燃氣渦輪發(fā)動機，諸如那些為現代商用和軍用飛機提供動力的燃氣渦輪發(fā)動機通常包括管道式換熱器系統(tǒng)，管道式換熱器系統(tǒng)具有換熱器和相關聯的設備以與氣流交換發(fā)動機熱量。燃氣渦輪發(fā)動機架構通常規(guī)定管道式換熱器放置在包封發(fā)動機的機艙內。

常規(guī)換熱器芯部具有均勻的內部幾何結構和外部幾何結構的部分原因是由于制造的復雜性使得設計方面需要妥協。然而常規(guī)制造技術制造的管道式換熱器大部分并不具備根據空氣動力學優(yōu)化的幾何結構，這可導致發(fā)動機性能弊端。


3D打印流線型的結構
UTC聯合技術公司開發(fā)出用于燃氣渦輪發(fā)動機的管道式換熱器系統(tǒng)的新型整流罩，其創(chuàng)新之處在于通過3D打印增材制造來完成異形復雜換熱器結構的制造。

熱疲勞通常是限制換熱器壽命的主要方面，而3D打印-增材制造換熱器具有低循環(huán)疲勞的特點。與基于典型波紋和釬焊組裝技術需要不同材料的常規(guī)制造技術相比較，3D打印技術可以實現更加優(yōu)化的材料組合，并且不需要焊接過程。UTC聯合技術公司基于熱傳遞需求設計了減少造成熱疲勞的表面特征并且優(yōu)化了幾何結構，從而更加有效的管理熱傳遞。


此外，在某些案例中，與等同熱容量的“磚”狀結構設計的換熱器相比較，3D打印的波狀外形的外部幾何結構體積減少約15-20%。結合波狀外形的增材制造結構，可以實現理想的空氣動力學，而無需像以前那樣需要妥協于制造的局限性。


增材制造工藝有利于制造基于熱傳遞要求的幾何結構，并且自始至終使應力水平平衡。例如，翅片密度、厚度和類型可自始至終變化，以使得應力相對于熱負載平衡。為了最大化結構負載，內部幾何結構還可包括例如蜂窩結構、三角形、點陣結構或其他承重類型結構。


談到發(fā)動機部件的冷卻技術，我們通常想到的是冷卻通道的方式。根據3D科學谷的市場觀察，增材制造技術可以用來實現帶冷卻通道的發(fā)動機葉片從而使得這些葉片可以在極高的溫度下運行，而沒有這些冷卻通道的情況下，這些葉片會在極高的高溫下發(fā)生變形。而3D打印可以使得冷卻通道的形狀極為復雜，從而提高冷卻效率，使得發(fā)動機可以在更高的溫度下運行，從而使得飛機的運行效率更高，更經濟。

其實3D打印的應用，除了讓發(fā)動機提高散熱效率的葉片3D打印技術，在燃氣渦輪發(fā)動機部件的冷卻方面，3D打印的應用越來越深入，在這方面，UTC等公司正在領跑行業(yè)應用發(fā)展。

UTC聯合技術正在將3D打印點陣結構應用于燃氣渦輪發(fā)動機部件的冷卻方案，包括在燃氣渦輪發(fā)動機部件的壁內部的點陣結構。通過點陣結構為燃氣渦輪發(fā)動機部件提供有效的局部對流冷卻，使得部件可以經受通過核心流動路徑的熱燃燒氣體的高溫。

UTC聯合技術所設計的點陣結構可以適應于任何給定的燃氣渦輪發(fā)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(圖中編號80)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。根據3D科學谷的了解，UTC聯合技術還通過鑄造工藝來生產點陣結構，這種增材制造工藝可用于生產難熔金屬芯(RMC)，包括但不限于鉬c。