罗罗开发3D打印的燃气轮机带空气冷却孔的板状结构部件
通过3D打印工艺，可以形成特定的表面光洁度和通道尺寸以改善通过通道的流体流动，改善通道内的热传递等。可以通过增加激光扫描速度或粉末层的厚度来实现更粗糙的光洁度，并且可以通过降低激光扫描速度或粉末层的厚度来实现更光滑的光洁度。还可以改变扫描路径或激光功率来改变特定区域的表面光洁度。
这打开了燃气轮机需要冷却的部位的设计新思路，近日，根据罗罗获得通过的专利《plate-shaped structural component of a gas turbine》，罗罗通过3D打印燃气轮机板状结构部件，通过将冷却空气孔布局在结构部件上，获得了优化的燃气轮机部件冷却效果。
罗罗专利《plate-shaped structural component of a gas turbine》来源：US10753612B2
据罗罗的发明专利，重新优化了在侧杆和基体之间布置有整体连接的支撑体，该支撑体具有三角形的横截面并且带有多个狭缝状的凹槽。通过增材制造，基体的壁厚逐渐增加，因此避免了可能导致残余应力和裂纹形成。
成就变化各一的结构体
增材生“变”
在每个狭缝状的凹部内分别布置有穿透基体的冷却空气孔，各个缝状的凹口可以以合适的方式几何地设计。凹部的宽度以及支撑体在凹部之间的区域的相应的剩余宽度也可以根据结构部件的几何形状来调节，就像冷却空气孔的尺寸和几何形状一样。也可以在凹槽中提供多个冷却空气孔。3D打印-增材制造带来了极大的几何外观实现的灵活性。
由于3D打印-增材制造方法额外提供的制造灵活性，可以沿其长度方向不同地设计冷却孔，例如改变其横截面的可能性。这样设计的优势是，可以在与侧杆相对布置的板状结构部件的基体的背面引导足够的冷却空气量。由于在其纵向延伸方向上可变地设计冷却孔的选择，还可以实现弧形或螺旋形或盘绕形的冷却空气孔，这带来更有效的冷却。
来源：US10753612B2
还可以设置从狭缝形的凹槽开始延伸穿过侧杆的冷却空气孔，其通过侧杆将冷却空气引导出凹部。附加的冷却空气孔的最小横截面存在于侧杆的入口处或邻近于侧杆的入口。因此，通过在板形结构部件的侧杆中形成的附加冷却空气孔，或通过侧杆的附加冷却空气孔和穿过基体的冷却空气孔的组合，可以仅通过狭缝状的凹部或通过形成在板状结构部件的基体中的冷却空气孔来实现板状结构部件的侧杆区域内的冷却。罗罗的专利中凹部构造成与冷却空气孔的中心平面对称，这使得在凹部的区域和支撑体的相邻区域中的应力分布均匀。此外，优化了向冷却空气孔中的冷却空气的供应。
Review
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。
罗罗的专利《plate-shaped structural component of a gas turbine》，通过在结构件上设置各种形状不一的空气孔，实现了冷却效果的优化，正是发挥了通过3D打印提升动力装备安全性、稳定性的优势。而随着增材制造技术的应用走向深化，我们看到冷却功能随处“集成”到各种零件上，不仅仅是罗罗专利中提到的结构件。包括一些功能部件，例如GE开发的集成热交换器的一体化齿轮箱壳体，这改变了以往燃气涡轮发动机的热交换器远离附件齿轮箱需要通过单独的流体循环管道将油供应到热交换器的状况。以往每个管道都需要额外的组件存储，并且带来了额外的组装和成本。此外，泄漏的可能性增加了，并且当流体被传递到位于远处的热交换器时，流体可能会损失大量的热能。
通过3D打印，不仅可以将齿轮箱和热交换器以整体结构制造出来，而且还可以实现非常薄的壁厚，GE开发的集成热交换器的一体化齿轮箱壳体中，至少一个热交换壁具有小于4毫米的厚度。更多的时候，当前限制3D打印发展的最主要因素是人们的想象力。而通过随处可集成的冷却，3D打印无疑打开了人们改变当前产品设计的有一扇大门。
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