3D打印噴氣發(fā)動(dòng)機(jī),、微型燃?xì)廨啓C(jī)革命以及能源的未來

南極熊獲悉,，以色列理工學(xué)院Beni Cukurel 副教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)利用增材制造 (AM)設(shè)計(jì)了微型燃?xì)廨啓C(jī),，向發(fā)電和推進(jìn)的未來邁出了一大步。這一革命性的發(fā)展極大地挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的制造方式,。


△增材制造預(yù)組裝微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)

Cukurel 的團(tuán)隊(duì)和渦輪機(jī)械與傳熱實(shí)驗(yàn)室挖掘了增材制造的潛力,。 該團(tuán)隊(duì)并沒有簡(jiǎn)單地將增材制造作為替代工具，而是將其視為核心資源,，創(chuàng)建先驗(yàn)設(shè)計(jì)以滿足約束條件并利用增材制造的優(yōu)勢(shì),。他們研究的核心是微型燃?xì)廨啓C(jī)，專為高比例發(fā)電而設(shè)計(jì),。Cukurel 將微型燃?xì)廨啓C(jī)定義為能夠產(chǎn)生 300 千瓦以下電力和 2 千牛頓以下推力的系統(tǒng),。采用增材制造方法，該團(tuán)隊(duì)開始了他們的第一個(gè)項(xiàng)目,，制造了一個(gè)5厘米大小的微型燃?xì)廨啓C(jī),，可為無人機(jī)提供 300 瓦的電力。與傳統(tǒng)電池相比,，微型渦輪機(jī)的能量密度更高,，因此可顯著增加飛行時(shí)間。


△氣體和燃料路徑

團(tuán)隊(duì)并沒有停留在微型燃?xì)廨啓C(jī)上,，他們還在 COVID-19 危機(jī)期間利用了增材制造知識(shí),，進(jìn)一步創(chuàng)新了用于醫(yī)療呼吸機(jī)的預(yù)組裝、自支撐渦輪機(jī)械設(shè)計(jì),，成功地將在預(yù)組裝自承式渦輪機(jī)械結(jié)構(gòu)中開發(fā)的專有技術(shù)轉(zhuǎn)移到燃?xì)廨啓C(jī)上,。這些預(yù)組裝,、自支撐燃?xì)廨啓C(jī)具有較低的成本，主要成本僅包括機(jī)器時(shí)間和功耗,，大大減少了生產(chǎn)支出,。

Cukurel 表示此類創(chuàng)新工作的實(shí)現(xiàn)離不開與馮卡門流體動(dòng)力學(xué)研究所、伊茲密爾卡蒂普塞拉比大學(xué)和PTC的合作,。在這個(gè)由北約資助的項(xiàng)目中,，各方都展示了其獨(dú)特的專業(yè)知識(shí)，馮卡門研究所提供了空氣動(dòng)力學(xué)和燃燒的高保真模擬,，伊茲密爾卡蒂普塞拉比大學(xué)使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)來評(píng)估靜壓軸承的承載能力,，PTC 提供了豐富的增材​​制造技術(shù)知識(shí)，特別使用了其強(qiáng)大的 CAD設(shè)計(jì)和仿真模型,。


△自支撐轉(zhuǎn)子（渦輪軸壓縮機(jī)）和包圍自支撐固定外殼（回?zé)崞�,、噴嘴�?dǎo)葉、軸承箱,、燃燒器,、擴(kuò)散器）。

通過增材制造優(yōu)化性能
Cukurel 解釋說,，為了解決增材制造設(shè)計(jì)的限制，他們首先開發(fā)了降階模型,。簡(jiǎn)單來說,，這是一個(gè)優(yōu)化的模型，保留了原始系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,，但對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化,，以便分析和使用。

傳統(tǒng)上,，在設(shè)計(jì)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí),，主要使用空氣動(dòng)力學(xué)，目標(biāo)是在熱力學(xué)方面實(shí)現(xiàn)峰值性能,，轉(zhuǎn)化為推重比和燃料消耗率,，換句話說，就是功率和能量密度,。然而,，當(dāng)處理小型發(fā)動(dòng)機(jī)的問題時(shí)，這種方法就會(huì)失效,。Cukurel 解釋道：“我們創(chuàng)建的是降階模型,，它捕獲了影響引擎的所有因素，包括空氣動(dòng)力學(xué),、傳熱,、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)和燃燒等,。可以把它想象成將交響樂濃縮成獨(dú)奏表演——你需要保正作品的精髓,，同時(shí)也適應(yīng)獨(dú)奏者的能力,。“

