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助力波音777X首飛成功的GE9X發(fā)動機(jī)有何“過人之處”,?先從3D打印說起

航空航天能源
2020
03/26
10:54
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來源:GE 中國

2020年1月25日(美國時(shí)間),,搭載了兩臺GE9X發(fā)動機(jī)的波音777X飛機(jī)在華盛頓州埃弗雷特的佩恩機(jī)場起飛,,順利完成其首飛!相信很多人都已知曉這一令人期盼已久的消息,。從2013年起,,GE航空集團(tuán)就開始了GE9X的設(shè)計(jì)與測試工作。為籌備這次首飛,,GE航空集團(tuán)已經(jīng)在其加州維克多維爾市的波音747空中試車臺上對GE9X進(jìn)行了72次飛行測試,,共計(jì)超過400飛行小時(shí)。截至到目前,,GE9X已經(jīng)完成了超過4,100小時(shí)的地面與空中測試以及6,500次發(fā)動機(jī)循環(huán),。
波音777X在空中的靚影。圖片來源:波音

雖然GE9X還未正式投入商用,,但已獲得了諸多肯定,。GE9X在去年獲得了吉尼斯世界上推力最大發(fā)動機(jī)的紀(jì)錄;是GE航空史上燃油效率最高的噴氣發(fā)動機(jī),,燃油消耗低于競品10%,;擁有直徑134英寸的最大尺寸前風(fēng)扇,、復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣和16片第四代碳纖維復(fù)合材料風(fēng)扇葉片……除了這些硬核優(yōu)勢,還有一個(gè)史無前例的創(chuàng)新性舉措——使用3D打印零部件,,本期我們就來從GE9X發(fā)動機(jī)的3D打印零部件說起,。

Stefka Petkova大學(xué)畢業(yè)就加入了GE,現(xiàn)在作為GE航空集團(tuán)的一員,,她和她的團(tuán)隊(duì)正在為GE9X設(shè)計(jì)開發(fā)并準(zhǔn)備投產(chǎn)3D打印的部件,。

2014年,Petkova就職于位于俄亥俄州辛辛那提市GE航空集團(tuán)的總部,。當(dāng)時(shí)GE航空開發(fā)了首批3D打印零部件,,包括用于CFM LEAP噴氣發(fā)動機(jī)的燃油噴嘴和用于GE90的傳感器外殼,Petkova對這項(xiàng)技術(shù)深感著迷�,,F(xiàn)在,,Petkova在俄亥俄州西切斯特GE航空的增材制造科技中心(ATC)工作,這里距離GE航空的總部只有很短的車程,。

ATC聘請了來自GE航空,、GE增材制造的數(shù)百名工程師、設(shè)計(jì)師和工人,,它也許是全球最大,、最先進(jìn)的3D打印機(jī)構(gòu)。GE航空負(fù)責(zé)增材制造的總經(jīng)理Eric Gatlin說:“在ATC,,我們進(jìn)行的許多工作都是初次探索,,這在一定程度上也激發(fā)了我們的熱情和動力,形成了一股特有的文化氛圍”,。
空中試車臺上的GE9X發(fā)動機(jī)
毫不夸張,,在這里工作的很多工程師,包括剛畢業(yè)不久的年輕人都沒有在學(xué)校里學(xué)習(xí)過增材制造,。這項(xiàng)技術(shù)才剛剛起步,,但這并沒有影響工程師們迅速掌握這一技術(shù),同時(shí)幫助GE的其他部門迎頭趕上,。

在ATC,,工程師們可以設(shè)計(jì)出形狀最理想的零件,然后直接通過計(jì)算機(jī)文件打印出來,。增材制造通過激光或電子束將薄層金屬粉末熔融在一起,,從而打印出最終產(chǎn)品。它可以讓工程師們制造出從前成本過于昂貴或無法用傳統(tǒng)方法制造的形狀,,比如沖壓或鑄造制造工藝,。ATC的現(xiàn)場負(fù)責(zé)人Antroine Townes說:“增材制造的獨(dú)特之處和價(jià)值在于設(shè)計(jì)的靈活性和創(chuàng)新的速度。過去,,設(shè)計(jì)師們受困于既有的制造方法�,,F(xiàn)在你可以不考慮這些限制,,設(shè)計(jì)最適合發(fā)動機(jī)的零件,而不是最容易制造的東西,�,!�

Petkova和他們的同事們積極協(xié)助3D打印零部件批量生產(chǎn)的準(zhǔn)備工作,他們確定制造流程,,并將制造工作轉(zhuǎn)移到GE航空位于阿拉巴馬州奧本市的增材制造工廠,。另外,他們也和GE9X的設(shè)計(jì)人員緊密合作,,以幫助他們在發(fā)動機(jī)持續(xù)產(chǎn)生測試結(jié)果的情況下,,快速且低成本地改進(jìn)計(jì)劃。

