3D打印一體化結(jié)構(gòu)是一種具有代表性的為增材制造而設(shè)計(jì)（Design for additive manufacturing，DfAM）的結(jié)構(gòu)。以增材制造的思維去設(shè)計(jì)時(shí)，需要突破以往通過(guò)鑄造、壓鑄、機(jī)械加工制造所帶來(lái)的思維限制，這個(gè)過(guò)程是充滿挑戰(zhàn)的。

隨著結(jié)構(gòu)一體化在新能源領(lǐng)域應(yīng)用的切入，能在未來(lái)5年內(nèi)跑贏市場(chǎng)的應(yīng)用點(diǎn)，將實(shí)現(xiàn)由“點(diǎn)”及“面”，從一個(gè)角落瞬間“掀起”，“跳躍”起來(lái)，塑造變化的大局，而3D打印在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化方面有著天然的成本優(yōu)勢(shì)，必將隨著能在未來(lái)5年內(nèi)跑贏市場(chǎng)的應(yīng)用點(diǎn)，將實(shí)現(xiàn)由“點(diǎn)”及“面”的應(yīng)用發(fā)展獲得一條新的上升路線。有趣的是，GE不斷的開(kāi)發(fā)3D打印實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化的優(yōu)勢(shì)，近日GE通過(guò)3D打印的一體化渦輪機(jī)罩（帶內(nèi)冷）的專利獲得通過(guò)。

挑戰(zhàn)機(jī)罩的冷卻

 薄膜冷卻和沖擊冷卻的局限

燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)通過(guò)使流體（例如，熱氣）流過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的渦輪部件來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力。進(jìn)氣與燃料混合以形成燃燒產(chǎn)物，以使多個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片旋轉(zhuǎn)，通過(guò)渦輪部件的轉(zhuǎn)子或軸產(chǎn)生動(dòng)力。

在運(yùn)行期間，渦輪機(jī)護(hù)罩可能會(huì)暴露于流經(jīng)渦輪機(jī)部件的高溫工作流體中。隨著時(shí)間的流逝，渦輪機(jī)護(hù)罩可能會(huì)發(fā)生不良的熱膨脹。渦輪機(jī)罩的熱膨脹可導(dǎo)致罩的損壞，當(dāng)渦輪機(jī)護(hù)罩損壞或不再在渦輪機(jī)部件內(nèi)形成令人滿意的密封時(shí)，工作流體可能會(huì)從流動(dòng)路徑泄漏，這繼而降低了渦輪機(jī)部件和整個(gè)渦輪機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

為了最小化熱膨脹，通常需要對(duì)渦輪機(jī)罩進(jìn)行冷卻。用于冷卻渦輪機(jī)罩的常規(guī)工藝包括薄膜冷卻和沖擊冷卻。膜冷卻涉及在渦輪機(jī)部件的工作期間使冷卻空氣流過(guò)渦輪機(jī)護(hù)罩的表面；沖擊冷卻利用穿過(guò)渦輪機(jī)護(hù)罩形成的孔或孔在工作期間向渦輪機(jī)護(hù)罩的各個(gè)部分提供冷卻空氣。

這些冷卻過(guò)程中都會(huì)在渦輪機(jī)組件運(yùn)行期間產(chǎn)生問(wèn)題。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，在膜冷卻中使用的冷卻空氣可與流過(guò)流體流動(dòng)路徑的工作流體混合，并可能在渦輪部件內(nèi)引起湍流。另外，渦輪機(jī)護(hù)罩通常具有圖案化的表面，該圖案化的表面可以在操作期間改善與轉(zhuǎn)子的密封。然而，圖案化的表面通常不利于用于冷卻護(hù)罩的膜冷卻工藝。

沖擊冷卻也具有其弊端，為了形成穿過(guò)渦輪機(jī)護(hù)罩的各個(gè)部分的沖擊孔或孔，渦輪機(jī)護(hù)罩必須由多個(gè)零件形成，然后將其安裝到渦輪機(jī)部件中。隨著組裝在一起以形成渦輪機(jī)將冷卻一體化

GE開(kāi)發(fā)了新型的用于渦輪機(jī)系統(tǒng)的一體化渦輪機(jī)護(hù)罩，多個(gè)渦輪機(jī)護(hù)罩直接聯(lián)接到渦輪機(jī)殼體并且徑向地定位在渦輪機(jī)殼體和多個(gè)渦輪機(jī)葉片之間。在兩個(gè)相對(duì)的渦輪機(jī)護(hù)罩斜面上形成有熱氣通道（HGP）密封槽；在密封部的HGP表面與HGP密封槽之間，在相對(duì)的兩個(gè)斜面的每一個(gè)上形成有多個(gè)斜面排氣孔，多個(gè)斜面排氣孔與排氣通道流體連通。

燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)的渦輪的一部分的側(cè)視圖，包括渦輪葉片，定子葉片，轉(zhuǎn)子，渦輪機(jī)殼體和渦輪機(jī)護(hù)罩。

來(lái)源：US10822986B2

渦輪機(jī)護(hù)罩的一體式主體可以在單個(gè)3D打印-增材制造過(guò)程形成，渦輪機(jī)護(hù)罩還可包括形成在其中的增壓室和冷卻通道。

渦輪機(jī)護(hù)罩的透視圖。來(lái)源：US10822986B2

渦輪機(jī)護(hù)罩的前視截面圖。來(lái)源：US10822986B2

增材制造特別適合于制造一體式主體的渦輪機(jī)護(hù)罩，增材制造無(wú)需使用任何類型的模具，就可以創(chuàng)建復(fù)雜的幾何形狀，并且?guī)缀鯖](méi)有廢料。尤其是通過(guò)增材制造實(shí)現(xiàn)的一體式主體渦輪機(jī)護(hù)罩可以包括熱氣路徑可直接聯(lián)接至渦輪機(jī)殼體的部分。

結(jié)構(gòu)一體化正在開(kāi)啟3D打印所造就的新時(shí)代！根據(jù)GE的專利US10781721B2，GE開(kāi)發(fā)了通過(guò)3D打印-增材制造的一體化渦輪機(jī)中心框架。增材制造的渦輪機(jī)中心框架包括環(huán)形外殼、環(huán)形輪轂和在外殼與輪轂之間延伸的環(huán)形整流罩。整流罩包括內(nèi)壁和外壁，并且多個(gè)韌帶從整流罩的外壁延伸到外殼，以將整流罩連接到外殼。增材制造的渦輪機(jī)中心框架還包括從輪轂延伸到外殼的多個(gè)支柱和在外殼的外表面上限定的一對(duì)凸臺(tái)。

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