谷研究 l GE叉指式渦輪發動機空氣軸承冷卻結構和熱管理方法專利通過

2021-01-12 3DScienceValley

2019年GE航空集團以強勁業績迎來了百年慶，年底未交付訂單總量達2700億美元，以及超過64000多臺商用和軍用發動機的總裝機量。這些發動機的在役時間將長達幾十年，也將由此不斷帶來可預見的收入。GE的團隊正在不斷向商用和軍用發動機市場推出先進技術，以擴大市場佔有率。

根據3D科學谷的市場研究，GE在將3D列印應用到發動機的創新方面不斷精進，實現更好性能的發動機，從而帶動了整個航空行業的附加值創造發展。

GE董事長兼執行長拉裡·卡爾普在GE航空部件服務中心。來源：GE

創新源於強大的企業願景

近日，根據GE獲得通過的專利US10605168B2，GE所創新的系統設計可以允許在相對於類似功率輸出的其他燃氣渦輪發動機，相對於現有的燃氣渦輪發動機配置（例如渦輪風扇）增加高的旁通比和總壓力比。GE所創新的系統通過改善旁通比和總壓力比，從而增加總的燃氣渦輪發動機效率。

來源： US10605168B2

高壓渦輪機包括在燃燒部分和高壓渦輪機轉子之間的噴嘴導向葉片，噴嘴導向葉片用於加速離開燃燒部分的燃燒氣體的流動，以沿著切線或圓周方向更緊密地匹配或超過高壓渦輪轉子速度。

常規的燃氣渦輪發動機渦輪部分通常分別包括連續的固定和旋轉翼型或葉片和葉片。該常規構造通常限制進入和離開葉片和葉片的每一級的燃燒氣體的流動。然而，常規渦輪機部分，尤其是固定翼型件（即，葉片和噴嘴引導葉片）需要大量和大量的冷卻空氣，以避免由於熱燃燒氣體引起的損壞風險。

通常，噴嘴導向葉片被設計成承受沿著環空的最高燃燒氣體溫度（即熱點），該最高燃燒氣體溫度可以明顯大於沿著環空的平均燃燒氣體溫度。從而，傳統的發動機被設計成使用來自壓縮機部分的大量的冷卻空氣以減輕噴嘴導向葉片的結構損壞，磨損，劣化以及最終的維護和修理的可能性。然而，這種冷卻空氣不利地影響了整體發動機效率，性能，燃料消耗和可操作性，而這些能量原本可用於燃燒中以驅動渦輪，壓縮機和風扇。

當確定燃氣渦輪發動機需要進入維護和修理間隔時，噴嘴導向葉片通常是限制部件，從而限制了整體發動機性能和效率。

提高渦輪機區段效率的已知解決方案是使渦輪機區段的轉子相互交叉的方案。例如，沿從縱向的上遊端到下遊端以串聯流的方式配置渦輪段，該渦輪段具有噴嘴引導葉片，高壓渦輪轉子，另一個渦輪葉片級（即固定翼型），以及與低壓渦輪機交錯的中壓渦輪機。另一個已知的解決方案是以串聯流動的方式配置渦輪機部分，該渦輪機部分具有噴嘴導向葉片，高壓渦輪機轉子以及此後的各種水平的叉指式轉子，包括低壓，中壓或高壓渦輪機轉子。

儘管有各種已知的解決方案，但是仍然需要設計能夠使渦輪機部分朝向燃燒部分進一步相互交叉的結構。這就需要布置和操作渦輪截面軸承從而有效地使用壓縮空氣來進行軸承操作和發動機冷卻。

包括內罩112，外罩114，連接翼型件116，多個外罩翼型118，適用於增材製造-3D列印。來源： US10605168B2

GE所創新的系統設計消除了對第一渦輪葉片或噴嘴引導葉片的需要，燃燒氣體可能僅暫時地承受燃燒熱點的不利影響，而不是基本上持續地或恆定地暴露於燃燒氣體中的較高溫度。

由於減少了燃燒熱點對渦輪機部分的不利影響，GE的設計能夠進一步改善燃燒穩定性，減少排放物，減少稀薄井噴（LBO）。

3D科學谷Review

創建一個高效運轉的世界，GE的使命包含著更宏偉的目標。世界各地的社區都希望實現更可持續性的增長，GE憑藉這對各地市場的長期洞察，在技術和融資領域深厚的專業知識，以及管理複雜全球供應鏈的能力，成為堅定的技術創新的使者。

GE9X-GE航空史上燃油效率最高的噴氣式發動機

就在2020年1月25日（美國時間），搭載了兩臺GE9X發動機的波音777X飛機在華盛頓州埃弗雷特的佩恩機場起飛，順利完成其首飛。GE9X將300多個發動機部件組合成7個3D列印的部件，其中包括能精確地讓燃料和空氣的混合物進入燃燒室的燃油噴嘴、低壓渦輪葉片和熱交換器。另一個是導流器，它能讓發動機排出吸入的灰塵、沙子和其他碎片，延長發動機的使用壽命。這樣創新的設計很難被製造出來，甚至於之前GE也從未在商用噴氣發動機中使用過。

GE Catalyst-新型渦輪螺旋槳發動機

除了GE9X發動機，GE增材製造技術中心ATC的團隊在和開發Catalyst的工程師們密切合作，這將是30年來首個從零開始設計的新型渦輪螺旋槳發動機，他們採用3D列印技術將數百個發動機零件組合成十幾個左右的大部件。

隨著GE獲批的3D列印應用與發動機製造方面的專利越來越多，GE在這一3D列印+下一代發動機製造領域建立了新的高地，累積了更加充分的底氣向其創建一個高效運轉的世界的願景進發。根據3D科學谷的市場研究，這一系列的獲批專利包括：

更清潔的排放！GE燃氣渦輪發動機的傾斜燃燒器專利

獲批日：2020年3月24日

根據3D科學谷的市場研究，GE開發的燃氣渦輪發動機的傾斜燃燒器，通過增加燃燒器的流路和預混合器的長度，同時減少壓力損失，實現流動均勻性，並提高回流裕度以改善性能，耐用性和排放物輸出（例如，減少的CO排放物）。GE開發的燃燒器組件的整體或一部分可以3D列印-增材製造來實現。材料包括高強度鋼，鎳和鈷基合金或金屬或陶瓷基複合材料，或其它材料組合。

GE 3D列印燃油噴嘴專利

獲批日：2020年3月17日

為了實現更好的功能，GE設計出了一種理想的燃油噴嘴頂部結構。這個結構最終只有核桃般大小，裡面卻有14條精密的流體通道。GE通過3D列印-增材製造的燃料噴嘴具有多個優點。它提供了分流有效冷卻的方法，並具有良好的空氣動力學和聲學特性。分析表明，中空分流器，螺旋形旋流葉片和複合角文丘裡管在燃料噴嘴中組合使用時特別有利。

GE將3D列印應用於燃氣輪機燃燒器的液體燃料盒組件製造

獲批日：2020年3月3日

GE採用3D列印-增材製造技術例如基於粉末床的選區金屬熔化增材製造系統或其他增材製造系統來製造尖端。3D列印的裝置有助於將液體燃料引入發電燃氣渦輪機燃燒器的頭端中。該裝置有助於通過中央定位的液體燃料盒來輸送液體燃料（或液體燃料/水混合物）。

參考資料：

- US10605168B2

- US10598380B2

- US10591164B2

- US10578306B2

- US10415833B2

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