UTC聯(lián)合技術3D打印VESL血管形狀結構應用于燃料噴射器系統(tǒng)的冷卻
發(fā)布時間：
2023-01-11 12:45
在燃料噴射器的開發(fā)方面，3D科學谷曾介紹過美國聯(lián)合技術公司通過3D打印開發(fā)帶中空壁熱屏蔽結構的燃料噴射器。根據3D科學谷的市場研究，金屬3D打印在制造具有內部空間的燃料噴射器部件過程中發(fā)揮了主要作用，而內部空間又通過多個孔或端口連接到部件的外部。
3D打印正在助力燃料噴射器實現更為穩(wěn)定高效的性能。本期，3D科學谷將與谷友分享UTC聯(lián)合技術3D打印VESL血管結構應用于燃料噴射器系統(tǒng)的冷卻方面的創(chuàng)新。
更高效的冷卻更穩(wěn)定的發(fā)動機
燃氣渦輪發(fā)動機，包括為現代商用和軍用飛機提供動力的燃氣渦輪發(fā)動機，其結構包括用于加壓空氣的壓縮機部分，用于燃燒碳氫化合物燃料的燃燒器部分，以及渦輪部分。發(fā)動機通過從燃燒氣體中提取能量并產生推力。
燃燒器區(qū)段通常包括多個周向分布的燃料噴射器，燃料噴射器軸向地突出到燃燒室中以供應燃料從而將讓了與加壓空氣混合。燃氣渦輪發(fā)動機通常包括多個單獨控制的集中式分級閥，與一個或多個燃料供應歧管組合，燃料供應歧管將燃料輸送到燃料噴射器。
燃燒器部分的示意性剖視圖。來源：US10400674B2
每個燃料噴射器通常包含連接到底座處的歧管的入口配件，連接到底座配件的導管或桿，以及將燃料噴射到燃燒室中的噴嘴尖端組件。在運行過程中，通過適當的閥和/或分流器以引導和控制通過噴嘴組件的燃料流。
噴嘴組件通常包括引導噴嘴和主噴嘴。通常，主噴嘴用于正常和高功率情況，而導向噴嘴用于啟動操作。噴嘴在導管中具有相對小的開口和燃料通道，由于高燃料溫度，這些開口和燃料通道易于形成焦炭沉積。焦炭形成可能導致燃料開口變窄，使得燃料燃燒不均勻和維護的需求增加。此外，焦炭還可能在燃料噴射器的燃料管道中形成，并最終阻塞燃料噴射器噴嘴的尖端開口。
傳統(tǒng)的燃料噴射器設計通常利用圍繞燃料噴射器管道的隔熱罩來提供絕緣的靜態(tài)氣隙并降低擴散器殼體內燃料的傳熱率。
根據3D科學谷的市場研究，UTC聯(lián)合技術開發(fā)了一種新的燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒器區(qū)段的冷卻燃料噴射器系統(tǒng)。將3D打印應用到復雜的VESL血管結構的制造。燃料噴射器系統(tǒng)部件內部包含了血管工程(VESL)結構，該VESL結構與第一冷卻流體的源流體連通。
VESL結構178通過選區(qū)金屬激光熔化(DMLS)或電子束融化技術(EDM) 增材制造工藝來制造。來源：US10400674B2
VESL結構是中空血管結構，其中第一冷卻流體在VESL結構的一個或多個節(jié)點和分支的中空通道內連通。系統(tǒng)還包括第二冷卻流體源，第二冷卻流體的溫度低于靠近燃料噴射器系統(tǒng)的核心氣流的溫度。
殼體通過選區(qū)金屬激光熔化(DMLS)或電子束融化技術(EDM) 增材制造工藝來制造。來源：US10400674B2
VESL結構設置在燃料噴射器系統(tǒng)部件的壁之間，并且VESL結構由空隙圍繞，空隙被配置成用于使第二冷卻流體圍繞VESL結構的節(jié)點和分支通過。
3D科學谷Review
不僅僅是UTC通過3D打印獲得了燃料噴射器制造的創(chuàng)新，根據3D科學谷的市場研究，此前GE為了平衡燃燒器的整體排放性能和熱效率，將燃料噴射器的一部分通過襯里向內徑延伸到燃燒氣體流場中。然而，這種方法將燃料噴射器暴露在熱燃燒氣體中，可能會影響組件的機械壽命和導致燃料焦炭積累。根據3D科學谷的市場研究，GE通過3D打印技術改進了用于將燃料噴射器延伸到燃燒氣體流場中的冷卻系統(tǒng)。
GE于2017年1月24日獲批的專利包括燃料噴射器主體，包括確定主體包括冷卻通道的三維建模信息，將三維建模切分成多個切片橫斷層，并通過電子束融化技術將各層熔化凝固起來，從而制造出燃料噴射器主體。GE獲批的專利還包括用于冷卻延伸到燃燒氣體流場的燃料噴射器的系統(tǒng)。根據3D科學谷的市場研究，該系統(tǒng)包括通過燃燒室限定燃燒氣流路徑的襯里、通過襯里延伸的燃料噴射器開口和燃料噴射器。
通過激光熔融金屬3D打印技術，每層的尺寸在0.0005英寸到大約0.001英寸之間。GE在該專利中所使用的是(但不限于)EOSINT? M 270 , 以及PHENIX PM250, 或者EOSINT? M 250 。根據3D科學谷的市場研究，GE所采用的金屬粉粉末成分中含有鈷鉻，例如(但不限于)HS1888和INCO625。金屬粉末的粒徑大約在10微米到74微米之間，最好是在大約15微米和大約30微米之間。
噴油器主體采用直接激光融化(DMLS)或電子束熔化EBM技術制造。激光熔融3D打印增材制造工藝允許更復雜冷卻通道模式，這樣的通道幾乎無法通過傳統(tǒng)的制造方法制造。此外，增材制造減少潛在的泄漏和其他潛在的不良影響，例如通過傳統(tǒng)方法需要有多個組件釬焊或結合在一起以形成冷卻通道，這不僅僅增加了工藝的復雜性和程序，還帶來了潛在的質量隱患。而3D打印可以避免釬焊的需求，減少質量隱患。
總之，不管是多管氣體分配回路，還是延伸到燃燒氣體流場中的冷卻系統(tǒng)，帶中空壁熱屏蔽結構的燃料噴射器，亦或是VESL血管結構應用于燃料噴射器系統(tǒng)的冷卻，3D打印都在助力燃料噴射器實現更為穩(wěn)定高效的性能。
參考資料：US10400674B2_Cooled fuel injector system for a gas turbine engine and method for operating the same_20190917(來源：3D科學谷)
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