燃氣渦輪機的案例
UTC聯合技術通過3D打印助力多種材料的燃氣渦輪發動機轉子開發
圍繞著發動機的3D打印，3D科學谷之前分享了美國聯合技術(UTC)關于燃氣渦輪發動機自冷卻孔結構的3D打印情況，還深入了解分享了UTC如何通過3D打印開發帶中空壁熱屏蔽結構的燃料噴射器。
本期，讓我們共同領略UTC如何通過3D打印開發用于燃氣渦輪發動機的轉子。
3D打印助力多材料組件制造
燃氣渦輪機轉子系統包括連續的葉片排，其從相應的轉子盤延伸，轉子盤以軸向堆疊構造布置。轉子疊層可以通過多種系統組裝，例如緊固件，熔接，連接軸及其組合。
燃氣渦輪機轉子系統在在顯著壓力和溫度差的環境中運行，部件的邊界部位主要用于分離核心氣體流動路徑和次要冷卻流動路徑。對于高壓，高溫應用，組件在這些邊界上經歷熱機械疲勞（TMF）的考驗。出于對期望的性能要求，研究人員不斷的開發具有最佳性能與重量比的組件。
根據3D科學谷的市場研究，UTC開發的用于燃氣渦輪發動機的轉子的轉子盤由一種材料制成，而葉片是由另外一種材料制成的。如圖HPC轉子60可以是混合雙合金整體葉片轉子（IBR），其中葉片64由一種類型的材料制成，轉子盤66由不同的材料制成。
雙金屬結構提供了分別滿足不同溫度要求的材料能力。葉片64可以由單晶鎳合金制成，轉子盤66由不同的材料制成，例如擠壓的坯料鎳合金。而葉片64通過線性摩擦焊接連接或通過增材制造技術連接到轉子盤66上。此外，葉片可以經受第一類熱處理而轉子盤66經受不同的熱處理。
根據3D科學谷的市場研究，通過3D打印過程將兩種材料分散熔合在一起，兩種材料內部晶粒產生粘結，使得任何硬質過渡都被消除，從而零件不會在巨大的壓力和溫度梯度變化下發生斷裂情況。這為不同材料制成的組件提供了很高的接頭強度。
展開 某型燃氣輪機低壓渦輪壓氣機轉子動力學分析
為了獲得某型燃氣輪機低壓渦輪壓氣機轉子的動力學特性，并驗證其穩定性及可靠性，本文使用ＳＡＭｃＥＦ／Ｆｉｅｌｄ軟件的轉子動力學分析模塊對該轉子進行了分析計算。根據機組實際運行的條件，計算了該機組轉子的臨界轉速、穩態不平衡響應、葉片丟失瞬態響應等。計算結果表明，臨界轉速安全系數合理；轉子系統選取的平衡量具有較小的振動幅值；轉子的瞬態響應結果驗證了結構方案的合理性，轉子系統具有較好的穩定性。得出了此轉子結構方案能保證低壓渦輪壓氣機穩定運行的結論
某型燃氣輪機低壓渦輪壓氣機轉子動力學分析.pdf
展開 燃氣輪機低壓渦輪壓氣機轉子動力學分析
本文研究的對象是該型燃氣輪機低壓渦輪壓氣機轉子, 通過對轉子-支承建模, 使用SAMCEF專業轉子動力學分析軟件, 采用有限元素法分析了其轉子動力學特性, 包括轉子的臨界轉速計算、穩態不平衡響應分析、轉子穩定性分析等。驗證了其在工程應用方面的可用性及可靠性, 同時得出了分析其動力學特性的基本方法及結論。
1 結構簡介
該型燃氣輪機低壓渦輪壓氣機轉子呈軸流輪轂式整體結構, 它由9級低壓壓氣機和1級低壓渦輪組成, 低壓壓氣機與低壓渦輪之間通過低壓渦輪軸連接并以花鍵傳遞扭矩(見圖1)。0 ～ 8級低壓壓氣機輪盤、葉片材料為鈦合金;低壓渦輪盤、葉片材料為高溫合金;低壓渦輪軸材料為馬氏體不銹鋼。低壓渦輪壓氣機轉子呈3點支承結構, 前支承采用徑向止推滾珠軸承, 支承點位于壓氣機0級輪盤前段, 由彈性支承、擠壓油膜阻尼器、滾珠軸承組成;中間支承采用滾柱軸承, 由擠壓油膜阻尼器、滾珠軸承組成, 支承點位于低壓壓氣機后軸徑后段;后支承采用滾柱軸承, 由彈性支承、擠壓油膜阻尼器、滾珠軸承組成, 支承點位于低壓渦輪軸后段。
2 計算模型
