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带有点阵结构冷却方案的燃气涡轮发动机部件

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燃气涡轮发动机通常包括压缩机部分,燃烧器部分和涡轮部分。通常,在运行期间,空气在压缩机部分中被加压并与燃料混合并在燃烧器部分中燃烧以产生热燃烧气体。热燃烧气体流过涡轮部分,涡轮部分将热燃烧气体的能量转化为动力。这其中涉及到大量的零件在高温下运行。
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对于航空或燃气涡轮发动机中需要高温条件下运行的零件来说,很多零件需要带冷却通道。在这方面,根据市场观察,除了冷却通道,点阵结构在散热方面也获得了不断深入的研究与应用。

提高局部对流冷却效果
根据市场研究,UTC联合技术正在将3D打印技术应用于燃气涡轮发动机部件的冷却方案,包括在燃气涡轮发动机部件的壁内部的点阵结构。通过点阵结构为燃气涡轮发动机部件提供有效的局部对流冷却,使得部件可以经受通过核心流动路径的热燃烧气体的高温。

据了解,UTC联合技术所设计的点阵结构可以适应于任何给定的燃气涡轮发动机部件或部件的某个部分的特定冷却需求。换句话说,通过改变点阵结构(图中编号80)的设计和密度,可以调整以匹配外部热负荷和局部寿命要求。

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不过对于任何给定的点阵结构来说,实际设计可取决于部件的几何形状。还需要考虑各种要求,包括压力损失、局部冷却流量、冷却空气热量吸收、热效率、总体冷却效率、空气动力学混合和可生产性考虑,并且还需要考虑燃气涡轮发动机的特定参数。

点阵结构(图中编号80)可以通过诸如粉末床金属熔融的增材制造工艺来生产,当然还可以通过电子束熔化(EBM)工艺来生产。不过,据了解,UTC联合技术还通过铸造工艺来生产点阵结构,这种增材制造工艺可用于生产难熔金属芯(RMC),包括但不限于钼c。

左手冷却通道,右手点阵结构
谈到发动机部件的冷却技术,我们通常想到的是冷却通道的方式。根据市场观察,增材制造技术可以用来实现带冷却通道的发动机叶片从而使得这些叶片可以在极高的温度下运行,而没有这些冷却通道的情况下,这些叶片会在极高的高温下发生变形。而3D打印可以使得冷却通道的形状极为复杂,从而提高冷却效率,使得发动机可以在更高的温度下运行,从而使得飞机的运行效率更高,更经济。
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而UTC联合技术将点阵结构应用到发动机零件的冷却解决方案,可以说是通过冷却通道冷却之外的又一尝试。由于点阵结构的存在从而保持了广泛的热交换表面,可以获得较高的散热表面/体积比。

从汽车到航空航天,点阵结构用于提高热交换效率

在这方面,根据市场观察,不少公司进行了通过点阵结构进行散热的商业化努力,其中包括HiETA Technologies与Delta Motorsport合作设计和制造、用于微型燃气涡轮系统的并流换热器,以及Conflux所制造的下一代高效能热交换器。而此前,菲亚特克莱斯勒(FCA汽车集团)还与McMaster大学建立了一项合作,目标是设计一种新的铝制汽车散热器,使得通过3D打印技术实现的汽车散热器可以比FCA集团生产的汽车中使用的汽车散热器更轻,并且还可以保证其性能。

通过 UTC联合技术的应用开发,点阵结构用于提高热交换效率不仅仅在汽车领域获得重视,同样在航空航天领域得到了深化。UTC联合技术在3D打印领域正在获得一系列的进展,相信这些前沿领域的探索在不久的一天将会转化为商业化的结果。

来源:3D科学谷

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