此前，3D科学谷分享过UTC联合技术开发的带有点阵结构冷却方案的燃气涡轮发动机部件，本期，3D科学谷与谷友共同来深度洞悉西门子3D打印带有点阵冷却结构的燃气涡轮机部件。

在燃气涡轮发动机中，通常环境空气通过压缩机部分压缩并提供给燃烧器，燃气涡轮发动机的燃烧器将空气与燃料一起燃烧，为随后的涡轮部分提供驱动力，其中来自燃烧器的热流体将驱动涡轮的转子叶片，从而再次驱动轴的运转。

西门子燃气轮机的示意图。来源：US10781696B2

在经过燃烧器的下游部分中，温度可以高达1,500C甚至更高。尽管如此，通常用于燃气涡轮发动机的材料不能承受800C以上的温度。因此，可能需要将这些组件冷却或需要特殊的涂层来保护组件。通常可以从压缩机抽取一部分空气或流体的方式进行冷却-即从主流体通道分支出来-并引导至需要冷却的组件，然后通过不同的措施在待冷却部分进行冷却，例如冲击冷却，膜冷却，喷射冷却，蒸腾冷却或对流冷却。必须意识到，组件的寿命在很大程度上取决于该组件多大程度上不会经受超过预期温度水平的温度。

燃气涡轮发动机中最热的区域位于燃烧室中，组件所经历的温度水平可能会在发动机内的不同位置发生变化。例如，燃烧衬套壁的上游区域可经历比相同燃烧衬套的下游区域更高的温度。

开启结构一体化潜力

 结构一体化

通常，燃气涡轮发动机中待冷却的部件基本上是燃烧室，涡轮部分和过渡件，即位于燃烧室和涡轮部分之间的过渡管道的一部分。根据西门子2020年9月22日获得通过的专利US10781696B2，西门子开发了用于制造涡轮机部件的方法，该方法包括产生如先前定义为一体成形的涡轮机部件的步骤与技术。根据3D科学谷的了解，通过3D打印-增材制造技术，特别是PBF基于粉末床的选区激光熔化或电子束熔化逐层构建组件，从而减少零件的数量，以结构一体化的方式获得整个组件。

西门子三维燃烧器头剖视图。来源：US10781696B2

 点阵

通过增材制造技术，可以在组件中构建复杂的点阵晶格结构。根据3D科学谷的了解，西门子实现的高效冷却是通过点阵结构提供的，通过点阵结构还可以引导冷却空气或冷却流体，压缩机的出口温度可能达到350至550C。

西门子晶格结构由以周期方式布置的圆锥形支柱限定。来源：US10781696B2

支柱存在于点阵晶格结构中，支柱提供了足够的热传导，从与支柱相连的高温通过支柱进入了点阵晶格结构。支柱内部的热量可以通过使冷却流体流过格架结构的空隙来传递。被多个支柱穿透或刺穿的空隙以曲折的形式限定了流动路径。冷却流体通过大量的支柱，从而绕过格栅结构并提供良好的热传递，以冷却涡轮机部件的第一部分主体。

西门子燃烧器头。来源：US10781696B2

支柱是杆状的，这种形状的支柱称为塔架。支柱可以是柱状的，还可以是圆柱形的。这些构造是有益的，因为冷却流体可以沿着相应的支柱的整个圆周通过。根据3D科学谷的了解，点阵晶格结构通过3D打印增材制造技术实现，这些结构无法通过先前已知的技术（例如在实体上进行切割或钻孔）来实现。

3D科学谷Review

将点阵结构应用与冷却方案中，各大燃气轮机、航空发动机制造商纷纷发力，根据3D科学谷的了解，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。

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。

正如ACAM中国王晓燕在《3D打印助力动力装备发展报告》提到的，为了简化理解3D打印在动力零件的应用逻辑，可以把动力装备的发展要求概括为亮点：爆发力强、安全性高。而3D打印释放了设计与制造的自由度，通过优化燃料与空气的混合比，提升动力装备的动能；另一方面，通过3D打印冷却通道或者是铜金属，提升了动力装备的快速散热性能，获得更高的安全性。

而点阵结构与冷却通道的结合，可谓是充分3D打印优势的”神来之笔”！

不仅仅航空航天及燃气轮机领域，点阵结构用于提高热交换效率也在汽车行业获得了踊跃的尝试，在这方面，根据3D科学谷的市场观察，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。

不过，点阵结构并不容易驾驭，在这方面，国内安世中德开发的Lattice Simulation大大减轻了点阵设计中的挑战。详情请点击《微课 l 点阵结构设计与仿真分析》。

