本发明一般涉及燃气涡轮发动机，尤其涉及一种将表面纹理施加到燃气涡轮发动机部件的空气动力学表面上的方法。
背景技术：
在现有技术中已知将小尺度的表面纹理施加到诸如风扇叶片的翼型件上。例如，被称为“侵蚀涂层”或“侵蚀膜”的保护层可以包括一系列被称为“凸纹”的平行锯齿形凹槽。当它们以适当的取向设置在空气动力学表面上时，它们可以有效地减小空气动力学阻力。
现有技术的用于施加凸纹或类似表面纹理的处理包括使用车削处理来在母模中加工凹槽，然后用镍电铸。除去镍层并形成箔。将箔施加到可用作母模工具的平板上。该母模工具可用于将表面纹理直接压印到聚合物材料中，例如上述侵蚀涂层中，或者可用于产生衬板，该衬板然后可用于在聚合物材料中压印表面纹理。
许多翼型件包括具有复合曲率的复杂的3d航空几何形状，并且希望以精确的取向施加符合表面的凸纹。上述现有技术处理的一个问题是它们仅适用于平坦表面或简单弯曲表面。它们不适于复合弯曲表面。
技术实现要素：
该问题通过一种处理来解决，在该处理中，将表面纹理箔形成到成形工具的复合弯曲表面。
根据本文所述的技术的一个方面，一种制造用于将纹理施加到空气动力学表面的母模固化工具的方法包括以下步骤：提供金属的并且具有纹理表面的箔；将箔施加到复合弯曲的刚性成形工具的成形表面，并且使箔塑性变形以适应成形表面，从而限定箔层；使用热或热和压力的组合对箔层进行退火；以及将箔层结合到支撑体，从而限定所述母模固化工具。
根据本文所述技术的另一方面，一种用于将纹理施加到具有复合曲率的空气动力学表面的方法包括以下步骤：提供包括箔层的母模固化工具，箔层具有结合到支撑体的纹理表面，其中箔层具有复合曲率；将纹理表面的印痕转印到可固化膜材料上，以形成纹理膜；以及将纹理膜结合到复合弯曲的空气动力学表面。
根据本文所述技术的另一个方面，一种燃气涡轮发动机部件具有包括表面纹理的复合曲率的空气动力学表面，其中通过包括以下步骤的方法施加表面纹理：提供包括箔层的母模固化工具，箔层具有结合到支撑体的纹理表面，其中箔层具有复合曲率；以及将纹理表面的印痕转印到可固化膜材料上，以形成纹理膜，并将纹理膜结合到复合弯曲的空气动力学表面。
附图说明
通过参考以下结合附图的描述，可以更好地理解本发明，其中：
图1是具有纹理表面的示例性箔的示意性侧视图；
图2是示例性箔车削处理的示意图；
图3是箔的示意性俯视平面图，示出了从其切割的部分；
图4是成形工具的示意性立体图，示出了施加到其上的箔片；
图5是在进行退火处理的加热室中的箔的示意性截面图；
图6是在退火处理之后从成形工具中除去的箔的示意性立体图；
图7是图6的箔的一部分的示意性截面图；
图8是包括结合到本体的箔的母模固化工具的示意性立体图；
图9是示例性燃气涡轮发动机风扇叶片的示意性立体图；
图10是示出使用母模固化工具形成纹理膜的工艺处理的示意性截面图；
图11是示出将图10的纹理膜结合到空气动力学表面的处理的示意性截面图；
图12是显示其上结合有纹理膜的空气动力学表面的示意性截面图；
图13是示出使用母模固化工具将膜结合到空气动力学表面并在其中压印纹理的处理的示意性截面图；
图14是显示具有结合到其上的图13的纹理膜的空气动力学表面的示意性截面图；
图15是示出使用母模固化工具形成衬板的处理的示意性截面图；
图16是示出使用图15的衬板形成纹理膜的处理的示意性截面图；
图17是示出将图16的膜结合到空气动力学表面的处理的示意性截面图；
图18是显示具有结合到其上的图16的纹理膜的空气动力学表面的示意性截面图；
图19是示出使用母模固化工具形成衬板的处理的示意性截面图；
图20是显示使用图19的衬板将膜结合到空气动力学表面并在其中压印纹理的处理的示意性截面图；
图21是显示具有结合到其上的图20的纹理膜的空气动力学表面的示意性截面图；和
图22是示例性凸纹结构的示意性侧视图。
具体实施方式
