3D打印噴氣發動機、微型燃氣輪機革命以及能源的未來

魔猴君  行業資訊   504天前

近日，魔猴網了解到，以色列理工學院Beni Cukurel 副教授領導的團隊利用增材制造 (AM)設計了微型燃氣輪機，向發電和推進的未來邁出了一大步。這一革命性的發展極大地挑戰了傳統的制造方式。

△增材制造預組裝微型渦輪噴氣發動機

Cukurel 的團隊和渦輪機械與傳熱實驗室挖掘了增材制造的潛力。 該團隊并沒有簡單地將增材制造作為替代工具，而是將其視為核心資源，創建先驗設計以滿足約束條件并利用增材制造的優勢。他們研究的核心是微型燃氣輪機，專為高比例發電而設計。Cukurel 將微型燃氣輪機定義為能夠產生 300 千瓦以下電力和 2 千牛頓以下推力的系統。采用增材制造方法，該團隊開始了他們的第一個項目，制造了一個5厘米大小的微型燃氣輪機，可為無人機提供 300 瓦的電力。與傳統電池相比，微型渦輪機的能量密度更高，因此可顯著增加飛行時間。

△氣體和燃料路徑

團隊并沒有停留在微型燃氣輪機上，他們還在 COVID-19 危機期間利用了增材制造知識，進一步創新了用于醫療呼吸機的預組裝、自支撐渦輪機械設計，成功地將在預組裝自承式渦輪機械結構中開發的專有技術轉移到燃氣輪機上。這些預組裝、自支撐燃氣輪機具有較低的成本，主要成本僅包括機器時間和功耗，大大減少了生產支出。

Cukurel 表示此類創新工作的實現離不開與馮卡門流體動力學研究所、伊茲密爾卡蒂普塞拉比大學和PTC的合作。在這個由北約資助的項目中，各方都展示了其獨特的專業知識，馮卡門研究所提供了空氣動力學和燃燒的高保真模擬，伊茲密爾卡蒂普塞拉比大學使用計算流體動力學來評估靜壓軸承的承載能力，PTC 提供了豐富的增材制造技術知識，特別使用了其強大的 CAD設計和仿真模型。

△自支撐轉子（渦輪軸壓縮機）和包圍自支撐固定外殼（回熱器、噴嘴導葉、軸承箱、燃燒器、擴散器）。

通過增材制造優化性能

Cukurel 解釋說，為了解決增材制造設計的限制，他們首先開發了降階模型。簡單來說，這是一個優化的模型，保留了原始系統的關鍵部分，但對其進行了簡化，以便分析和使用。

傳統上，在設計噴氣發動機時，主要使用空氣動力學，目標是在熱力學方面實現峰值性能，轉化為推重比和燃料消耗率，換句話說，就是功率和能量密度。然而，當處理小型發動機的問題時，這種方法就會失效。Cukurel 解釋道：“我們創建的是降階模型，它捕獲了影響引擎的所有因素，包括空氣動力學、傳熱、轉子動力學和燃燒等。可以把它想象成將交響樂濃縮成獨奏表演——你需要保正作品的精髓，同時也適應獨奏者的能力。“

Cukurel 繼續詳細介紹了如何創建一個先驗了解增材制造的所有限制的多學科優化環境，他們設計的系統從一開始就能掌握創造的局限性，這就像一位經驗豐富的建筑師知道不要設計角度太陡以致建筑材料無法支撐的屋頂，確保制造過程中構建的每一層都是自支撐的，同時遵守增材制造的限制，其中包括對懸臂角度、最小厚度和孔隙率等的考慮。

在材料方面，Cukurel表示用EOS M 290打印系統制造金屬部件，用Lithoz的打印機制造陶瓷結構。陶瓷部件雖然制造起來比較困難，但具有缺陷尺寸更小和表面更光滑等優點，從而提高了空氣動力學性能，進而節省了燃料消耗，因此使用陶瓷作為特定部件的材料具有一定的優勢。

Cukurel 強調了實現概念設計的重要性，并指出只要5%的偏差就會對燃油節省或推力產生影響。在噴氣發動機設計領域，即使是很小的百分點也可能導致重大變化，而陶瓷部件的壓縮機性能在空氣動力學方面提高了三到四個百分點。

△超微型燃氣輪機的整體增材制造氮化硅轉子，設計運行速度為 500,000 RPM。

能源的未來是 3D 打印的嗎？

以色列研究人員使用 3D 打印技術預組裝發動機的工作可以重塑能源的未來。他們的項目專注于微型燃氣輪機在分布式能源發電中的應用，正在改變人們對能源效率的傳統理解，并為可持續發展創造新的可能性。

