[發明專利]一種用于空間異型薄壁結構的壓氣機防喘擾流片機匣增材制造設計方法

在審

• 申請號: 202211401015.X
• 申請日: 2022-11-09
• 公開（公告）號: CN115730358A
• 公開（公告）日: 2023-03-03
• 發明（設計）人: 張亮;張舟;王琦;徐寧;候佳希;高思華;賈志明;張智博
• 申請（專利權）人: 中國船舶重工集團公司第七0三研究所
• 主分類號: G06F30/10
• 分類號: G06F30/10;G06F113/10;G06F119/18
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• 代理人: 暫無信息

本發明提供本一種用于空間異型薄壁結構的壓氣機防喘擾流片機匣增材制造設計方法，其方法內容主要包括：擾流片和連接法蘭的一體化設計、對擾流片機匣的分割、擾流片機匣的增材制造擺放設計、擾流片機匣的減重降材設計、擾流片機匣功能面的無支撐設計。本發明在設計時充分考慮了增材制造工藝特點，將空間異型薄壁結構的壓氣機防喘擾流片機匣實現了一體化設計及加工。本發明的方法設計巧妙，且增材制造的加工效率高，最終形成的一種用于空間異型薄壁結構的壓氣機防喘擾流片機匣增材制造設計方法，同時可為增材制造領域類似零部件設計加工、燃氣輪機同類產品提供設計參考。

技術領域

本發明屬于增材制造領域，具體涉及一種用于空間異型薄壁結構的壓氣機防喘擾流片機匣增材制造設計方法。

背景技術

燃氣輪機壓氣機防喘擾流片機匣用于擴大壓氣機穩定工況運行范圍，優化機組大范圍變工況下的寬裕度高效運行。其基本原理為：防喘擾流片機匣使原本位于動葉頂部的低能流體團隨動葉旋轉依靠慣性進入擾流片的槽道中，在軸向壓差的作用下經過擾流片導流后再次進入主流道。這樣既減少了動葉頂部的低速區域，又改變了進氣方向，減小進氣攻角，在這種雙重作用下改善了壓氣機的通流能力，提高其穩定運行范圍，同時盡量減少效率的降低。

基于上述原理設計的防喘擾流片機匣包含的擾流片數量多(一般140片～160片)，且擾流片設計為空間異型薄壁結構，壁厚一般為3～4mm，擾流片沿徑向(指燃氣輪機壓氣機流路徑向)最大外徑900mm～1000mm，擾流片徑向高度約10mm，角度沿徑向高度變化可達60°～70°，扭曲變化劇烈。原始設計的擾流片機匣是通過傳統機加、裝配工藝實現產品的加工，兩端是通過銷軸或卡套與端部法蘭相連固定的。在傳統的生產過程中，通過鍛造、機加、定位裝配、焊接、熱處理等多道加工工序才能完成，且加工周期也較長，一般需要4～6個月。在可靠性方面，擾流片和兩端法蘭的連接存在可靠性差的風險，在機組試驗過程中也出現過斷裂的故障。

發明內容

本發明的目的在于提供一種用于空間異型薄壁結構的壓氣機防喘擾流片機匣增材制造設計方法，實現空間結構的一體化設計和高效、可靠的增材制造加工。

一種用于空間異型薄壁結構的壓氣機防喘擾流片機匣增材制造設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：結合選區激光熔化金屬增材制造工藝特點和空間異型薄壁結構的壓氣機防喘擾流片機匣的結構特征，使用選區激光熔化金屬3D打印技術和工藝來設計和制造；

步驟2：壓氣機防喘擾流片機匣在增材制造設計中通過結構設計控制而具有高度一體化、輕量化、所有功能面無支撐的特征；

步驟3：將壓氣機防喘擾流片機匣中擾流片與其軸向端面法蘭設計為一體化結構，擾流片與端面法蘭通過圓角實現連接過渡，完全避免多零件組裝及連接固定環節；

步驟4：將步驟3的壓氣機防喘擾流片機匣沿進氣側、出氣側擾流片安裝角度進行分割，以實現選區激光熔化金屬3D打印在有限的成型平臺中分段同時打印；

步驟5:將步驟4的壓氣機防喘擾流片軸向兩個端面連接法蘭內部設計為規則的非連續矩形空腔結構，以實現減重降材的目的；

步驟6：將步驟4和步驟5形成的分段擾流片機匣進行增材制造擺放優化設計，分析設計所有擾流片功能面成型角度α～β應在增材制造自成型無支撐范圍內、快速成型使用的一次成型的用粉量hmin、hmax應為最少；

步驟7：具有空間異型面的薄壁擾流片結構與選區激光熔化金屬3D打印基準平面所成角度均滿足制造過程中的無支撐設計要求，擺放過程中確需調整擾流片原設計扭曲方向的，調整后需重新經過防喘性能核算，如不滿足設計要求，需結合增材制造要求的角向重新布置設計擾流片扭曲方向，重復步驟1至步驟6的工作。

進一步地，所述步驟1中實現選區激光熔化金屬3D打印是擾流片機匣是以分段形式進行設計和制造的，結合增材制造設備的成型尺寸、擾流片所有功能面無支撐設計的要求對擾流片機匣整環進行分割。