該型燃機低壓渦輪壓氣機轉子的3D模型較大,這將導致在網格劃分以及計算過程中花費大量時間,因此我們對本機組的計算采用2D軸對稱模型。在總體直角坐標系下建立二維軸對稱單元, 其種類有3節點或高階6 節點的三角形單元、4 節點或高階8 節點的四邊形單元。每個節點有9個自由度, 前6個自由度與梁單元一樣, 分別為沿旋轉軸線方向的拉伸和扭轉, 以及由彎曲而引起的其他2個方向的線位移和角位移。另外, 3個自由度與旋轉軸的橫截面變形有關, 分別為拉伸引起的徑向位移和彎曲引起的2個切向位移。同時, 使用這類單元可以很好地模擬轉子的“渦動效應” 。
建立總體直角坐標系(X , Y , Z )和局部圓柱坐標系(er, z , eθ)。
展開 案例分享 | 燃氣輪機渦輪的優化、魯棒性和可靠性方法研究
本文旨在介紹燃氣輪機高壓渦輪的優化設計方法，為減少計算量，采用了簡化的軸對稱2D模型。優化目標是降低渦輪的重量的同時延長其使用壽命，優化過程中首先開展敏感性研究，以確定與多目標優化最相關的幾何結構參數。優化結果是得到一個帕累托前沿分布曲線，將其用于后續的可靠性分析和優化設計。
在航空工業工程領域中，優化、魯棒性和可靠性分析的重要性與日俱增。本文將先介紹優化過程，然后分析改變輸入參數所造成的影響，借助虛擬、簡化的高壓燃氣渦輪模型演示這些方法的應用。
工程應用介紹
本文的工程對象是燃氣輪機/航空發動機，類似民用飛機通常使用的推進系統。該發動機由三大核心部分組成：壓氣機、燃燒室和渦輪。渦輪提供動力來驅動壓氣機和驅動部件，它通過降低燃燒系統排放的高溫氣體的壓力和溫度，以產生驅動扭矩。渦輪可以由多級組成，每級使用一組固定噴嘴導流葉片和一組旋轉葉片。這些葉片由渦輪支撐，高壓渦輪就是本文介紹的應用對象（圖1）。
展開 
維修飛機渦輪機：Optomec LENS工藝金屬3D打印系統
僅在過去的12個月里，該公司就與美國空軍簽訂了合同，以確定噴氣式渦輪機的打印參數，并開發出大批量的發動機MRO 3D打印機。
為了突出采用LENS的潛在成本節約，Optomec公司還在去年6月推出了一個投資回報率（ROI）評估工具。據稱，該成本計算器能夠為尋求在燃氣輪機MRO中改用DED的個人客戶評估自動化激光熔覆設備的盈利能力。
△Optomec的LENS技術能夠在現有零件上沉積額外的材料，使其成為航空航天MRO的理想選擇。照片來自Optomec公司。
優化渦輪機維修
由于可能與NDA有關的原因，Optomec公司沒有透露最新買家的名字，但它將該客戶描述為一個 "領先的供應商"，其在航空MRO市場的價值為370億美元。據了解，該客戶也是Optomec系統的現有采用者，它已經使用了五臺以上的3D打印機來維修飛機發動機和工業燃氣輪機中的渦輪機部件。
據Optomec公司稱，客戶計劃采用他們技術的自適應軟件和即時激光功率調整功能，為磨損的發動機部件提供精確金屬增材維修。客戶這樣做的目的是將渦輪機恢復到其原始制造商規定的規格，同時減少對打印在上面的金屬特性的干擾，提高終端部件的質量。
我們還相信，此舉將使這家航空供應商將兩個手動渦輪機維修過程合并為一個自動程序，從而降低其發動機大修成本。Optomec公司的系統每年能夠修復數以萬計的渦輪機，它的MRO裝置總數達到100個，它說這些機器現在是 "燃氣渦輪機行業的黃金標準"。
△阿提哈德工程公司的3D打印MRO設施。照片來自阿提哈德工程公司。
展開 GE加快燃氣輪機渦輪葉片修復，已完成了第2代葉片研制