Cukurel 為該技術提供了兩種不同的應用：

●首先，他強調了軍事用途，特別是無人機系統。在這個領域，供應鏈中斷是一個重大問題，可能導致關鍵業務在六到九個月內沒有軸承等重要部件。預組裝發動機技術完全消除了對此類供應鏈的需求，從而解決了這個問題。

●第二個應用是分布式能源發電。傳統的集中式發電廠的能源效率上限約為 65%，所產生的35%的能源被浪費了。為此，Cukurel 提出了一種在各地使用分布式微型燃氣輪機進行熱電聯產的解決方案。

△5厘米規模的超微型燃氣輪機，旨在產生300瓦的功率

Cukurel解釋說：“可再生能源是中斷的能源。你不會想依賴今天有沒有風吧？不然今天會有太陽。無論如何，你都想經營你的工廠。那么，在可再生能源具有中斷性的前提下，如何擁有一個靈活、強大的電網呢？”在這種情況下，靈活是指快速適應和響應能源需求變化的能力，這些變化就是可再生能源的不可預測的輸出。

盡管這項技術的變革潛力是顯而易見的，但目前面對的主要障礙在于投資回報，微型燃氣輪機的成本太高，無法在合理的時間內產生令人滿意的投資回報率。目前，研究人員還計劃將他們的工作商業化，與行業參與者和戰略投資者的合作也正在籌備之中。Cukurel對工作的潛在社會影響表示興奮，特別是在微型燃氣輪機能夠燃燒氨方面。

△碳化硅多孔介質燃燒器為燃料/空氣比提供廣泛的穩定性

使用氨發動機的可持續能源

氨可以作為一種可再生、綠色、無碳的燃料。氨以前曾被用作燃料，特別是在比利時的第二次世界大戰期間，但自那時以來，燃氣輪機的燃燒室設計發生了重大變化。戰時氨動力發動機提出了許多挑戰，主要是它們對燃料的敏感性和普遍缺乏靈活性。Cukurel 和他的團隊開發了技術——多孔介質燃燒器——特別適合燃燒氨。

Cukurel 解釋說：“在燃氣輪機中，大多數燃燒室設計都使用完全不同的技術。他們對汽化過程進行優化，然后使用稀釋管來計量燃料，并將熱氣體引入渦輪機。” 以色列理工學院團隊的創新之處在于他們對特定技術的獨特應用——多孔介質燃燒器。這是它首次應用于氨燃燒微型燃氣輪機，其工作具有開創性。

讓我們揭開“多孔介質燃燒器”一詞的神秘面紗，它是一種特殊類型的燃燒器，燃料-空氣混合物在多孔介質中燃燒，產生高效、低排放的燃燒。多孔介質燃燒器已經存在了至少 50 年，傳統的制造方法是將泡沫浸入陶瓷漿料中，然后進行燒結。然而，正如Cukurel指出的那樣，無法控制孔隙率及其在流動方向上的分布方式。為了解決上述問題，研究人員使用了增材制造技術制造了燃燒器，它具有類似甜甜圈的形狀，內部有有機的氣泡狀晶格結構，該結構的孔隙率沿流動方向變化，這就是3D打印的用武之地，因為它可以控制傳統制造技術無法實現的孔隙率梯度。

△使用預混合燃料/空氣混合物運行的多孔介質燃燒器

Cukurel 也是最近發表的一篇論文的合著者，該論文使用基于光刻的陶瓷制造 (LCM) 和選擇性激光熔化 (SLM) 技術對整體轉子的設計、生產、組裝和高速測試進行了全面分析。這項研究題為“Ceramic and metal additive manufacturing of monolithic rotors from sialon and Inconel and comparison of aerodynamic performance for 300W scale microturbines”，是第一項利用空氣動力學和制造質量保證診斷直接比較微型渦輪機械部件的研究，研究了無支撐壓縮機和渦輪機設計的空氣動力學影響，制定了 LCM 和 SLM 的詳細制造因素和工藝參數，并通過表面和CT掃描對零件進行質量分析，以及SEM顯微照相。結果表明，與 SLM 轉子相比，LCM 轉子具有更高的幾何精度、更好的表面光潔度、更少的制造表面偽影以及更低的孔隙率。

這些突破性的概念和未來的應用可能會改變世界，當我們面臨氣候變化的生存威脅時，此類創新可能對人類生存至關重要。

來源：南極熊