更多深入的分析，请参考3D科学谷发布的《3D打印与发动机白皮书2.0》

参考来源：US10781696B2

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3D打印正在助力燃料喷射器实现更为稳定高效的性能。本期，3D科学谷将与谷友分享UTC联合技术3D打印VESL血管结构应用于燃料喷射器系统的冷却方面的创新。

 更高效的冷却更稳定的发动机

燃气涡轮发动机，包括为现代商用和军用飞机提供动力的燃气涡轮发动机，其结构包括用于加压空气的压缩机部分，用于燃烧碳氢化合物燃料的燃烧器部分，以及涡轮部分。发动机通过从燃烧气体中提取能量并产生推力。

燃烧器区段通常包括多个周向分布的燃料喷射器，燃料喷射器轴向地突出到燃烧室中以供应燃料从而将让了与加压空气混合。燃气涡轮发动机通常包括多个单独控制的集中式分级阀，与一个或多个燃料供应歧管组合，燃料供应歧管将燃料输送到燃料喷射器。

燃烧器部分的示意性剖视图。来源：US10400674B2

每个燃料喷射器通常包含连接到底座处的歧管的入口配件，连接到底座配件的导管或杆，以及将燃料喷射到燃烧室中的喷嘴尖端组件。在运行过程中，通过适当的阀和/或分流器以引导和控制通过喷嘴组件的燃料流。

喷嘴组件通常包括引导喷嘴和主喷嘴。通常，主喷嘴用于正常和高功率情况，而导向喷嘴用于启动操作。喷嘴在导管中具有相对小的开口和燃料通道，由于高燃料温度，这些开口和燃料通道易于形成焦炭沉积。焦炭形成可能导致燃料开口变窄，使得燃料燃烧不均匀和维护的需求增加。此外，焦炭还可能在燃料喷射器的燃料管道中形成，并最终阻塞燃料喷射器喷嘴的尖端开口。

传统的燃料喷射器设计通常利用围绕燃料喷射器管道的隔热罩来提供绝缘的静态气隙并降低扩散器壳体内燃料的传热率。

根据3D科学谷的市场研究，UTC联合技术开发了一种新的燃气涡轮发动机的燃烧器区段的冷却燃料喷射器系统。将3D打印应用到复杂的VESL血管结构的制造。燃料喷射器系统部件内部包含了血管工程（VESL）结构，该VESL结构与第一冷却流体的源流体连通。

VESL结构178通过选区金属激光熔化（DMLS）或电子束融化技术（EDM) 增材制造工艺来制造。
来源：US10400674B2

VESL结构是中空血管结构，其中第一冷却流体在VESL结构的一个或多个节点和分支的中空通道内连通。系统还包括第二冷却流体源，第二冷却流体的温度低于靠近燃料喷射器系统的核心气流的温度。

壳体通过选区金属激光熔化（DMLS）或电子束融化技术（EDM) 增材制造工艺来制造。
来源：US10400674B2

VESL结构设置在燃料喷射器系统部件的壁之间，并且VESL结构由空隙围绕，空隙被配置成用于使第二冷却流体围绕VESL结构的节点和分支通过。

 3D科学谷Review

不仅仅是UTC通过3 D打印获得了燃料喷射器制造的创新，根据3D科学谷的市场研究，此前GE为了平衡燃烧器的整体排放性能和热效率，将燃料喷射器的一部分通过衬里向内径延伸到燃烧气体流场中。然而，这种方法将燃料喷射器暴露在热燃烧气体中，可能会影响组件的机械寿命和导致燃料焦炭积累。根据3D科学谷的市场研究，GE通过3D打印技术改进了用于将燃料喷射器延伸到燃烧气体流场中的冷却系统。

GE于2017年1月24日获批的专利包括燃料喷射器主体，包括确定主体包括冷却通道的三维建模信息，将三维建模切分成多个切片横断层，并通过电子束融化技术将各层熔化凝固起来，从而制造出燃料喷射器主体。GE获批的专利还包括用于冷却延伸到燃烧气体流场的燃料喷射器的系统。根据3D科学谷的市场研究，该系统包括通过燃烧室限定燃烧气流路径的衬里、通过衬里延伸的燃料喷射器开口和燃料喷射器。

通过激光熔融金属3D打印技术，每层的尺寸在0.0005英寸到大约0.001英寸之间。GE在该专利中所使用的是（但不限于）EOSINT™ M 270 , 以及PHENIX PM250, 或者EOSINT™ M 250 。根据3D科学谷的市场研究，GE所采用的金属粉粉末成分中含有钴铬，例如（但不限于）HS1888和INCO625。金属粉末的粒径大约在10微米到74微米之间，最好是在大约15微米和大约30微米之间。

