燃氣渦輪發(fā)動機，諸如那些為現(xiàn)代商用和軍用飛機提供動力的燃氣渦輪發(fā)動機通常包括管道式換熱器系統(tǒng)，管道式換熱器系統(tǒng)具有換熱器和相關(guān)聯(lián)的設(shè)備以與氣流交換發(fā)動機熱量。燃氣渦輪發(fā)動機架構(gòu)通常規(guī)定管道式換熱器放置在包封發(fā)動機的機艙內(nèi)。

常規(guī)換熱器芯部具有均勻的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)和外部幾何結(jié)構(gòu)的部分原因是由于制造的復(fù)雜性使得設(shè)計方面需要妥協(xié)。然而常規(guī)制造技術(shù)制造的管道式換熱器大部分并不具備根據(jù)空氣動力學(xué)優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)，這可導(dǎo)致發(fā)動機性能弊端。


3D打印流線型的結(jié)構(gòu)
UTC聯(lián)合技術(shù)公司開發(fā)出用于燃氣渦輪發(fā)動機的管道式換熱器系統(tǒng)的新型整流罩，其創(chuàng)新之處在于通過3D打印增材制造來完成異形復(fù)雜換熱器結(jié)構(gòu)的制造。

熱疲勞通常是限制換熱器壽命的主要方面，而3D打印-增材制造換熱器具有低循環(huán)疲勞的特點。與基于典型波紋和釬焊組裝技術(shù)需要不同材料的常規(guī)制造技術(shù)相比較，3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)更加優(yōu)化的材料組合，并且不需要焊接過程。UTC聯(lián)合技術(shù)公司基于熱傳遞需求設(shè)計了減少造成熱疲勞的表面特征并且優(yōu)化了幾何結(jié)構(gòu)，從而更加有效的管理熱傳遞。


此外，在某些案例中，與等同熱容量的“磚”狀結(jié)構(gòu)設(shè)計的換熱器相比較，3D打印的波狀外形的外部幾何結(jié)構(gòu)體積減少約15-20%。結(jié)合波狀外形的增材制造結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)理想的空氣動力學(xué)，而無需像以前那樣需要妥協(xié)于制造的局限性。


增材制造工藝有利于制造基于熱傳遞要求的幾何結(jié)構(gòu)，并且自始至終使應(yīng)力水平平衡。例如，翅片密度、厚度和類型可自始至終變化，以使得應(yīng)力相對于熱負載平衡。為了最大化結(jié)構(gòu)負載，內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)還可包括例如蜂窩結(jié)構(gòu)、三角形、點陣結(jié)構(gòu)或其他承重類型結(jié)構(gòu)。


談到發(fā)動機部件的冷卻技術(shù)，我們通常想到的是冷卻通道的方式。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，增材制造技術(shù)可以用來實現(xiàn)帶冷卻通道的發(fā)動機葉片從而使得這些葉片可以在極高的溫度下運行，而沒有這些冷卻通道的情況下，這些葉片會在極高的高溫下發(fā)生變形。而3D打印可以使得冷卻通道的形狀極為復(fù)雜，從而提高冷卻效率，使得發(fā)動機可以在更高的溫度下運行，從而使得飛機的運行效率更高，更經(jīng)濟。

其實3D打印的應(yīng)用，除了讓發(fā)動機提高散熱效率的葉片3D打印技術(shù)，在燃氣渦輪發(fā)動機部件的冷卻方面，3D打印的應(yīng)用越來越深入，在這方面，UTC等公司正在領(lǐng)跑行業(yè)應(yīng)用發(fā)展。

UTC聯(lián)合技術(shù)正在將3D打印點陣結(jié)構(gòu)應(yīng)用于燃氣渦輪發(fā)動機部件的冷卻方案，包括在燃氣渦輪發(fā)動機部件的壁內(nèi)部的點陣結(jié)構(gòu)。通過點陣結(jié)構(gòu)為燃氣渦輪發(fā)動機部件提供有效的局部對流冷卻，使得部件可以經(jīng)受通過核心流動路徑的熱燃燒氣體的高溫。

UTC聯(lián)合技術(shù)所設(shè)計的點陣結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)于任何給定的燃氣渦輪發(fā)動機部件或部件的某個部分的特定冷卻需求。換句話說，通過改變點陣結(jié)構(gòu)(圖中編號80)的設(shè)計和密度，可以調(diào)整以匹配外部熱負荷和局部壽命要求。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，UTC聯(lián)合技術(shù)還通過鑄造工藝來生產(chǎn)點陣結(jié)構(gòu)，這種增材制造工藝可用于生產(chǎn)難熔金屬芯(RMC)，包括但不限于鉬c。