此前從未報道這次葉片斷裂情況，將涉及早期的重型燃氣輪機型號，這次故障非常類似于去年9月份發生在德克薩斯州重型燃機機組上的故障事件，該事件導致燃機機組嚴重損壞，并關閉了2個月進行維修。
有缺陷的葉片問題影響了GE最新的H級重型燃氣輪機技術應用，該技術花費了GE公司數十億美元才研發出來，并且也是新首席執行官拉里-庫爾普（Larry Culp）試圖重振這家擁有127年歷史的企業利潤和股價時所面臨的挑戰之一。
根據使用GE燃氣輪機的消息來源和電廠用戶反饋來看，該事件可能會威脅到發電廠的收入來源，因為GE公司解決問題的建議是抑制這些重型燃氣輪機的使用。
根據GE高管的幻燈片和三位相關人士的說法，GE公司于上個月在佛羅里達和倫敦的私人會議上表示，該公司正在考慮提供延長保修期和備件，以減輕對購買燃氣輪機感興趣的保險公司，貸方和電廠用戶的擔憂。一些參會人士對路透社表示他們簽署了保密協議。
據參加會議的兩位人士透露，GE告訴參會者，在機組停機更換葉片之前，根據不同的工廠情況，帶有高風險葉片的燃氣輪機運行時間應少于7,000小時，而之前規程中葉片指導維修時間是25,000小時，GE公司還向客戶提供有關變更的建議。
這些高管還在會議上表示，2015年在一家未公開的發電廠里，同樣的事故發生在了一臺GE 9FB燃氣輪機上，該燃機所用的技術與德克薩斯州事故電廠HA燃氣輪機非常相似。在第二份報告里顯示，自2015年開始，GE公司就開始研究新的保護涂層并改變零件的熱處理工藝。
GE公司告訴路透社，雖然葉片故障在2015年就發生了，但GE最初并不知道這個問題也會影響其HA級重型燃機。
GE公司在給路透社的一份聲明中表示：“在最初的9FB燃氣輪機問題發生之前，HA級燃機組件還在開發中。
展開 羅羅將為貝爾V-280和V-247直升機研發燃氣渦輪發動機
近日，英國羅羅公司已同意為貝爾V-280 Valor（“英勇”）傾轉旋翼戰斗機和V-247 Vigilant（警惕”）傾轉旋翼戰斗機研發渦軸發動機。
貝爾表示，V-280 Valor（“英勇”）傾轉旋翼戰斗機由GE航空公司的T64-GE-419發動機提供動力，但未來的飛機型號將選擇按照羅羅公司的發動機。
貝爾解釋說：“貝爾和羅羅正在為V-280發動機研發一個集成化的動力解決方案，以作為未來采購的一個選型，但是，我們完成認識到政府尚未確定其引擎的采購戰略。”
貝爾表示計劃繼續與GE航空公司合作開發V-280直升機。
在美國陸軍的未來垂直升力（FVL）計劃之前，V-280已經作為已作為“能力#3”的技術演示器飛行了一年多，這是一種中型通用飛機，旨在取代西科斯基的UH-60黑鷹直升機。今年1月份，該傾轉旋翼機達到了目標最高速度：280kt（518km/h），這也是其機型數字的由來。
貝爾V-247是一款尚未飛行的無人傾轉旋翼機，目前僅以三維渲染或貿易用展示模型的形式公開露面。無人駕駛飛行器是美國海軍陸戰隊的海上無人遠征（MUX，Marine Unmanned Expeditionary）飛機的概念。
貝爾拒絕透露可能在其飛機上安裝哪種羅羅發動機，但指出它正在研究為其飛機優化發動機的方法。
該公司表示：“貝爾和羅羅團隊正致力于集成入口顆粒保護和排氣紅外抑制系統解決方案，以減少對推進系統耐久性的環境影響，同時最大限度地提高安裝推進系統的性能和生存能力。”
來源：兩機動力控制
展開 走進了解丨微型燃氣輪機優點與應用
重型燃氣渦輪發電機對于分布式電力應用來說太大且太昂貴，因此 MT 被開發用于小規模電力，例如單獨的發電或冷熱電聯產 （CCHP）系統。