喷油器主体采用直接激光融化（DMLS）或电子束熔化EBM技术制造。激光熔融3D打印增材制造工艺允许更复杂冷却通道模式，这样的通道几乎无法通过传统的制造方法制造。此外，增材制造减少潜在的泄漏和其他潜在的不良影响，例如通过传统方法需要有多个组件钎焊或结合在一起以形成冷却通道，这不仅仅增加了工艺的复杂性和程序，还带来了潜在的质量隐患。而3D打印可以避免钎焊的需求，减少质量隐患。

总之，不管是多管气体分配回路，还是延伸到燃烧气体流场中的冷却系统，带中空壁热屏蔽结构的燃料喷射器，亦或是VESL血管结构应用于燃料喷射器系统的冷却，3D打印都在助力燃料喷射器实现更为稳定高效的性能。

参考资料：
US10400674B2_Cooled fuel injector system for a gas turbine engine and method for operating the same_20190917

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常规换热器芯部具有均匀的内部几何结构和外部几何结构的部分原因是由于制造的复杂性使得设计方面需要妥协。然而常规制造技术制造的管道式换热器大部分并不具备根据空气动力学优化的几何结构，这可导致发动机性能弊端。

 3D打印流线型的结构

根据3D科学谷的市场研究，UTC联合技术公司开发出用于燃气涡轮发动机的管道式换热器系统的新型整流罩，其创新之处在于通过3D打印增材制造来完成异形复杂换热器结构的制造。

热疲劳通常是限制换热器寿命的主要方面，而3D打印-增材制造换热器具有低循环疲劳的特点。与基于典型波纹和钎焊组装技术需要不同材料的常规制造技术相比较，3D打印技术可以实现更加优化的材料组合，并且不需要焊接过程。根据3D科学谷的了解，UTC联合技术公司基于热传递需求设计了减少造成热疲劳的表面特征并且优化了几何结构，从而更加有效的管理热传递。

此外，在某些案例中，与等同热容量的“砖”状结构设计的换热器相比较，3D打印的波状外形的外部几何结构体积减少约15-20％。结合波状外形的增材制造结构，可以实现理想的空气动力学，而无需像以前那样需要妥协于制造的局限性。

增材制造工艺有利于制造基于热传递要求的几何结构，并且自始至终使应力水平平衡。例如，翅片密度、厚度和类型可自始至终变化，以使得应力相对于热负载平衡。为了最大化结构负载，内部几何结构还可包括例如蜂窝结构、三角形、点阵结构或其他承重类型结构。

 3D科学谷Review

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3D科学谷的市场观察，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。

其实3D打印的应用，除了让发动机提高散热效率的叶片3D打印技术，在燃气涡轮发动机部件的冷却方面，3D打印的应用越来越深入，在这方面，UTC等公司正在领跑行业应用发展。

根据3D科学谷的市场研究，UTC联合技术正在将3D打印点阵结构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。

根据3D科学谷的了解，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。根据3D科学谷的了解，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。

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围绕着发动机的3D打印，3D科学谷之前分享了美国联合技术(UTC)关于燃气涡轮发动机自冷却孔结构的3D打印情况。本期，让我们共同领略美国联合技术公司如何通过3D打印开发带中空壁热屏蔽结构的燃料喷射器。

燃气涡轮发动机通过使一定体积的高能量气体通过多级叶片来驱动涡轮机产生旋转轴功率。轴功率可用于驱动风扇或螺旋桨以产生飞机推力，这种推力可以为飞机系统提供动力，或用来驱动工业燃气轮机来进行发电。

根据3D科学谷的了解，为了产生具有足够能量来驱动涡轮机的气体，燃烧过程涉及到将燃料流注入燃烧室内的高速压缩空气流中。燃料通常被细微地雾化并涡旋以确保与压缩空气的高度混合，从而产生高的燃料燃烧率。

为了雾化燃料喷射器中的燃料，必须使空气流过喷射器内的复杂通道和孔口以与燃料夹带。一种使燃料绝热的方法是在喷射器内提供死空气空间，然而，这些空间通常由两个相邻的喷射器相互作用形成，3D科学谷了解到这需要多个部件的精确加工，部件的匹配和相邻部件的密封都极具加工挑战。此外，相邻部件之间的接头会降低绝缘空间的效率。因此，需要具有改进的绝缘特性的燃料喷射器。

从部件上来说，燃料喷射器包括隔热罩、燃料管和多个支撑构件。支撑构件径向地置于隔热罩和燃料管之间。而根据3D科学谷的市场研究，美国联合技术公司 (UTC) 通过基于粉末床的金属3D打印增材制造工艺来构建喷射器部件主体，并且从喷射器部件主体移除残余金属粉末。

