洞悉西門子3D列印帶有點陣冷卻結構的燃氣渦輪機部件
2020-10-09 3D科學谷對於航空或燃氣渦輪發動機中需要高溫條件下運行的零件來說，很多零件需要帶冷卻通道。在這方面，根據3D科學谷的市場觀察，除了冷卻通道，點陣結構在散熱方面也獲得了不斷深入的研究與應用。
此前，3D科學谷分享過UTC聯合技術開發的帶有點陣結構冷卻方案的燃氣渦輪發動機部件，本期，3D科學谷與谷友共同來深度洞悉西門子3D列印帶有點陣冷卻結構的燃氣渦輪機部件。
在燃氣渦輪發動機中，通常環境空氣通過壓縮機部分壓縮並提供給燃燒器，燃氣渦輪發動機的燃燒器將空氣與燃料一起燃燒，為隨後的渦輪部分提供驅動力，其中來自燃燒器的熱流體將驅動渦輪的轉子葉片，從而再次驅動軸的運轉。
西門子燃氣輪機的示意圖。來源：US10781696B2
在經過燃燒器的下遊部分中，溫度可以高達1,500C甚至更高。儘管如此，通常用於燃氣渦輪發動機的材料不能承受800C以上的溫度。因此，可能需要將這些組件冷卻或需要特殊的塗層來保護組件。通常可以從壓縮機抽取一部分空氣或流體的方式進行冷卻-即從主流體通道分支出來-並引導至需要冷卻的組件，然後通過不同的措施在待冷卻部分進行冷卻，例如衝擊冷卻，膜冷卻，噴射冷卻，蒸騰冷卻或對流冷卻。必須意識到，組件的壽命在很大程度上取決於該組件多大程度上不會經受超過預期溫度水平的溫度。
燃氣渦輪發動機中最熱的區域位於燃燒室中，組件所經歷的溫度水平可能會在發動機內的不同位置發生變化。例如，燃燒襯套壁的上遊區域可經歷比相同燃燒襯套的下遊區域更高的溫度。
開啟結構一體化潛力
結構一體化
通常，燃氣渦輪發動機中待冷卻的部件基本上是燃燒室，渦輪部分和過渡件，即位於燃燒室和渦輪部分之間的過渡管道的一部分。根據西門子2020年9月22日獲得通過的專利US10781696B2，西門子開發了用於製造渦輪機部件的方法，該方法包括產生如先前定義為一體成形的渦輪機部件的步驟與技術。根據3D科學谷的了解，通過3D列印-增材製造技術，特別是PBF基於粉末床的選區雷射熔化或電子束熔化逐層構建組件，從而減少零件的數量，以結構一體化的方式獲得整個組件。
西門子三維燃燒器頭剖視圖。來源：US10781696B2
點陣
通過增材製造技術，可以在組件中構建複雜的點陣晶格結構。根據3D科學谷的了解，西門子實現的高效冷卻是通過點陣結構提供的，通過點陣結構還可以引導冷卻空氣或冷卻流體，壓縮機的出口溫度可能達到350至550C。
西門子晶格結構由以周期方式布置的圓錐形支柱限定。來源：US10781696B2
支柱存在於點陣晶格結構中，支柱提供了足夠的熱傳導，從與支柱相連的高溫通過支柱進入了點陣晶格結構。支柱內部的熱量可以通過使冷卻流體流過格架結構的空隙來傳遞。被多個支柱穿透或刺穿的空隙以曲折的形式限定了流動路徑。冷卻流體通過大量的支柱，從而繞過格柵結構並提供良好的熱傳遞，以冷卻渦輪機部件的第一部分主體。
西門子燃燒器頭。來源：US10781696B2
支柱是杆狀的，這種形狀的支柱稱為塔架。支柱可以是柱狀的，還可以是圓柱形的。這些構造是有益的，因為冷卻流體可以沿著相應的支柱的整個圓周通過。根據3D科學谷的了解，點陣晶格結構通過3D列印增材製造技術實現，這些結構無法通過先前已知的技術（例如在實體上進行切割或鑽孔）來實現。
3D科學谷Review
將點陣結構應用與冷卻方案中，各大燃氣輪機、航空發動機製造商紛紛發力，根據3D科學谷的了解，UTC聯合技術所設計的點陣結構可以適應於任何給定的燃氣渦輪發動機部件或部件的某個部分的特定冷卻需求。換句話說，通過改變點陣結構的設計和密度，可以調整以匹配外部熱負荷和局部壽命要求。
不過對於任何給定的點陣結構來說，實際設計可取決於部件的幾何形狀。還需要考慮各種要求，包括壓力損失、局部冷卻流量、冷卻空氣熱量吸收、熱效率、總體冷卻效率、空氣動力學混合和可生產性考慮，並且還需要考慮燃氣渦輪發動機的特定參數。
正如ACAM中國王曉燕在《3D列印助力動力裝備發展報告》提到的，為了簡化理解3D列印在動力零件的應用邏輯，可以把動力裝備的發展要求概括為亮點：爆發力強、安全性高。而3D列印釋放了設計與製造的自由度，通過優化燃料與空氣的混合比，提升動力裝備的動能；另一方面，通過3D列印冷卻通道或者是銅金屬，提升了動力裝備的快速散熱性能，獲得更高的安全性。
而點陣結構與冷卻通道的結合，可謂是充分3D列印優勢的」神來之筆」！
不僅僅航空航天及燃氣輪機領域，點陣結構用於提高熱交換效率也在汽車行業獲得了踴躍的嘗試，在這方面，根據3D科學谷的市場觀察，不少公司進行了通過點陣結構進行散熱的商業化努力，其中包括HiETA Technologies與Delta Motorsport合作設計和製造、用於微型燃氣渦輪系統的並流換熱器，以及Conflux所製造的下一代高效能熱交換器。而此前，菲亞特克萊斯勒(FCA汽車集團）還與McMaster大學建立了一項合作，目標是設計一種新的鋁製汽車散熱器，使得通過3D列印技術實現的汽車散熱器可以比FCA集團生產的汽車中使用的汽車散熱器更輕，並且還可以保證其性能。
不過，點陣結構並不容易駕馭，在這方面，國內安世中德開發的Lattice Simulation大大減輕了點陣設計中的挑戰。詳情請點擊《微課 l 點陣結構設計與仿真分析》。
更多深入的分析，請參考3D科學谷發布的《3D列印與發動機白皮書2.0》
參考來源：US10781696B2
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