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GE帶冷卻通道的3D打印發(fā)動機(jī)零件-渦輪葉片翼型專利通過

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渦輪發(fā)動機(jī)，特別是燃?xì)饣蛉細(xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，通過發(fā)動機(jī)的多個旋轉(zhuǎn)渦輪葉片上的燃燒氣體流中提取能量，這些渦輪葉片分布在多個渦輪葉片組件中。出于空氣動力學(xué)方面的考慮，葉片的葉身型面通常都設(shè)計(jì)成復(fù)雜的自由曲面，且對其制造精度要求極高，而3D打印在成型與控性方面為葉片的制造帶來了新的革命。

減少裂紋發(fā)生

在渦輪發(fā)動機(jī)葉片的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，裂紋是葉片的致命缺陷，葉片的發(fā)展趨勢是采用更耐高溫的鎳基合金，而且冷卻設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，冷卻效果的要求越來越高，同時采用高效的隔熱涂層。而3D打印通過實(shí)現(xiàn)更均勻可控的晶體組織、更耐高溫的復(fù)合材料、更復(fù)雜的葉片冷卻通道、與金屬基體結(jié)合更緊密的隔熱涂層，從而提升了葉片的性能，更有效的避免裂紋發(fā)生。

航空發(fā)動機(jī)作為航天飛行器的核心部件，決定發(fā)動機(jī)關(guān)鍵性能的渦輪葉片成為研究的重中之重。一臺航空發(fā)動機(jī)的推動力與渦輪機(jī)前沿進(jìn)氣口溫度密切相關(guān)，渦輪葉片的承溫能力則決定了整臺發(fā)動機(jī)的推動力，而提高渦輪葉片承溫能力的方法主要有兩種，一種是探索性能更優(yōu)化更穩(wěn)定的高溫合金；另一種是探索具備復(fù)雜空心結(jié)構(gòu)的葉片冷卻技術(shù)。

空心和帶冷卻孔的結(jié)構(gòu)改進(jìn)了原始渦輪葉片的冷卻方式，這種結(jié)構(gòu)能夠有效提高渦輪葉片的承溫能力，從而有效提高發(fā)動機(jī)的工作溫度，這種更為高效的氣冷方式是目前的研究重點(diǎn)。通過復(fù)雜氣冷內(nèi)腔結(jié)構(gòu)改善渦輪葉片散熱能力已成為先進(jìn)發(fā)動機(jī)制造的關(guān)鍵。

根據(jù)《中國工程科學(xué)》1，葉片在結(jié)構(gòu)上主要由葉身、緣板和榫頭這三部分組成。葉身型面是葉片的主體，其形狀通常都設(shè)計(jì)成具有高氣動性能的空間自由曲面；榫頭部分用于實(shí)現(xiàn)葉片在轉(zhuǎn)子輪盤上的固定，也稱為葉根；緣板為葉身型面和葉根榫頭之間的過渡部分。葉片通過其葉根榫頭與轉(zhuǎn)子輪盤上對應(yīng)輪槽的配合，將工作介質(zhì)作用于葉身型面上的力傳遞給轉(zhuǎn)子主軸，進(jìn)而驅(qū)動外界負(fù)載實(shí)現(xiàn)功率的輸出。

更好的冷卻

GE的專利詳細(xì)闡述了固定葉片和圍繞發(fā)動機(jī)燃燒器的燃燒器襯套的噴嘴也可以利用冷卻孔或蛇形回路來實(shí)現(xiàn)更好的冷卻，從而避免裂紋。

蛇形回路可以是延伸到沿著葉片的多個表面中的任何一個設(shè)置的冷卻孔，包括在尖端、后緣和前緣處。前緣冷卻氣流的方向則會影響渦輪機(jī)翼型的耐用性。冷卻流體流從內(nèi)部沿第一方向流過冷卻孔的彎曲通道，從冷卻孔流出。沿第一方向會聚冷卻流體流并同時沿垂直于第一方向的第二方向發(fā)散冷卻流體流，第一和第二方向都位于垂直于流動方向的平面內(nèi)，最后在靠近發(fā)動機(jī)部件的停滯線的位置處排出冷卻流體。

更好的葉片

更安全穩(wěn)定的葉片讓GE的發(fā)動機(jī)獲得了更多的競爭優(yōu)勢，GE采用EBM 3D打印技術(shù)制造渦輪葉片，用電子束作為其能量源逐層融化金屬粉末，粉末材料為先進(jìn)的航空航天材料鈦鋁（TiAl）制造。這種材料比常用于低壓渦輪葉片的鎳基合金輕50％左右。與其前身GE90發(fā)動機(jī)相比，這意味著燃油消耗降低了10％（排放量也隨之降低），GE9X的重量減輕約200公斤。

采用全新材料、冷卻技術(shù)、氣動力設(shè)計(jì)的GE9X發(fā)動機(jī)是波音777X系列飛機(jī)的唯一選型發(fā)動機(jī)，GE9X是通用創(chuàng)新研發(fā)的集大成之作，其60:1的增壓比創(chuàng)下燃?xì)鉁u輪航空發(fā)動機(jī)歷史之最。GE航空旗下的Avio Aero在意大利的Cameri工廠負(fù)責(zé)生產(chǎn)新型GE9X發(fā)動機(jī)的渦輪葉片，并不斷添加新設(shè)備以提高3D打印葉片的生產(chǎn)能力。隨著GE專利的快速布局，GE在發(fā)動機(jī)的冷卻方面搭建了更高的競爭壁壘，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，GE涵蓋了方方面面的發(fā)動機(jī)冷卻專利，例如：叉指式渦輪發(fā)動機(jī)空氣軸承冷卻結(jié)構(gòu)和熱管理方法專利，渦輪發(fā)動機(jī)的傾斜燃燒器專利，燃油噴嘴專利，3D打印燃料噴射器和冷卻系統(tǒng)專利，3D打印帶冷卻通道的一體化渦輪機(jī)罩，多層外壁的渦輪機(jī)葉片翼型等等。