微型燃氣輪機約為冰箱大小，輸出功率為 25 kW 至 500 kW，從汽車和卡車渦輪增壓器、飛機輔助動力裝置 (APU) 和小型噴氣發動機演變而來。大多數
微型燃氣輪機由壓縮機、燃燒器、渦輪機、交流發電機、換熱器和發電機組成。下圖說明了微型渦輪機的工作原理。
微型燃氣輪機可分為：單軸或雙軸、簡單循環或回熱、中冷和再熱。普通的單軸 MT 每分鐘轉速為90,000 至 120,000 轉，簡單且制造成本更低。
簡單循環微型燃氣輪機中壓縮空氣與燃料混合并在恒壓條件下燃燒，產生的熱氣通過渦輪膨脹以做功。簡單循環 MT 的效率較低，約為 15%，但與回熱式機組相比，它具有更低的資本成本、更高的可靠性以及擁有更多的熱能用于熱電聯產應用。
回熱式機組使用金屬板熱交換器，從廢氣流中回收部分熱量并將其轉移到進入的空氣流中，從而提高供應給燃燒器的空氣流的溫度，進一步的廢熱回收可用于熱電聯產配置。下圖說明了一個回熱式微型燃氣輪機系統。燃料能量到電力的轉換效率為 20% 到 30%。此外，回收裝置可以通過預熱節省 30% 到 40% 的燃料。
在熱電聯產應用中，微型燃氣輪機的綜合熱電效率可高達 85%，具體取決于熱處理要求。
微型燃氣輪機在沒有換熱器的情況下的效率約為 15%，在有換熱器的情況下為 20% 到 30%，在熱電聯產中它們可以達到 85% 的綜合熱電效率，具體取決于熱處理要求。
展開 全新體驗的Fluent Meshing | 在燃氣渦輪中的應用
針對上述挑戰，Ansys在2019年推出了基于單個操作流程界面的全新高效網格劃分工具Ansys Fluent Meshing，該網格劃分工具包含了最新的Mosaic多面體網格且可進行自動網格劃分，特別適合于包含復雜冷卻流道的氣冷燃氣渦輪葉片的網格劃分和前處理。基于Ansys SCDM幾何前處理工具和Ansys Fluent Meshing網格劃分工具可完美應對復雜氣冷燃氣渦輪幾何前處理和高質量網格劃分的挑戰！
1、基于Ansys SCDM進行幾何前處理
在正式的網格劃分之前需要對渦輪葉片進行幾何前處理，主要包括以下環節：
幾何結構修復：SCDM可一鍵對缺失面、部件干涉等進行修復得到修復后的實體模型，效率遠高于傳統CAD軟件。
幾何細節簡化：在氣冷渦輪葉片CFD仿真之前一般會對計算結果影響較小的倒圓、小孔、臺階等結構進行簡化，SCDM可對上述細節進行批量選擇后一鍵式進行簡化。
內冷卻流道抽取：氣冷渦輪葉片一般包含復雜的內冷卻流道，使用SCDM的Extract Volume功能可一鍵對其進行抽取，并與原固體葉片進行拓撲共享創建流固交界面，精度和效率都遠高于使用布爾運算進行前處理的傳統CAD軟件。
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Ansys Fluent Mosaic Meshing for CFD Simulations
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基于Ansys SCDM進行幾何前處理
在正式的網格劃分之前需要對渦輪葉片進行幾何前處理，主要包括以下環節：
幾何結構修復：SCDM可一鍵對缺失面、部件干涉等進行修復得到修復后的實體模型，效率遠高于傳統CAD軟件。
幾何細節簡化：在氣冷渦輪葉片CFD仿真之前一般會對計算結果影響較小的倒圓、小孔、臺階等結構進行簡化，SCDM可對上述細節進行批量選擇后一鍵式進行簡化。
展開 全新體驗的Fluent Meshing | 在燃氣渦輪中的應用