本文描述了一种用于生产具有纹理表面的“母模”固化工具的方法，以及使用母模固化工具生产具有纹理表面的部件的方法。参照附图，其中在各个视图中相同的附图标记表示相同的元件，图1是具有相对的第一面12和第二面14的示例性金属箔10的侧视图。第二面14包括表面纹理。在所示的例子中，表面纹理包括具有并排凹槽16的“锯齿形”轮廓，限定交替的峰部18和谷部20的图案。锯齿形轮廓的各个凹槽16基本上是要在部件表面中形成的形状(称为"凸纹")的负型。这通常是与在操作中通过的边界层和翼型件的尺寸相当的小尺度纹理。
图2示出了箔10的生产中的初始步骤。诸如金属片的柔性衬底22安装在车床24中，限定了圆柱体26。合适的金属的一个实例是铜或铜合金。凹槽16可以使用车削处理形成在圆柱体26中。在图2所示的例子中，金刚石尖端单点车削工具28用于接合旋转圆柱体26并由此切割凹槽16。尽管将车削描述为实例，但可使用任何已知技术形成柔性衬底22，该已知技术包括但不限于物理加工，化学蚀刻，电火花加工或其任何组合。
翼型件上的所需凸纹图案围绕翼型件表面变化很大。其密度可以从表面的一部分到另一部分变化；凸纹可以在翼型件表面上具有高度变化；并且凸纹的取向可以改变，以便与局部气流对准。因此，凹槽16的密度，高度和取向也可以变化。对于给定的空气动力学表面几何形状和要使用其的操作条件，可以通过计算和实验分析来确定最佳的凸纹图案。
在机器处理之后，可以使用常规的电沉积或电铸处理，用诸如镍的合金涂覆柔性衬底22。作为一个实例，沉积层可具有约0.013mm(0.5密耳)至0.018mm(0.7密耳)的厚度。
然后从柔性衬底22去除沉积层，从而限定了箔10(在图3的平面图中看到)。可选地，箔10可以被切割成较小的箔片30。任选地，可以生产大于一个的箔10。多个箔10可以具有不同的表面纹理取向。这些可以被切割成具有不同表面纹理取向的较小的片30。
接着，将箔10(或箔片30)施加到成形工具。图4示出了示例性的成形工具32，该成形工具32通常是具有形成在其中的成形表面34的材料块，该成形表面34限定了箔片30将被形成的形状。值得注意的是，成形表面34可以在两个或更多个相互垂直的平面中包括非零曲率。换句话说，成形表面34可以包括其复合曲率。在所示的例子中，成形表面34由成形工具32中形成的大致凹入的凹部限定。成形工具32由具有足够强度和其它材料特性的材料制成，以承受退火处理。合适材料的非限制性实例包括金属合金和聚合物。作为一个实例，成形工具32可以由钢合金块加工而成。
箔10或箔片30被形成为成形表面34的形状，从而限定箔层36。如果使用箔片30，则每个箔片30将小于成形表面34的总表面区域，从而使它们更容易与成形表面34相适应。该处理可以用手或使用工具(未示出)来完成。成形将涉及箔10或箔片30的塑性变形(例如，弯曲)。可使用热和/或压力来促进成形。箔10或箔片30可以结合到成形表面34上，以例如使用粘合剂或胶黏带将它们临时保持在适当的位置。
对箔层36和成形工具32进行退火处理以释放应力，并使箔层36呈现永久形状。这可以通过将它们放置在加热室38(图5)中来完成。可以施加正压40(例如，使用惰性气体)或真空压力(使用真空袋，未示出)以迫使箔层36适应成形表面34。退火时间和温度将取决于特定的合金。在箔层36包含镍合金的一个实例中，退火温度可以是280℃(530°f)左右。图6和7示出了退火处理之后的箔层36。箔层36保持固化工具32的复合曲率，其中表面凹槽处于预定取向。可选地，可以将塑性变形步骤和退火步骤组合在单个处理中，其中将热和压力施加到箔层36。
一旦退火处理完成，使用粘合剂将箔层36结合到支撑体42，如图8所示，以限定具有纹理表面45的“固化工具”44。固化工具44的支撑体可以与成形工具32相同或具有不同的结构。通常，成形工具32的制造可能相对昂贵，因此固化工具44可以利用较便宜的材料，例如聚合物。固化工具44也可以被称为"母模固化工具"。
