GE带冷却通道的3D打印发动机零件-涡轮叶片翼型专利通过

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涡轮发动机,特别是燃气或燃气涡轮发动机,通过发动机的多个旋转涡轮叶片上的燃烧气体流中提取能量,这些涡轮叶片分布在多个涡轮叶片组件中。出于空气动力学方面的考虑,叶片的叶身型面通常都设计成复杂的自由曲面,且对其制造精度要求极高,而3D打印在成型与控性方面为叶片的制造带来了新的革命。

本期谷.专栏将结合GE最新获得带冷却孔的发动机部件专利,对GE的叶片技术进行分享。

block 减少裂纹发生

根据3D科学谷,在涡轮发动机叶片的运转过程中,裂纹是叶片的致命缺陷,叶片的发展趋势是采用更耐高温的镍基合金,而且冷却设计越来越复杂,冷却效果的要求越来越高,同时采用高效的隔热涂层。而3D打印通过实现更均匀可控的晶体组织、更耐高温的复合材料、更复杂的叶片冷却通道、与金属基体结合更紧密的隔热涂层,从而提升了叶片的性能,更有效的避免裂纹发生。

航空发动机作为航天飞行器的核心部件,决定发动机关键性能的涡轮叶片成为研究的重中之重。一台航空发动机的推动力与涡轮机前沿进气口温度密切相关,涡轮叶片的承温能力则决定了整台发动机的推动力,而提高涡轮叶片承温能力的方法主要有两种,一种是探索性能更优化更稳定的高温合金;另一种是探索具备复杂空心结构的叶片冷却技术。

此前,3D科学谷曾在《深度剖析GE通过3D打印实现涡轮机叶片翼型多层外壁》一文中分享了GE如何通过增材制造实现更好的叶片冷却,其中涉及到通过增材制造制成的热气路径部件的多层壁。

空心和带冷却孔的结构改进了原始涡轮叶片的冷却方式,这种结构能够有效提高涡轮叶片的承温能力,从而有效提高发动机的工作温度,这种更为高效的气冷方式是目前的研究重点。通过复杂气冷内腔结构改善涡轮叶片散热能力已成为先进发动机制造的关键。

根据《中国工程科学》1,叶片在结构上主要由叶身、缘板和榫头这三部分组成。叶身型面是叶片的主体,其形状通常都设计成具有高气动性能的空间自由曲面;榫头部分用于实现叶片在转子轮盘上的固定,也称为叶根;缘板为叶身型面和叶根榫头之间的过渡部分。叶片通过其叶根榫头与转子轮盘上对应轮槽的配合,将工作介质作用于叶身型面上的力传递给转子主轴,进而驱动外界负载实现功率的输出。

block 更好的冷却

GE的专利详细阐述了固定叶片和围绕发动机燃烧器的燃烧器衬套的喷嘴也可以利用冷却孔或蛇形回路来实现更好的冷却,从而避免裂纹。

GE_Patent_1 GE_Patent_2 © US11359494B2

蛇形回路可以是延伸到沿着叶片的多个表面中的任何一个设置的冷却孔,包括在尖端、后缘和前缘处。前缘冷却气流的方向则会影响涡轮机翼型的耐用性。冷却流体流从内部沿第一方向流过冷却孔的弯曲通道,从冷却孔流出。沿第一方向会聚冷却流体流并同时沿垂直于第一方向的第二方向发散冷却流体流,第一和第二方向都位于垂直于流动方向的平面内,最后在靠近发动机部件的停滞线的位置处排出冷却流体。

block 更好的叶片

更安全稳定的叶片让GE的发动机获得了更多的竞争优势,GE采用EBM 3D打印技术制造涡轮叶片,用电子束作为其能量源逐层融化金属粉末,粉末材料为先进的航空航天材料钛铝(TiAl)制造。这种材料比常用于低压涡轮叶片的镍基合金轻50%左右。与其前身GE90发动机相比,这意味着燃油消耗降低了10%(排放量也随之降低),GE9X的重量减轻约200公斤。

GE© GE

采用全新材料、冷却技术、气动力设计的GE9X发动机是波音777X系列飞机的唯一选型发动机,GE9X是通用创新研发的集大成之作,其60:1的增压比创下燃气涡轮航空发动机历史之最。

GE航空旗下的Avio Aero在意大利的Cameri工厂负责生产新型GE9X发动机的涡轮叶片,并不断添加新设备以提高3D打印叶片的生产能力。

随着GE专利的快速布局,GE在发动机的冷却方面搭建了更高的竞争壁垒,根据3D科学谷的市场观察,GE涵盖了方方面面的发动机冷却专利,例如:叉指式涡轮发动机空气轴承冷却结构和热管理方法专利,涡轮发动机的倾斜燃烧器专利,燃油喷嘴专利,3D打印燃料喷射器和冷却系统专利,3D打印带冷却通道的一体化涡轮机罩,多层外壁的涡轮机叶片翼型等等。

l 参考资料:
1.《中国工程科学》/复合式叶片型面测量系统的误差分析与补偿

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