[发明专利]一种用于空间异型薄壁结构的压气机防喘扰流片机匣增材制造设计方法

说明书

本发明提供本一种用于空间异型薄壁结构的压气机防喘扰流片机匣增材制造设计方法，其方法内容主要包括：扰流片和连接法兰的一体化设计、对扰流片机匣的分割、扰流片机匣的增材制造摆放设计、扰流片机匣的减重降材设计、扰流片机匣功能面的无支撑设计。本发明在设计时充分考虑了增材制造工艺特点，将空间异型薄壁结构的压气机防喘扰流片机匣实现了一体化设计及加工。本发明的方法设计巧妙，且增材制造的加工效率高，最终形成的一种用于空间异型薄壁结构的压气机防喘扰流片机匣增材制造设计方法，同时可为增材制造领域类似零部件设计加工、燃气轮机同类产品提供设计参考。

技术领域

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种用于空间异型薄壁结构的压气机防喘扰流片机匣增材制造设计方法。

背景技术

燃气轮机压气机防喘扰流片机匣用于扩大压气机稳定工况运行范围，优化机组大范围变工况下的宽裕度高效运行。其基本原理为：防喘扰流片机匣使原本位于动叶顶部的低能流体团随动叶旋转依靠惯性进入扰流片的槽道中，在轴向压差的作用下经过扰流片导流后再次进入主流道。这样既减少了动叶顶部的低速区域，又改变了进气方向，减小进气攻角，在这种双重作用下改善了压气机的通流能力，提高其稳定运行范围，同时尽量减少效率的降低。

基于上述原理设计的防喘扰流片机匣包含的扰流片数量多(一般140片～160片)，且扰流片设计为空间异型薄壁结构，壁厚一般为3～4mm，扰流片沿径向(指燃气轮机压气机流路径向)最大外径900mm～1000mm，扰流片径向高度约10mm，角度沿径向高度变化可达60°～70°，扭曲变化剧烈。原始设计的扰流片机匣是通过传统机加、装配工艺实现产品的加工，两端是通过销轴或卡套与端部法兰相连固定的。在传统的生产过程中，通过锻造、机加、定位装配、焊接、热处理等多道加工工序才能完成，且加工周期也较长，一般需要4～6个月。在可靠性方面，扰流片和两端法兰的连接存在可靠性差的风险，在机组试验过程中也出现过断裂的故障。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于空间异型薄壁结构的压气机防喘扰流片机匣增材制造设计方法，实现空间结构的一体化设计和高效、可靠的增材制造加工。

一种用于空间异型薄壁结构的压气机防喘扰流片机匣增材制造设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：结合选区激光熔化金属增材制造工艺特点和空间异型薄壁结构的压气机防喘扰流片机匣的结构特征，使用选区激光熔化金属3D打印技术和工艺来设计和制造；

步骤2：压气机防喘扰流片机匣在增材制造设计中通过结构设计控制而具有高度一体化、轻量化、所有功能面无支撑的特征；

步骤3：将压气机防喘扰流片机匣中扰流片与其轴向端面法兰设计为一体化结构，扰流片与端面法兰通过圆角实现连接过渡，完全避免多零件组装及连接固定环节；

步骤4：将步骤3的压气机防喘扰流片机匣沿进气侧、出气侧扰流片安装角度进行分割，以实现选区激光熔化金属3D打印在有限的成型平台中分段同时打印；

步骤5:将步骤4的压气机防喘扰流片轴向两个端面连接法兰内部设计为规则的非连续矩形空腔结构，以实现减重降材的目的；

步骤6：将步骤4和步骤5形成的分段扰流片机匣进行增材制造摆放优化设计，分析设计所有扰流片功能面成型角度α～β应在增材制造自成型无支撑范围内、快速成型使用的一次成型的用粉量hmin、hmax应为最少；

步骤7：具有空间异型面的薄壁扰流片结构与选区激光熔化金属3D打印基准平面所成角度均满足制造过程中的无支撑设计要求，摆放过程中确需调整扰流片原设计扭曲方向的，调整后需重新经过防喘性能核算，如不满足设计要求，需结合增材制造要求的角向重新布置设计扰流片扭曲方向，重复步骤1至步骤6的工作。

进一步地，所述步骤1中实现选区激光熔化金属3D打印是扰流片机匣是以分段形式进行设计和制造的，结合增材制造设备的成型尺寸、扰流片所有功能面无支撑设计的要求对扰流片机匣整环进行分割。