具有结合的箔层36的固化工具44可以以多种方式用于在部件上产生纹理表面。这对于将纹理(例如，凸纹)施加到空气动力学表面是特别有用的。空气动力学表面可包括在操作中暴露于流体流的任何表面，包括例如翼型件或轮叶表面，或涡轮机械叶片的平台。为简单起见，本文所述的方法针对在翼型件表面上施加凸纹。图9示出了示例性燃气涡轮发动机风扇叶片46。风扇叶片46包括翼型件48，柄部50和燕尾部52。翼型件48在根部54和尖端56之间沿翼弦延伸，并具有前缘58和后缘60。相对的凸面62和凹面64分别在前缘58和后缘60之间沿翼弦延伸。风扇叶片46可以由一种或多种金属合金制成，或者由非金属材料制成，例如具有环氧基体和碳纤维加强件的复合系统。凸面62和凹面64单独地且共同地限定空气动力学表面66。
具有结合的箔层36的固化工具44可以以多种方式用于在部件上产生纹理表面。下面描述一些实例。
参照图10，母模固化工具44可用于制造可施加到空气动力学表面上的纹理膜。通过首先将可固化且可流动的材料施加到母模固化工具纹理表面45上来形成纹理膜。膜材料68应该围绕纹理表面45流动并完全填充凸纹之间的任何间隙。优选地，膜材料68将完全封装纹理表面的所有表面特征(凸纹，其间的间隙，以及任何轮廓)，而没有任何气穴或空隙。膜材料68可以是任何合适的可固化材料，其可以是例如聚合物材料，例如可固化液体聚合物或热塑性片材。膜材料68可以与用于在复合翼型件上施加侵蚀涂层的膜材料相同或相似。该材料68可以是例如聚氨酯。尽管未示出，但是母模固化工具44可以具有围绕其周边的壁和/或背板。可以这样做，以便在膜材料68固化时将其保持在适当位置并维持均匀的厚度。固化膜材料68是下一步骤。固化处理取决于膜材料的选择。该固化处理可以包括但不限于施加热和压力，或其组合。如图11所示，一旦固化，膜材料68可被简单地称为纹理膜70，其包括凸纹72并与母模固化工具44的复合曲率相匹配。然后可以将该纹理膜70移除并使用粘合剂固定到翼型件48的空气动力学表面66。图12描绘了结合到空气动力学表面的纹理膜70。
值得注意的是，纹理膜70适应空气动力学表面66的任何曲率，包括复合曲率，同时将凸纹72维持在相对于空气动力学表面66上的空气流的预期方向的期望取向。
图13和14示出了一种作为将膜施加到空气动力学表面66的一部分的示例性处理，其中使用母模固化工具44就地制造纹理膜70。通过首先将膜材料68基本上如上所述地施加到空气动力学表面66上来形成纹理膜70。固化膜材料68是下一步骤。固化处理取决于膜材料68的选择。该固化处理可以包括但不限于施加热和压力，或其组合。在固化处理期间，将母模固化工具44压入膜材料68中，从而将纹理转印到膜材料68的暴露表面上。图14显示了完整的翼型件表面48，其上结合有固化的纹理膜70。纹理膜70包括诸如凸纹72的特征。
上述的母模固化工具44可替代地用于生产可随后用于在部件上产生表面纹理的衬板。
通过首先将可固化且可流动的材料施加到母模固化工具纹理表面45(参见图15)上来形成衬板74。衬板材料76应该围绕纹理表面45流动并完全填充凸纹之间的任何间隙。优选地，衬板材料76将完全封装纹理表面45的所有表面特征(凸纹，它们之间的间隙，以及任何轮廓)，而没有任何气穴或空隙。衬板材料76可以是任何合适的材料，例如可以是橡胶材料。尽管未示出，但是母模固化工具44可以具有围绕其周边的壁和/或背板。可以这样做，以便在衬板材料76被固化时将衬板材料76保持在适当的位置并维持均匀的厚度。固化衬板材料76是形成衬板74的下一步。固化处理取决于衬板材料76的选择。该固化处理可以包括但不限于施加热和压力，或其组合。一旦固化，衬板材料76可以简单地被称为衬板74，并且可以从母模固化工具44中移除。