Cukurel 繼續(xù)詳細(xì)介紹了如何創(chuàng)建一個(gè)先驗(yàn)了解增材制造的所有限制的多學(xué)科優(yōu)化環(huán)境,，他們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)從一開始就能掌握創(chuàng)造的局限性,，這就像一位經(jīng)驗(yàn)豐富的建筑師知道不要設(shè)計(jì)角度太陡以致建筑材料無法支撐的屋頂，確保制造過程中構(gòu)建的每一層都是自支撐的,，同時(shí)遵守增材制造的限制,，其中包括對(duì)懸臂角度、最小厚度和孔隙率等的考慮,。

在材料方面,，Cukurel表示用EOS M 290打印系統(tǒng)制造金屬部件，用Lithoz的打印機(jī)制造陶瓷結(jié)構(gòu),。陶瓷部件雖然制造起來比較困難,，但具有缺陷尺寸更小和表面更光滑等優(yōu)點(diǎn)，從而提高了空氣動(dòng)力學(xué)性能,，進(jìn)而節(jié)省了燃料消耗,，因此使用陶瓷作為特定部件的材料具有一定的優(yōu)勢(shì)。

Cukurel 強(qiáng)調(diào)了實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)的重要性,，并指出只要5%的偏差就會(huì)對(duì)燃油節(jié)省或推力產(chǎn)生影響,。在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，即使是很小的百分點(diǎn)也可能導(dǎo)致重大變化,，而陶瓷部件的壓縮機(jī)性能在空氣動(dòng)力學(xué)方面提高了三到四個(gè)百分點(diǎn),。


△超微型燃?xì)廨啓C(jī)的整體增材制造氮化硅轉(zhuǎn)子，設(shè)計(jì)運(yùn)行速度為 500,000 RPM,。

能源的未來是 3D 打印的嗎,？
以色列研究人員使用 3D 打印技術(shù)預(yù)組裝發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可以重塑能源的未來。他們的項(xiàng)目專注于微型燃?xì)廨啓C(jī)在分布式能源發(fā)電中的應(yīng)用,，正在改變?nèi)藗儗?duì)能源效率的傳統(tǒng)理解,，并為可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造新的可能性。

Cukurel 為該技術(shù)提供了兩種不同的應(yīng)用：
●首先,，他強(qiáng)調(diào)了軍事用途,，特別是無人機(jī)系統(tǒng)。在這個(gè)領(lǐng)域,，供應(yīng)鏈中斷是一個(gè)重大問題,，可能導(dǎo)致關(guān)鍵業(yè)務(wù)在六到九個(gè)月內(nèi)沒有軸承等重要部件。預(yù)組裝發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)完全消除了對(duì)此類供應(yīng)鏈的需求,，從而解決了這個(gè)問題,。

●第二個(gè)應(yīng)用是分布式能源發(fā)電,。傳統(tǒng)的集中式發(fā)電廠的能源效率上限約為 65%，所產(chǎn)生的35%的能源被浪費(fèi)了,。為此,，Cukurel 提出了一種在各地使用分布式微型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)的解決方案。


△5厘米規(guī)模的超微型燃?xì)廨啓C(jī),，旨在產(chǎn)生300瓦的功率,。

Cukurel解釋說：“可再生能源是中斷的能源。你不會(huì)想依賴今天有沒有風(fēng)吧,？不然今天會(huì)有太陽,。無論如何，你都想經(jīng)營(yíng)你的工廠,。那么,，在可再生能源具有中斷性的前提下，如何擁有一個(gè)靈活,、強(qiáng)大的電網(wǎng)呢,？”在這種情況下，靈活是指快速適應(yīng)和響應(yīng)能源需求變化的能力,，這些變化就是可再生能源的不可預(yù)測(cè)的輸出,。