針對上述挑戰，Ansys在2019年推出了基于單個操作流程界面的全新高效網格劃分工具Ansys Fluent Meshing，該網格劃分工具包含了最新的Mosaic多面體網格且可進行自動網格劃分，特別適合于包含復雜冷卻流道的氣冷燃氣渦輪葉片的網格劃分和前處理。基于Ansys SCDM幾何前處理工具和Ansys Fluent Meshing網格劃分工具可完美應對復雜氣冷燃氣渦輪幾何前處理和高質量網格劃分的挑戰！
Ansys Fluent Mosaic Meshing for CFD Simulations
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基于Ansys SCDM進行幾何前處理
在正式的網格劃分之前需要對渦輪葉片進行幾何前處理，主要包括以下環節：
幾何結構修復：SCDM可一鍵對缺失面、部件干涉等進行修復得到修復后的實體模型，效率遠高于傳統CAD軟件。
幾何細節簡化：在氣冷渦輪葉片CFD仿真之前一般會對計算結果影響較小的倒圓、小孔、臺階等結構進行簡化，SCDM可對上述細節進行批量選擇后一鍵式進行簡化。
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帶有點陣結構冷卻方案的燃氣渦輪發動機部件
燃氣渦輪發動機通常包括壓縮機部分，燃燒器部分和渦輪部分。通常，在運行期間，空氣在壓縮機部分中被加壓并與燃料混合并在燃燒器部分中燃燒以產生熱燃燒氣體。熱燃燒氣體流過渦輪部分，渦輪部分將熱燃燒氣體的能量轉化為動力。這其中涉及到大量的零件在高溫下運行。
對于航空或燃氣渦輪發動機中需要高溫條件下運行的零件來說，很多零件需要帶冷卻通道。在這方面，根據3D科學谷的市場觀察，除了冷卻通道，點陣結構在散熱方面也獲得了不斷深入的研究與應用。
提高局部對流冷卻效果
根據3D科學谷的市場研究，UTC聯合技術正在將3D打印技術應用于燃氣渦輪發動機部件的冷卻方案，包括在燃氣渦輪發動機部件的壁內部的點陣結構。通過點陣結構為燃氣渦輪發動機部件提供有效的局部對流冷卻，使得部件可以經受通過核心流動路徑的熱燃燒氣體的高溫。
根據3D科學谷的了解，UTC聯合技術所設計的點陣結構可以適應于任何給定的燃氣渦輪發動機部件或部件的某個部分的特定冷卻需求。換句話說，通過改變點陣結構（圖中編號80）的設計和密度，可以調整以匹配外部熱負荷和局部壽命要求。
不過對于任何給定的點陣結構來說，實際設計可取決于部件的幾何形狀。還需要考慮各種要求，包括壓力損失、局部冷卻流量、冷卻空氣熱量吸收、熱效率、總體冷卻效率、空氣動力學混合和可生產性考慮，并且還需要考慮燃氣渦輪發動機的特定參數。
點陣結構（圖中編號80）可以通過諸如粉末床金屬熔融的增材制造工藝來生產，當然還可以通過電子束熔化（EBM）工藝來生產。
不過，根據3D科學谷的了解，UTC聯合技術還通過鑄造工藝來生產點陣結構，這種增材制造工藝可用于生產難熔金屬芯（RMC），包括但不限于鉬c。
展開 帶有點陣結構冷卻方案的燃氣渦輪發動機部件
燃氣渦輪發動機通常包括壓縮機部分，燃燒器部分和渦輪部分。通常，在運行期間，空氣在壓縮機部分中被加壓并與燃料混合并在燃燒器部分中燃燒以產生熱燃燒氣體。熱燃燒氣體流過渦輪部分，渦輪部分將熱燃燒氣體的能量轉化為動力。這其中涉及到大量的零件在高溫下運行。
對于航空或燃氣渦輪發動機中需要高溫條件下運行的零件來說，很多零件需要帶冷卻通道。在這方面，根據市場觀察，除了冷卻通道，點陣結構在散熱方面也獲得了不斷深入的研究與應用。
提高局部對流冷卻效果
