金屬3D打印成就高度功能集成的微型渦輪機(jī)核心機(jī)設(shè)計(jì)

魔猴君  行業(yè)資訊   1516天前

由于可實(shí)現(xiàn)十分復(fù)雜的產(chǎn)品制造，基于粉末床熔融（PBF）工藝的金屬3D打印技術(shù)不僅使得復(fù)雜產(chǎn)品的制造變得更加可行，而且還創(chuàng)造了更大的圍繞著產(chǎn)品生命周期的綜合性經(jīng)濟(jì)效益。在動(dòng)力裝備方面，PBF技術(shù)所成就的產(chǎn)品并不是停留在概念開發(fā)階段，而是已經(jīng)隨著火箭和飛船進(jìn)入了太空，隨著飛機(jī)在天空中翱翔，并在發(fā)電領(lǐng)域起著“四兩撥千斤”般的效益放大作用。3D打印所造就的下一代的產(chǎn)品極大的提升了人類利用資源的水平，這一切已經(jīng)來(lái)到了我們的身邊。其中的成功案例不勝枚舉，例如業(yè)界熟知的GE 3D打印燃油噴嘴，大名鼎鼎的SpaceX、NASA、GE、西門子等等通過(guò)3D打印在不斷突破下一代航天器、商業(yè)飛機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等產(chǎn)品的性能極限。

本期，分享的也是一個(gè)粉末床選區(qū)激光熔化3D打印技術(shù)在動(dòng)力裝備制造中的案例。應(yīng)用對(duì)象是一種增材制造微型渦輪機(jī)，這一應(yīng)用體現(xiàn)了粉末床技術(shù)成就復(fù)雜產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)緊扣這一優(yōu)勢(shì)，提出了創(chuàng)新性的微型渦輪機(jī)設(shè)計(jì)方案。

微型渦輪機(jī)分解圖。來(lái)源：nTopology

更少的零件集成更多功能

I設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)

渦輪機(jī)制造企業(yè)Sierra Turbines對(duì)于微型渦輪提出了設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)，與當(dāng)前最先進(jìn)的微型渦輪機(jī)相比，設(shè)計(jì)優(yōu)化需達(dá)到如下幾點(diǎn)：

大修間隔時(shí)間延長(zhǎng)40倍；

推力重量比（或渦輪發(fā)電應(yīng)用的功率重量比）增加；

功率相近的機(jī)器的單位成本降低。

實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)要求微型渦輪機(jī)中的每個(gè)組件和系統(tǒng)的效率得到提升。選區(qū)激光熔化3D打印技術(shù)為這一微型渦輪機(jī)核心機(jī)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了優(yōu)化空間，開發(fā)團(tuán)隊(duì)利用這一技術(shù)和面向增材制造的設(shè)計(jì)獲得了一系列優(yōu)勢(shì)。

I零件數(shù)量減少

增材制造的Aurelius Mk1核心機(jī)用一個(gè)零件，替代了以往需要61個(gè)零件組裝的部件。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造方式下，61個(gè)組裝零件涉及到了不同原材料的生產(chǎn)和運(yùn)輸，使用不同工藝制造單個(gè)零件，以及零件的組裝，異種材料的接頭，對(duì)額外密封件或緊固件的依賴等問(wèn)題。

3D打印的微型渦輪機(jī)靜態(tài)核心機(jī)。來(lái)源：nTopology

而增材制造的核心機(jī)采用了功能集成的設(shè)計(jì)，一體化的3D打印零件，無(wú)需面對(duì)這些問(wèn)題。這是由于，減少零件數(shù)量也減少了零件之間的接頭數(shù)量，從而減少了所需的密封件和緊固件。同樣，減少接頭可以消除可能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)效率產(chǎn)生負(fù)面影響的潛在泄漏路徑。

Aurelius Mk1微型渦輪機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)方表示，VELO3D公司的金屬3D打印技術(shù)成就了如此高的設(shè)計(jì)集成度。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，VELO3D的金屬3D打印打印機(jī)以其獲得專利的SupportFree工藝實(shí)現(xiàn)近乎無(wú)支撐的產(chǎn)品幾何自由度而聞名，該工藝減少了復(fù)雜通道，淺懸垂和低角度的支撐結(jié)構(gòu)的必要，這為微型渦輪機(jī)核心機(jī)帶來(lái)了實(shí)現(xiàn)高度集成設(shè)計(jì)的可能性。

這款核心機(jī)所采用的3D打印材料為鎳超合金，是許多大型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的首選材料。

I成就設(shè)計(jì)自由度

我們前面談到，Aurelius Mk1核心機(jī)采用了高度功能集成的設(shè)計(jì)，那么其中集成了哪些功能呢？

設(shè)計(jì)開發(fā)團(tuán)隊(duì)重新考慮了燃燒室中的燃油噴霧和火焰形狀。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，燃料是在圍繞燃燒室直徑的許多點(diǎn)處噴射的，然后通過(guò)控制圍繞它們的空氣流來(lái)穩(wěn)定這些圓柱狀火焰。而在增材制造一體化的核心機(jī)中，集成了一個(gè)360度噴油嘴，通過(guò)該噴油嘴，燃油能夠在燃燒室的整個(gè)圓周上均等地輸送，并在霧化的同時(shí)穿過(guò)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的環(huán)形火焰通過(guò)燃燒室內(nèi)空氣的戰(zhàn)略性渦旋而穩(wěn)定。

I設(shè)計(jì)優(yōu)化帶來(lái)性能提升

采用增材制造技術(shù)為微型渦輪機(jī)核心機(jī)帶來(lái)了設(shè)計(jì)優(yōu)化空間，從而提升了微型渦輪機(jī)性能。與當(dāng)前先進(jìn)的渦輪機(jī)相比，微型渦輪機(jī)開發(fā)團(tuán)隊(duì)能夠創(chuàng)建更具質(zhì)量效益的結(jié)構(gòu)，預(yù)計(jì)與現(xiàn)有功率相當(dāng)?shù)臏u輪機(jī)相比，推力重量比將顯著提高。

此外，在通過(guò)增材制造設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的軸承應(yīng)用，制造公差，潤(rùn)滑和熱管理功能等多方面改進(jìn)的作用下，預(yù)計(jì)Aurelius Mk1核心機(jī)的大修間隔時(shí)間，將實(shí)現(xiàn)是市場(chǎng)上現(xiàn)有渦輪機(jī)的40倍的目標(biāo)。

在未來(lái)的微型渦輪機(jī)開發(fā)中，開發(fā)團(tuán)隊(duì)將利用增材制造技術(shù)進(jìn)一步整合功能，例如提高效率的同流換熱器，嵌入式傳感器以及更新穎的絕緣和冷卻幾何形狀。

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