，在步骤112，打印转子盘的方法110包括选择转子盘的期望实施例的三维计算机模型。作为示例，可以使用计算机辅助设计(cad)程序或在一个或多个较早步骤中三维扫描转子盘的原型来生成三维设计模型。在步骤114，打印转子盘。转子盘作为二维结构逐层打印，以包括孔、孔体、腹板以及周缘。在步骤116，转子盘的位置可以保留未打印以提供与孔腔相交的排放通道和孔腔。
38.上述转子盘包括孔体，该孔体包括以环形方式绕孔延伸的孔腔。孔腔的尺寸被设置成包括孔体的选定横截面面积，以从孔体移除在操作条件期间会增加的热应力的材料。在存在孔腔的情况下，孔体具有足够的横截面面积以承受机械引起的操作应力。
39.上述转子盘在孔圆周处做得更厚，以减小由旋转和径向温度梯度引起的环向应力。孔腔设置在孔体中以在发动机操作的不同阶段承载不同温度的空气。提供与孔腔相交的排放通道，以便使孔腔与环境连通，并允许空气进出孔腔。孔腔减小孔体中沿径向方向的热梯度。孔腔还移除如果不存在孔腔时可能存在的材料，这减少了转子盘的重量。孔腔可以是通过3d打印工艺实现的任何合适的横截面形状。具有孔腔的转子盘可用于高压压缩机(hpc)、高压涡轮(hpt)以及低压涡轮(lpt)。
40.本发明的其他方面由以下条项的主题提供：
41.条项1：一种用于燃气涡轮发动机的转子盘，包括：盘体，盘体具有通过其中延伸的中心孔，盘体包括孔体，孔体绕中心孔延伸；腹板，腹板从孔体径向向外延伸，具有相对于孔体减小的厚度；以及周缘，周缘位于腹板的外端，周缘包括叶片安装结构，叶片安装结构用于接合转子叶片的互补安装结构；并且孔体具有由孔体包围的孔腔，孔腔连续地延伸通过孔体并绕中心孔的整个外周延伸，孔腔具有绕中心孔形成圆的中心轴线。
42.条项2：任何前述条项的转子盘，其中，孔腔是孔体的横截面面积的至少约40％，其中，横截面面积取自于垂直于中心轴线的横截面平面并径向延伸。
43.条项3：前述任何条项的转子盘，包括与孔腔相交的至少一个排放通道，至少一个排放通道包括与孔腔相交的内端和与孔体的外表面相交的外端。
44.条项4：任何前述条项的转子盘，其中，至少一个排放通道具有小于孔腔的宽度的宽度。
45.条项5：任何前述条项的转子盘，其中，至少一个排放通道具有小于孔腔的宽度的至少约50％的宽度。
46.条项6：任何前述条项的转子盘，包括与孔腔相交的多个排放通道，每个排放通道均包括与孔腔相交的内端和与孔体的外表面相交的外端。
47.条项7：任何前述条项的转子盘，其中，每个排出通道以与盘体的径向轴线成约30度和约70度之间的角度延伸。
48.条项8：任何前述条项的转子盘，其中，至少一对排放通道在孔腔的相对侧沿着同一条线对齐。
49.条项9：一种用于燃气涡轮发动机的转子盘，包括：盘体，盘体具有延伸通过其中的中心孔，盘体包括孔体，孔体绕中心孔延伸；腹板，腹板从孔体径向向外延伸，具有相对于孔
体减小的厚度；以及周缘，周缘位于腹板的外端，周缘包括叶片安装结构，叶片安装结构用于接合转子叶片的互补安装结构；并且孔体具有孔腔，孔腔连续地延伸通过孔体并绕中心孔的整个外周延伸，孔腔为孔体的横截面面积的至少约25％，其中，横截面面积取自于垂直于孔腔的中心轴线的横截面平面并径向延伸。
50.条项10：任何前述条项的转子盘，其中，孔腔是孔体的横截面面积的至少约40％。
51.条项11：前述任何条项的转子盘，包括与孔腔相交的至少一个排放通道，至少一个排放通道包括与孔腔相交的内端和与孔体的外表面相交的外端。
52.条项12：任何前述条项的转子盘，其中，至少一个排放通道具有小于孔腔的宽度的宽度。
53.条项13：任何前述条项的转子盘，其中，至少一个排放通道具有小于孔腔的宽度的约50％的宽度。
54.条项14：前述条项的转子盘，包括与孔腔相交的多个排放通道，每个排放通道包括与孔腔相交的内端和与孔体的外表面相交的外端。
55.条项15：任何前述条项的转子盘，其中，每个排放通道以与盘体的径向轴线成约30度和约70度之间的角度延伸。
56.条项16：任何前述条项的转子盘，其中，至少一对排放通道在孔腔的相对侧沿着同一条线对齐。
57.条项17：一种形成用于燃气涡轮发动机的转子盘的方法，该方法包括：选择转子盘的三维计算机模型；使用三维模型打印转子盘，一旦打印，转子盘包括：盘体，盘体具有延伸通过其中的中心孔，盘体包括孔体，孔体绕中心孔延伸；腹板，腹板从孔体径向向外延伸，具有相对于孔体减小的厚度；以及周缘，周缘位于腹板的外端，周缘包括叶片安装结构，叶片安装结构用于接合转子叶片的互补安装结构；并且孔体具有孔腔，孔腔连续地延伸通过孔体并绕中心孔的整个外周延伸，孔腔为孔体的横截面面积的至少约25％，其中，横截面面积取自于垂直于孔腔的中心轴线的横截面平面并径向延伸。
58.条项18：任何前述条项的方法，包括打印与孔腔相交的至少一个排放通道，至少一个排放通道包括与孔腔相交的内端和与孔体的外表面相交的外端。
59.条项19：任何前述条项的方法，其中，至少一个排放通道具有小于孔腔的宽度的约50％的宽度。
60.条项20：任何前述条项的方法，其中，至少一个排放通道以与盘体的径向轴线成约30度和约70度之间的角度延伸。
61.对于本领域技术人员来说，显而易见的是，在不脱离所要求保护的主题的精神和范围的情况下，可以对这里描述的实施例进行各种修改和变化。因此，本说明书旨在覆盖本文描述的各种实施例的修改和变型，只要这些修改和变型在所附权利要求及其等同物的范围内。