如图16所示，衬板74将具有带有多个凹槽80的纹理表面78。纹理表面78将基本上是母模固化工具纹理表面45的负型印痕。
如图16和17中所见，衬板74可以用于制造纹理膜70，该纹理膜70可以被施加到空气动力学表面上。通过首先将如上所述的可固化且可流动的材料68施加到衬板纹理表面78上而形成纹理膜70。固化膜材料68是下一步骤。固化处理取决于膜材料68的选择。该固化处理可以包括但不限于施加热和压力，或其组合。如图17所示，一旦固化，膜材料68可被简单地称为包括凸纹72的纹理膜70。然后可以将该纹理膜70移除并使用粘合剂固定到空气动力学表面66。图18描绘了结合到翼型件48的空气动力学表面66的纹理膜70。
图19-21示出了一种作为将纹理膜70施加到空气动力学表面66的一部分的示例性处理，在该处理中，使用衬板74就地制造纹理膜70。通过首先将膜材料68基本上如上所述地施加到空气动力学表面66上而形成纹理膜70。固化膜材料68是下一步骤。固化处理取决于膜材料68的选择。该固化处理可以包括但不限于施加热和压力，或其组合。然后，可以在膜材料68的顶部上施加衬板74(由上述处理制成，如图19所示)，使得膜材料68设置在衬板74和翼型件表面66之间。将衬板74压入膜材料68中，使得膜材料68完全流入衬板纹理表面78中，优选地，没有气穴和空隙。
在固化处理期间，如图20所示，将衬板74压入膜材料68中，从而将纹理转印到膜材料68的暴露表面。在结合之后，可以移除衬板74。重要的是要注意到，由于衬板74经过膜材料的固化处理，所以衬板材料的选择应该能够承受该处理。图21示出了完整的翼型件表面66，其上结合有固化的纹理膜70。纹理膜70包括诸如凸纹72的特征。
凸纹72(通过本文所述的任何方法形成)可具有各种物理构造以适应特定的空气动力学要求。在一个实例中，如图22所示，凸纹72的阵列沿着大致垂直于翼型件48的表面的方向限定了凸纹谷73和凸纹峰75之间的高度(h)，并且沿着大致平行于型件48的表面的方向限定了凸纹峰75之间的最大宽度(w)。最大高度(h)和最大宽度(w)限定了纵横比w:h。在一个实例中，纵横比w:h可以是约1:1至约2.5:1(例如，约1.25:1至约2.25:1)，最大总高度为约0.65mm或更小(例如，约0.55mm或更小，例如约0.4mm或更小)。
在此描述的方法具有优于现有技术的几个优点。特别地，其提供了一种可靠和经济的装置，用于在所希望的取向上将凸纹施加到空气动力学表面。已经表明，这些特征的存在给飞行器发动机的效率(sfc)带来了显著的益处。通过确保可以创建代替平坦工具的3d工具，可以确保并重复凸纹放置。
前面已经描述了一种用于制造纹理表面的方法。本说明书(包括任何所附的权利要求书，摘要和附图)中公开的所有特征，和/或如此公开的任何方法或处理的所有步骤，可以以任何组合来组合，除了其中至少一些这样的特征和/或步骤相互排斥的组合。
本说明书(包括任何所附的权利要求书，摘要和附图)中公开的每个特征可以被用于相同，等同或类似目的的替换特征所代替，除非另有明确说明。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每一个特征仅是一系列等同或类似特征中的一个示例。
本发明不限于前述实施例的细节。本发明扩展到本说明书(包括任何所附权利要求书，摘要和附图)中公开的特征的任何新颖的一个或任何新颖的组合，或者扩展到如此公开的任何方法或处理的步骤的任何新颖的一个或任何新颖的组合。
本发明的进一步方面通过以下条项的主题提供：
1.一种制造用于向空气动力学表面施加纹理的母模固化工具的方法，包括以下步骤：提供箔，所述箔是金属的且具有纹理表面；将所述箔施加到复合弯曲的刚性成形工具的成形表面，并且使所述箔塑性变形以适应所述成形表面，从而限定箔层；使用热或热和压力的组合对所述箔层进行退火；和将所述箔层结合到支撑体，从而限定所述母模固化工具。
