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3D打印可以實現(xiàn)更復(fù)雜更集成的設(shè)計，這使得葉片的冷卻通道設(shè)計可以以功能實現(xiàn)為主。

 更隨形，更復(fù)雜

燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)包括壓縮機(jī)、燃燒器和渦輪機(jī)，在壓縮機(jī)中壓縮的空氣與燃料混合并在燃燒器中點燃，然后通過渦輪機(jī)膨脹以產(chǎn)生動力。渦輪機(jī)內(nèi)的部件，特別是周向排列的轉(zhuǎn)子和定子葉片，為了承受重復(fù)的熱循環(huán)以及該環(huán)境的極端溫度和機(jī)械應(yīng)力，翼型必須具有堅固的結(jié)構(gòu)并且被主動冷卻。

渦輪轉(zhuǎn)子和定子葉片通常包含形成冷卻系統(tǒng)的內(nèi)部通道或回路，冷卻劑（通常是從壓縮機(jī)排出的空氣）通過該冷卻系統(tǒng)循環(huán)。這種冷卻回路通常由內(nèi)部肋形成，所述內(nèi)部肋為翼型提供所需的結(jié)構(gòu)支撐，并且包括多個流動路徑以將翼型保持在可接受的溫度范圍內(nèi)。通過這些冷卻回路的空氣通常通過翼型的前緣、后緣、吸力側(cè)和壓力側(cè)上的薄膜冷卻孔排出。

燃?xì)廨啓C(jī)的效率隨著點火溫度的升高而增加，因此，對技術(shù)進(jìn)步的需求不斷增長，為了使渦輪葉片能夠承受更高的溫度。這些技術(shù)進(jìn)步有時包括使用能夠承受更高溫度的新材料，也經(jīng)常涉及改善翼型的內(nèi)部構(gòu)造以增強(qiáng)葉片結(jié)構(gòu)和冷卻能力。

眾所周知，通過在四壁布置中形成的近壁流動通道可以實現(xiàn)高冷卻效率。然而，近壁流動通道的挑戰(zhàn)在于外壁經(jīng)歷比內(nèi)壁顯著更大的熱膨脹水平。這種不平衡的增長導(dǎo)致在內(nèi)肋連接的點處產(chǎn)生應(yīng)力，這可能導(dǎo)致低的循環(huán)疲勞，這可能縮短葉片的壽命。

GE公司通過3D打印技術(shù)正在開發(fā)一種渦輪轉(zhuǎn)子葉片，葉片的特殊設(shè)計包括由凹壓側(cè)外壁和凸吸入側(cè)外壁限定的翼型，翼型沿前緣和后緣連接，并且在它們之間形成徑向延伸的腔室，用于接收冷卻劑的流動。

 小突起，大作用

這種新型渦輪轉(zhuǎn)子葉片的設(shè)計目的是提供有效的近壁冷卻，應(yīng)當(dāng)理解，近壁冷卻是有利的，因為冷卻空氣緊鄰翼型的熱外表面，并且由于通過限制通過窄通道的流動而實現(xiàn)的高流速，所產(chǎn)生的傳熱系數(shù)很高。 然而，由于翼型內(nèi)經(jīng)歷的不同水平的熱膨脹，這最終可能縮短轉(zhuǎn)子葉片的壽命。為了避免差熱膨脹導(dǎo)致低周疲勞問題縮短了部件壽命。

GE公司過去已經(jīng)評估了許多不同的內(nèi)部翼型件冷卻系統(tǒng)和肋結(jié)構(gòu)，并且已經(jīng)嘗試糾正該問題。一種方法提出過冷外壁26,27（如圖），以便減小溫差，從而減小熱生長差。然而，應(yīng)該理解的是，通常實現(xiàn)這種方式的方法是增加通過翼型件循環(huán)的冷卻劑的量。因為冷卻劑通常從壓縮機(jī)排出空氣，所以其增加的使用對發(fā)動機(jī)的效率具有負(fù)面影響，因此是優(yōu)選避免的解決方案。其他解決方案還包括使用改進(jìn)的制造方法/或使用相同量的冷卻劑的更復(fù)雜的內(nèi)部冷卻配置，雖然這些解決方案已經(jīng)證明有些有效，但每個解決方案都會給發(fā)動機(jī)的運行或零件的制造帶來額外的成本，并且無法直接解決根本問題。

另一種方法采用某些彎曲或起泡或正弦或波浪形的內(nèi)部肋（“波狀肋”），這減輕了經(jīng)常在渦輪葉片的翼型中發(fā)生的不平衡的熱應(yīng)力。這些結(jié)構(gòu)降低了翼型25的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的剛度，從而提供了目標(biāo)柔性，通過該柔性，應(yīng)力集中被分散并且應(yīng)變卸載到能夠更好地承受它的其他結(jié)構(gòu)區(qū)域。以這種方式，可以避免壽命縮短的應(yīng)力集中和應(yīng)變。然而，在某些通道40之間仍然會產(chǎn)生高應(yīng)力區(qū)域。葉片內(nèi)部通道40的其余部分通常是低冷卻效率區(qū)域。這些低冷卻效率區(qū)域通過“近壁冷卻”通道與高熱負(fù)荷區(qū)域隔離，或者面向葉片上的非常低的熱負(fù)荷面。

通過設(shè)計的球狀突起，可以具有由多于一個曲率半徑R1，R2限定的橫截面，球形突起可以保護(hù)外部至內(nèi)部和內(nèi)部至外部轉(zhuǎn)向開口，從而降低轉(zhuǎn)彎附近的應(yīng)力集中的沖擊，這允許更復(fù)雜的多壁肋構(gòu)造。球狀突起通過對轉(zhuǎn)彎開口進(jìn)行輪廓加工來保護(hù)轉(zhuǎn)彎免受這些高應(yīng)力的影響，從而解決沿內(nèi)通道面存在的高彎度線肋應(yīng)力。

 Review

3D打印技術(shù)可以說開辟了渦輪發(fā)動機(jī)制造商提升葉片冷卻效果的一條新的賽道。更重要的是3D打印技術(shù)使得改良過內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)的葉片能夠以傳統(tǒng)加工方式難以實現(xiàn)的工藝制造出來。

此前，西門子通過3D打印不僅僅簡化了葉片的生產(chǎn)方式，還提升了葉片的性能。

而不僅僅是葉片的冷卻，UTC聯(lián)合技術(shù)將3D打印技術(shù)應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)部件的冷卻方案，包括在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)部件的壁內(nèi)部的點陣結(jié)構(gòu)。通過點陣結(jié)構(gòu)為燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)部件提供有效的局部對流冷卻，使得部件可以經(jīng)受通過核心流動路徑的熱燃燒氣體的高溫。

選區(qū)激光熔融增材制造工藝允許實現(xiàn)更復(fù)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。根據(jù)GE的一項專利US009551490，其開發(fā)的噴油器主體采用直接激光融化（DMLS）或電子束熔化EBM技術(shù)制造。更加集成的設(shè)計減少了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(jié)合在一起以形成冷卻通道，這不僅僅增加了工藝的復(fù)雜性和程序，還帶來了潛在的質(zhì)量隱患。