图：具有中空壁热屏蔽的燃料喷射器

图：燃烧器的横截面图

图：具有轴向空气旋流器和具有中空壁热屏蔽的燃料喷射器的透视图

图：具有中空壁热屏蔽的整体燃料歧管和径向空气旋流器的燃料喷射器中心体的分解图

图：具有中空壁热屏蔽的整体式燃料歧管和径向空气旋流器的燃料喷射器中心体的透视图

图：燃料喷射器中心体的透视图

图：燃料喷射器中心体的透视图（机加工后）

通过基于粉末床的选择性金属熔融3D打印技术，美国联合技术公司可以构建喷射器的主体。将钛或镍基合金之类的粉末金属层层铺叠在粉末床上，并且基于STL文件使用激光来选择性地熔融金属粉末。根据3D科学谷的市场研究，美国联合技术公司每次添加约0.0005英寸（〜0.0127mm）至约0.001英寸（〜0.0254）厚的层。然后，有必要在部件完成制造之后去除残留在内部空隙或空间内的金属粉末。金属3D打印在制造具有内部空间的燃料喷射器部件过程中发挥了主要作用，而内部空间又通过多个孔或端口连接到部件的外部。

当然残留粉末的去除也是一门技术活，根据3D科学谷的市场研究，美国联合技术公司除振动和振动之外，还通过施加压缩或加压的空气来移除粉末材料。

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这其中，3D打印又一次成为关键技术之一。而在3D科学谷看来，3D打印在发动机领域的应用，或许才只是小荷才露尖尖角。

关于3D打印在航空航天发动机制造领域的应用，3D科学谷在《3D打印低成本可重复利用的下一代火箭发动机引爆新一轮NASA与ESA竞赛》一文中提出3D打印开启了下一代经济性的火箭发动机制造之路，而或许这将成为NASA与ESA抢滩低成本、可重复利用的下一代火箭发动机的触发因素。

我们可以很清晰的看到，不管是航天发动机，还是航空发动机，3D打印正发挥着提升发动机性能的关键作用。

3D打印可以将原本通过多个构件组合的零件进行一体化打印，这样不仅实现了零件的整体化结构，避免了原始多个零件组合时存在的连接结构（法兰、焊缝等），也可以帮助设计者突破束缚实现功能最优化设计。一体化结构的实现除了带来轻量化的优势，减少组装的需求也为发动机打开提升效益的想象空间，并成为下一代发动机研发技术的抢滩高地。

就在2017年岁末，美国联合技术(UTC)关于燃气涡轮发动机的自冷却孔结构的一项专利获批。其中3D打印在一体化结构的自冷孔结构方面可以发挥关键作用。

美国联合技术公司（UTC）航空系统部门是专业设计、制造、集成、修复和翻修燃气涡轮发动机燃油输送零件的公司。喷气发动机需要在高温度下运行，才能使燃料转化的能量最大化。燃气涡轮发动机，例如为现代商用和军用飞机提供动力的燃气涡轮发动机包括用于推进飞机的风扇部分，用于加压来自风扇部分的空气供应的压缩机部分，用于燃烧碳氢燃料的燃烧器部分，加压空气的涡轮部分以从所得到的燃烧气体中提取能量从而产生推力。

燃烧器部分通常包括壁组件，衬有隔热板的外壳，隔热板通常被称为浮板壁板。多个孔（例如稀释孔）围绕壁组件间隔开来，并稀释从冷却增压室流入燃烧室的空气，并通过降低和控制燃烧器出口处的燃烧气体的温度分布至保护涡轮机不见以免受到过热的破坏。

这些孔口通常由在隔热板和支撑壳体之间延伸的垫圈限定，在UTC关于燃气涡轮发动机的自冷却孔结构的专利中，图中的孔口结构116（燃烧器稀释孔）的设计可以相对较小，所以可以通过3D打印（增材制造技术）来实现结构的制造。 通过增材制造，结构116可以做为一个整体部分被制造出来。 单个特征的厚度或直径可以小到约0.010英寸，并且各种孔的直径一般可以小到0.012英寸。 随着增材制造工艺的持续改进，最小尺寸有望达到进一步的缩小。

关于3D打印在发动机领域的应用，3D科学谷观察到国外在专利布局上可以说是一步一个脚印，2017年1月17日GE获得批准的专利中，公开了用于制造涡轮机部件上的应变传感器的方法。紧接着GE于1月24日又获批专利，内容包括燃料喷射器主体和冷却系统的制造技术。而关于国际上的3D打印发动机专利布局，3D科学谷将做持续的市场研究与报道，敬请关注。

图片：UTC US 9851105B2专利中的自冷孔结构

正是这些积极的探索，推动了3D打印在航空航天领域的深化，并催生了令人赞叹的应用技术。延伸阅读请参考3D科学谷发布的《3D打印与航空发动机白皮书》，《3D打印与航天领域白皮书》，《3D打印与高温合金白皮书》。

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