2.根据任何在前条项的方法，其中提供所述箔的步骤包括：在柔性衬底上加工纹理；将金属层电铸到所述柔性衬底上，所述金属层限定具有纹理表面的所述箔；和从所述柔性衬底移除所述箔。
3.根据任何在前条项的方法，其中使用热和压力使所述箔塑性变形。
4.根据任何在前条项的方法，其中塑性变形和退火在一个步骤中执行。
5.根据任何在前条项的方法，其中所述柔性衬底包括金属合金。
6.根据任何在前条项的方法，加工步骤包括车削。
7.根据任何在前条项的方法，所述纹理包括多个凹槽。
8.根据任何在前条项的方法，其中将所述箔施加到所述成形表面的步骤包括：将所述箔切割成一个或多个箔片，每个箔片小于所述成形表面的总表面区域；和将所述箔片施加到所述成形表面，以共同限定所述箔层。
9.根据任何在前条项的方法，其中：提供箔的步骤包括提供两个或更多个箔片，所述箔片是金属的且具有纹理表面，其中所述箔片具有不同的纹理取向；并且将所述箔施加到所述成形表面的步骤包括将所述箔片施加到所述成形表面上，以便共同限定所述箔层。
10.根据任何在前条项的方法，所述成形工具包括金属合金。
11.根据任何在前条项的方法，其中所述支撑体与所述成形工具分离。
12.根据任何在前条项的方法，还包括将所述纹理表面的印痕转印到可固化膜材料上，并将所述膜材料结合到复合弯曲的空气动力学表面。
13.一种用于将纹理施加到具有复合曲率的空气动力学表面的方法，包括以下步骤：提供包括箔层的母模固化工具，所述箔层具有结合到支撑体的纹理表面，其中所述箔层具有复合曲率；将所述纹理表面的印痕转印到可固化膜材料上，以形成纹理膜，并将所述纹理膜结合到复合弯曲的空气动力学表面。
14.根据任何在前条项的方法，所述纹理膜包括多个凸纹。
15.根据任何在前条项的方法，所述纹理表面的所述印痕直接从所述纹理表面转印到所述膜材料。
16.根据任何在前条项的方法，其中转印和结合的步骤包括：将所述膜材料施加到所述母模固化工具的所述纹理表面；用热和压力来固化所述膜材料，使得其形成所述纹理膜，所述纹理膜在其上具有所述母模固化工具的所述纹理表面的负型印痕；提供包括所述空气动力学表面的部件；和将所述纹理膜结合到所述空气动力学表面的至少一部分上。
17.根据任何在前条项的方法，其中转印和结合的步骤包括：将所述膜材料施加到所述空气动力学表面的至少一部分上；将所述母模固化工具定位在所述膜材料上，使得所述膜材料与所述纹理表面和所述空气动力学表面的所述至少一部分接触，并设置在所述纹理表面和所述空气动力学表面的所述至少一部分之间；用热和压力来固化所述膜材料，使得其形成粘附到所述空气动力学表面的所述至少一部分的所述纹理膜；和将所述母模固化工具从与所述纹理膜的接触中移除。
18.根据任何在前条项的方法，其中使用衬板作为中间转印装置，所述纹理表面的所述印痕被间接地从所述纹理表面转印到所述膜材料。
19.根据任何在前条项的方法，其中转印和结合的步骤包括：将可流动且可固化的衬板材料施加到所述母模固化工具的所述纹理表面；用热和压力来固化所述衬板材料，使得其形成不再可流动并且在其上具有所述纹理表面的负型印痕的衬板；将所述膜材料施加到所述衬板；用热和压力来固化所述膜材料，使得其形成在其上具有所述衬板的负印痕的所述纹理膜；提供包括所述空气动力学表面的部件；和将所述纹理膜结合到所述空气动力学表面的至少一部分。
20.根据任何在前条项的方法，其中转印和结合的步骤包括：将可流动且可固化的衬板材料施加到所述母模固化工具的所述纹理表面；用热和压力来固化所述衬板材料，使得其形成不再可流动并且在其上具有所述纹理表面的负型印痕的衬板；提供包括所述空气动力学表面的部件；将所述膜材料施加到所述空气动力学表面的至少一部分；将所述衬板定位在所述膜材料上，使得所述膜材料与所述衬板和所述空气动力学表面的所述至少一部分接触、并设置在所述衬板和所述空气动力学表面的所述至少一部分之间；用热和压力来固化所述膜材料，使得其形成所述纹理膜并粘附到所述空气动力学表面的所述至少一部分；和将固化的所述膜材料从与所述纹理膜的接触中移除。