根據市場研究，UTC聯合技術正在將3D打印技術應用于燃氣渦輪發動機部件的冷卻方案，包括在燃氣渦輪發動機部件的壁內部的點陣結構。通過點陣結構為燃氣渦輪發動機部件提供有效的局部對流冷卻，使得部件可以經受通過核心流動路徑的熱燃燒氣體的高溫。
據了解，UTC聯合技術所設計的點陣結構可以適應于任何給定的燃氣渦輪發動機部件或部件的某個部分的特定冷卻需求。換句話說，通過改變點陣結構（圖中編號80）的設計和密度，可以調整以匹配外部熱負荷和局部壽命要求。
不過對于任何給定的點陣結構來說，實際設計可取決于部件的幾何形狀。還需要考慮各種要求，包括壓力損失、局部冷卻流量、冷卻空氣熱量吸收、熱效率、總體冷卻效率、空氣動力學混合和可生產性考慮，并且還需要考慮燃氣渦輪發動機的特定參數。
點陣結構（圖中編號80）可以通過諸如粉末床金屬熔融的增材制造工藝來生產，當然還可以通過電子束熔化（EBM）工藝來生產。不過，據了解，UTC聯合技術還通過鑄造工藝來生產點陣結構，這種增材制造工藝可用于生產難熔金屬芯（RMC），包括但不限于鉬c。
左手冷卻通道，右手點陣結構
談到發動機部件的冷卻技術，我們通常想到的是冷卻通道的方式。
展開 航空發動機與燃氣輪機技術領域有哪些趨勢？
燃燒室燃燒/化學反應仿真
高溫燃燒室冷卻設計和分析
燃料清潔燃燒和低污染排放分析
LES大渦燃燒/熱聲震蕩
航空發動機/燃氣輪機氣動噪音
二、整機性能和效率提升
不同工況下的發動機推力、整機性能和效率是產品競爭力的核心，涉及壓氣機氣動性能提升、渦輪前溫度提升等關鍵技術。
風扇/壓氣機葉片進氣畸變仿真
多級壓氣機/渦輪穩態/瞬態氣動性能仿真與優化
復雜氣冷渦輪葉片流熱耦合仿真
噴管/排氣段氣動性能仿真
航空發動機/燃氣輪機整機性能仿真
三、整機安全性與壽命
航空發動機/燃氣輪機的安全性是產品的重要指標，而產品大修周期和使用壽命則對用戶成本極為關鍵。
風扇扭轉變形流固耦合分析
風扇撞擊破壞仿真
壓氣機/渦輪葉片顫振仿真分析
壓氣機/渦輪葉片受迫振動仿真分析
高溫部件（燃燒室、渦輪葉片）疲勞蠕變分析
渦輪葉片/輪盤蠕變仿真與裂縫擴展分析
發動機葉片/短艙防冰、除冰仿真
從部件級到系統級、從產品性能到可靠性的全方位航空發動機/燃氣輪機解決方案
Ansys航空發動機/燃氣輪機解決方案，涵蓋了從部件級（風扇、壓氣機、燃燒室、渦輪和排氣段）到整機性能仿真方案，也包含了流體、傳熱、結構靜力學/動力學等多物理場耦合解決方案。用戶通過該解決方案可實現對整機污染排放、產品性能和安全性/可靠性的全面仿真和優化提升。
Ansys推出了高效、準確分析和預測風扇、壓氣機和渦輪葉片顫振/受迫振動的解決方案。
展開 行業應用方案 | 航空發動機與燃氣輪機
風扇扭轉變形流固耦合分析
風扇撞擊破壞仿真
壓氣機/渦輪葉片顫振仿真分析
壓氣機/渦輪葉片受迫振動仿真分析
高溫部件（燃燒室、渦輪葉片）疲勞蠕變分析
渦輪葉片/輪盤蠕變仿真與裂縫擴展分析
發動機葉片/短艙防冰、除冰仿真
從部件級到系統級、從產品性能到可靠性的全方位航空發動機/燃氣輪機解決方案
Ansys航空發動機/燃氣輪機解決方案，涵蓋了從部件級（風扇、壓氣機、燃燒室、渦輪和排氣段）到整機性能仿真方案，也包含了流體、傳熱、結構靜力學/動力學等多物理場耦合解決方案。用戶通過該解決方案可實現對整機污染排放、產品性能和安全性/可靠性的全面仿真和優化提升。
Ansys推出了高效、準確分析和預測風扇、壓氣機和渦輪葉片顫振/受迫振動的解決方案。
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