GE9X將300多個(gè)發(fā)動機(jī)部件組合成7個(gè)3D打印的部件,,其中包括能精確地讓燃料和空氣的混合物進(jìn)入燃燒室的燃油噴嘴,、低壓渦輪葉片和熱交換器。另一個(gè)是導(dǎo)流器,,它能讓發(fā)動機(jī)排出吸入的灰塵,、沙子和其他碎片,延長發(fā)動機(jī)的使用壽命,。這樣創(chuàng)新的設(shè)計(jì)很難被制造出來,,甚至于之前GE也從未在商用噴氣發(fā)動機(jī)中使用過。

“除了3D打印,,這樣的導(dǎo)流器無法通過其他任何方式制造,,”GE航空的高級制造工程師Zach Studt說。如此一來,,增材制造就為發(fā)動機(jī)在更大程度上創(chuàng)造了更好的性能表現(xiàn),,通過不同的制造過程交付更好的產(chǎn)品。未來,,也許大部分的發(fā)動機(jī)都會裝配同款導(dǎo)流器。

但增材制造的作用不止于此,。它不僅精確,,而且考慮到所制造零件的復(fù)雜性,它的生產(chǎn)速度還足夠快,。就拿燃燒室旋流器來說,,它的工作原理就像汽車的化油器,讓發(fā)動機(jī)在噴嘴中獲得準(zhǔn)確的燃油空氣比,。過去,,GE通過在模具中澆注熔融金屬來制造這些旋流器,這個(gè)過程被稱為鑄造,。但是,,制作模具的過程和工具不僅慢,,且造價(jià)高,相對缺乏靈活性的工序讓設(shè)計(jì)師難以做出改進(jìn),。3D打印在此時(shí)再次發(fā)揮了作用,。Studt說:“相比于許多傳統(tǒng)制造方式,3D打印能讓我們更快融入新的設(shè)計(jì)流程中,,而且我們不必在設(shè)計(jì)上做出妥協(xié),。”

這點(diǎn)非常重要,。因?yàn)榘l(fā)動機(jī)的開發(fā)和測試工作是按照與飛機(jī)制造商商定的時(shí)間表來嚴(yán)格進(jìn)行的,。對于GE9X而言,飛機(jī)制造商便是波音公司,。增材制造的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在,,當(dāng)來自第一臺測試發(fā)動機(jī)的測試結(jié)果出現(xiàn)時(shí),團(tuán)隊(duì)能夠及時(shí)分析,、深入了解,,并在第二臺測試發(fā)動機(jī)上進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)改動。Petkova說,,“我們有許多不同的構(gòu)型,,我們學(xué)到最多的是如果使用3D打印之外的其他方式,我們是無法趕上進(jìn)度要求的,�,!�

包括七個(gè)3D打印部件。圖片來源:Alex Schroff

在ATC,,團(tuán)隊(duì)用Concept Laser提供的機(jī)器打印了GE9X的零件,,例如漩流器和導(dǎo)流器。Concept Laser是一家德國公司,,于2016年被GE收購至增材制造部門旗下,。低壓渦輪葉片是由Arcam打印設(shè)備制造完成的,該公司也在2016年歸入GE旗下,。此外,,Arcam還生產(chǎn)用于3D打印的金屬粉末。Studt說,,“我們利用GE航空和GE增材制造同處一棟大樓的優(yōu)勢互幫互助,,讓GE增材制造生產(chǎn)出業(yè)內(nèi)一流的機(jī)器,還幫助GE航空集團(tuán)制造出最好的發(fā)動機(jī)零件,�,!�

GE9X的各項(xiàng)取證測試即將全部完成,預(yù)計(jì)在今年晚些時(shí)候?qū)@得適航認(rèn)證,。目前,,GE航空集團(tuán)生產(chǎn)了8臺GE9X發(fā)動機(jī)及兩臺備發(fā)以支持波音的測試項(xiàng)目,。前3架飛機(jī)的發(fā)動機(jī)已順利交付,剩余發(fā)動機(jī)將會在接下來的幾周內(nèi)交付至西雅圖,。

除了GE9X發(fā)動機(jī),,ATC的團(tuán)隊(duì)正在和開發(fā)Catalyst的工程師們密切合作,這將是30年來首個(gè)從零開始設(shè)計(jì)的新型渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī),,他們采用3D打印技術(shù)將數(shù)百個(gè)發(fā)動機(jī)零件組合成十幾個(gè)左右的大部件,。



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