21.一种具有空气动力学表面的燃气涡轮发动机部件，所述空气动力学表面具有包含表面纹理的复合曲率，其中所述表面纹理通过包括以下步骤的方法来施加：提供包括箔层的母模固化工具，所述箔层具有结合到支撑体的纹理表面，其中所述箔层具有复合曲率；和将所述纹理表面的印痕转印到可固化膜材料上，以形成纹理膜，并将所述纹理膜结合到复合弯曲的所述空气动力学表面。
22.根据任何在前条项的部件，其中所述母模固化工具通过包括以下步骤的方法制造：提供箔，所述箔是金属的且具有纹理表面；将所述箔施加到复合弯曲的刚性成形工具的成形表面，并且使所述箔塑性变形以适应所述成形表面，从而限定箔层；使用热或热和压力的组合对所述箔层进行退火；和将所述箔层结合到支撑体，从而限定所述母模固化工具。
23.根据任何在前条项的部件，其中所述纹理包括限定交替的峰部和谷部的凸纹。
24.根据任何在前条项的部件，其中：所述凸纹限定沿着大致垂直于所述空气动力学表面的方向在所述谷部和所述峰部之间测量的高度，以及沿着大致平行于所述空气动力学表面的方向在相邻的峰部之间的最大宽度；并且所述高度的最大值和所述宽度的最大值限定约1:1至约2.5:1的纵横比，其中最大总高度为约0.65mm或更小。
1.一种制造用于向空气动力学表面施加纹理的母模固化工具的方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供箔，所述箔是金属的且具有纹理表面；
将所述箔施加到复合弯曲的刚性成形工具的成形表面，并且使所述箔塑性变形以适应所述成形表面，从而限定箔层；
使用热或热和压力的组合对所述箔层进行退火；和
将所述箔层结合到支撑体，从而限定所述母模固化工具。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中提供所述箔的步骤包括：
在柔性衬底上加工纹理；
将金属层电铸到所述柔性衬底上，所述金属层限定具有纹理表面的所述箔；和
从所述柔性衬底移除所述箔。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中使用热和压力使所述箔塑性变形。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中塑性变形和退火在一个步骤中执行。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其中所述柔性衬底包括金属合金。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，加工步骤包括车削。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纹理包括多个凹槽。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中将所述箔施加到所述成形表面的步骤包括：
将所述箔切割成一个或多个箔片，每个箔片小于所述成形表面的总表面区域；和
将所述箔片施加到所述成形表面，以共同限定所述箔层。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中：
提供箔的步骤包括提供两个或更多个箔片，所述箔片是金属的且具有纹理表面，其中所述箔片具有不同的纹理取向；并且
将所述箔施加到所述成形表面的步骤包括将所述箔片施加到所述成形表面上，以便共同限定所述箔层。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述成形工具包括金属合金。
技术总结