谷研究 l UTC联合技术3D打印VESL血管形状结构应用于燃料喷射器系统的冷却

| 3DScienceValley · 2019/09/19

在燃料喷射器的开发方面，3D科学谷曾介绍过美国联合技术公司通过3D打印开发带中空壁热屏蔽结构的燃料喷射器。根据3D科学谷的市场研究，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。

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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