盡管這項(xiàng)技術(shù)的變革潛力是顯而易見的，但目前面對(duì)的主要障礙在于投資回報(bào),，微型燃?xì)廨啓C(jī)的成本太高,，無法在合理的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生令人滿意的投資回報(bào)率。目前,，研究人員還計(jì)劃將他們的工作商業(yè)化，與行業(yè)參與者和戰(zhàn)略投資者的合作也正在籌備之中,。Cukurel對(duì)工作的潛在社會(huì)影響表示興奮,，特別是在微型燃?xì)廨啓C(jī)能夠燃燒氨方面。


△碳化硅多孔介質(zhì)燃燒器為燃料/空氣比提供廣泛的穩(wěn)定性,。

使用氨發(fā)動(dòng)機(jī)的可持續(xù)能源
氨可以作為一種可再生,、綠色、無碳的燃料,。氨以前曾被用作燃料,，特別是在比利時(shí)的第二次世界大戰(zhàn)期間，但自那時(shí)以來,，燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室設(shè)計(jì)發(fā)生了重大變化,。戰(zhàn)時(shí)氨動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)提出了許多挑戰(zhàn)，主要是它們對(duì)燃料的敏感性和普遍缺乏靈活性,。Cukurel 和他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了技術(shù)——多孔介質(zhì)燃燒器——特別適合燃燒氨,。

Cukurel 解釋說：“在燃?xì)廨啓C(jī)中,，大多數(shù)燃燒室設(shè)計(jì)都使用完全不同的技術(shù)。他們對(duì)汽化過程進(jìn)行優(yōu)化,，然后使用稀釋管來計(jì)量燃料,，并將熱氣體引入渦輪機(jī)�,！� 以色列理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新之處在于他們對(duì)特定技術(shù)的獨(dú)特應(yīng)用——多孔介質(zhì)燃燒器,。這是它首次應(yīng)用于氨燃燒微型燃?xì)廨啓C(jī)，其工作具有開創(chuàng)性,。


讓我們揭開“多孔介質(zhì)燃燒器”一詞的神秘面紗,，它是一種特殊類型的燃燒器，燃料-空氣混合物在多孔介質(zhì)中燃燒,，產(chǎn)生高效,、低排放的燃燒。多孔介質(zhì)燃燒器已經(jīng)存在了至少 50 年,，傳統(tǒng)的制造方法是將泡沫浸入陶瓷漿料中,，然后進(jìn)行燒結(jié)。然而,，正如Cukurel指出的那樣,，無法控制孔隙率及其在流動(dòng)方向上的分布方式。為了解決上述問題,，研究人員使用了增材制造技術(shù)制造了燃燒器,，它具有類似甜甜圈的形狀，內(nèi)部有有機(jī)的氣泡狀晶格結(jié)構(gòu),，該結(jié)構(gòu)的孔隙率沿流動(dòng)方向變化,，這就是3D打印的用武之地，因?yàn)樗�可以控制傳統(tǒng)制造技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的孔隙率梯度,。


△使用預(yù)混合燃料/空氣混合物運(yùn)行的多孔介質(zhì)燃燒器,。

Cukurel 也是最近發(fā)表的一篇論文的合著者，該論文使用基于光刻的陶瓷制造 (LCM) 和選擇性激光熔化 (SLM) 技術(shù)對(duì)整體轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì),、生產(chǎn),、組裝和高速測(cè)試進(jìn)行了全面分析。這項(xiàng)研究題為“Ceramic and metal additive manufacturing of monolithic rotors from sialon and Inconel and comparison of aerodynamic performance for 300W scale microturbines”,，是第一項(xiàng)利用空氣動(dòng)力學(xué)和制造質(zhì)量保證診斷直接比較微型渦輪機(jī)械部件的研究,，研究了無支撐壓縮機(jī)和渦輪機(jī)設(shè)計(jì)的空氣動(dòng)力學(xué)影響，制定了 LCM 和 SLM 的詳細(xì)制造因素和工藝參數(shù),，并通過表面和CT掃描對(duì)零件進(jìn)行質(zhì)量分析,，以及SEM顯微照相。結(jié)果表明,，與 SLM 轉(zhuǎn)子相比,，LCM 轉(zhuǎn)子具有更高的幾何精度,、更好的表面光潔度、更少的制造表面?zhèn)斡耙约案�低的孔隙率�?br />
這些突破性的概念和未來的應(yīng)用可能會(huì)改變世界,，當(dāng)我們面臨氣候變化的生存威脅時(shí),，此類創(chuàng)新可能對(duì)人類生存至關(guān)重要。