深度剖析GE通過3D列印開發的一體式渦輪機中心框架

關於3D列印在發動機領域的應用前景，當2015年第一個傳感器出現在GE90-94B噴氣發動機上時，它成為首個獲得FAA認證的增材製造的飛機發動機部件。隨後幾年裡，GE於2019年實現了GE9X上304個3D列印零部件的超越！

由此可見，3D列印正在引領發動機性能的不斷超越。而頗具深意的是，不僅僅是PBF基於粉末床的選區雷射熔化技術在推動下一代發動機的發展，DED定向能量沉積技術也不容忽視。

本期，通過GE最新獲批的專利，3D科學谷與谷友共同來領略DED定向能量沉積技術在發動機領域的創造力。

燃氣渦輪發動機的核心通常以連續流動的順序包括壓縮機部分、燃燒部分、渦輪部分和排氣部分。在操作中，從風扇向壓縮機部分的入口提供空氣，在一臺或多臺軸向壓縮機逐漸壓縮空氣，直至到達燃燒部分。燃料與壓縮空氣混合併在燃燒區燃燒，以提供燃燒氣體。燃燒氣體從燃燒段被引導至渦輪段。通過渦輪部分的燃燒氣體流驅動渦輪部分，然後被引導通過排氣部分。

通常，渦輪機部分包括高壓渦輪機和低壓渦輪機。渦輪機中心框架部分地支撐高壓和低壓渦輪機，並且在機械和結構上聯接高壓和低壓渦輪機。通常，渦輪機中心框架由數百個分開的零件形成，這些零件必須通過螺栓連接、焊接或以其他方式結合在一起以形成渦輪機中心框架結構。結果，渦輪機中心框架在製造，組裝和庫存方面具有相對較高的成本和交貨時間。此外，使用諸如螺栓連接或焊接之類的傳統製造方法來連接渦輪機中心框架的部件會使得重量增加，這會影響燃氣渦輪發動機的整體效率。並且，為了防止洩漏，還需要應用於燃燒氣體路徑的密封件。

因此，將需要改進渦輪機中心框架結構，例如一體式渦輪機中心框架，而通過3D列印-增材製造形成的整體渦輪機中心框架是頗具潛力和前景的。

開啟結構一體化潛力

根據GE的專利US10781721B2，GE開發了通過3D列印-增材製造的渦輪機中心框架。增材製造的渦輪機中心框架包括環形外殼、環形輪轂和在外殼與輪轂之間延伸的環形整流罩。整流罩包括內壁和外壁，並且多個韌帶從整流罩的外壁延伸到外殼，以將整流罩連接到外殼。增材製造的渦輪機中心框架還包括從輪轂延伸到外殼的多個支柱和在外殼的外表面上限定的一對凸臺。

GE包括隔音襯套的燃氣渦輪發動機的示意性截面圖。來源：US10781721B2

通過DED定向能量沉積金屬3D列印技術，渦輪機中心框架可以由單一材料形成，例如鎳鈷合金或其他合適的材料。一體的渦輪機中心框架包括比典型的渦輪機中心框架更少的零件，這可以減輕使用了渦輪機中心框架的燃氣渦輪發動機的重量，並減少製造和庫存成本。

GE整體渦輪機中心框架的一部分的透視圖。來源：US10781721B2

通過增材製造，可以優化整體渦輪機中心框架的各個部分，從而可以進一步減少材料，減輕了渦輪機中心框架的重量。

GE整體渦輪機中心框架的一部分的透視圖。來源：US10781721B2

一體式渦輪機中心框架的剖視圖。來源：US10781721B2

GE整體渦輪機中心框架的非流動路徑表面的一部分的透視圖。來源：US10781721B2

GE一體式渦輪機中心框架的透視圖。來源：US10781721B2

此外，將渦輪機中心框架的各個部件集成在一起有助於減少渦輪機中心框架的洩漏。降低的發動機重量和減少的洩漏可以幫助改善發動機的比燃料。

3D科學谷Review

關於DED定向能量沉積技術，3D科學谷曾在《深度剖析NASA採用多合金增材製造和複合材料實現輕質可重複使用的推力室組件》-Part1 ，Part2，Part3，Part4中深度剖析了NASA通過DED定向能量沉積3D列印技術用來製造推力室噴管的嘗試。

DED定向能量沉積3D列印技術用來製造推力室噴管的優勢在於沉積速率和可擴展性，然而這些屬性都需要進行大量改進，才能證明其被大規模應用來製造噴管通道壁的前景。目前，儘管NASA目前所使用的DED定向能量沉積3D列印技術無法L-PBF基於粉末床的選區金屬熔化3D列印技術的所實現的精度相競爭，但它已展示出構建燃燒室噴管應用所需的內冷通道的構建能力。

而如何突破加工尺寸的限制，但又可以一定程度上保證加工精度與質量，根據3D科學谷的市場觀察，由Fraunhofer ILT弗勞恩霍夫雷射研究所開發的增材製造技術採用模塊化設計，可以經濟高效的集成到企業現有的帶機器手的生產線中。通過Fraunhofer ILT，加深了對粉末材料雷射沉積和金屬絲雷射沉積工藝的科學理解，並對熔覆裝置進行了必要的改進。