深度解析GE公司3D打印燃油喷嘴的结构优化设计

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GE公司的3D打印燃油喷嘴是圈内人皆知的成功案例，它是世界上第一个实现大规模量产的3D打印零部件，年产量达到3~4万件。

那么，3D打印燃油喷嘴究竟有何魔力，能够成为3D打印的“天选之子”，并促使GE公司收购了Concept Laser公司和Arcam公司。本期优化讲坛，我们将为您深度解析3D打印燃油喷嘴背后的技术意义。

燃油喷嘴的作用是将燃油雾化(或汽化)，加速混合气形成，保证稳定燃烧和提高燃烧效率。

喷嘴通过安装座安装在燃烧室机匣上。安装座以上部分处在燃烧室机匣外部，被外涵气流（风扇出口来流）绕流，温度相对较低。喷杆和头部处在燃烧室机匣内，被内涵气流（扩压器出口气流）绕流，温度很高。

高温气体会使喷嘴内油温上升，导致燃油产生不溶解的碳氢化合物，在燃油通道表面沉积焦油、沥青、漆质和固态碳。下图显示了燃油喷嘴主油路旋流器的积焦情况。

严重的积焦会局部堵塞喷口，阻挡喷雾锥形成，导致喷油雾化质量急剧恶化。燃油雾化不良及雾化质量不稳定将导致燃烧室点火联焰困难、火焰无规律性、燃烧效率降低。有时燃油浓度场的不稳定会导致燃烧室出口燃气温度分布的不稳定，引起火焰筒和涡轮导向器及转子叶片的烧伤。

据说，军机发生过若干次后果比较严重的燃油喷嘴故障，其中一半与燃油喷嘴积炭有关。

内涵气流对喷杆和头部的绕流加热是燃油喷嘴温度升高的主要因素，因此，对喷杆及头部降温可以有效的防止燃油温度的升高。

若采用传统工艺制造燃油喷嘴，最常用的隔热方式是设置隔热套。隔热套使得在喷嘴壳体与气流之间、燃油与壳体壁面之间形成一层隔层，加大了气流与燃油之间的总热阻，最终达到降低燃油温度的目的。

3D打印燃油喷嘴通过内部的复杂冷却流道实现自身冷却，冷却效果和冷却效率大大提升，降低了燃油喷嘴积炭的速度，因此喷嘴的使用寿命增加了5倍。

3D打印燃油喷嘴内燃油的旋涡运动有助于使燃料与空气雾化和混合，产生稳定的火焰，减少或消除火焰回火风险。

3D打印燃油喷嘴对油路流道进行优化设计，消除流道中的突然扩张和突然变向，增大燃油流速，从而减少燃油流过这些地方时与热管壁的换热。

虽然GE公司的燃油喷嘴3D打印部分只有顶部核桃般大小的结构（上图黄色方框内），里面却有14条精密的流体通道。

3D打印燃油喷嘴能够成功应用，结构的优化设计可谓居功至伟。

GE研究团队的50名工程师、设计师和制造专家密切合作，花了四年时间对燃油喷嘴重新设计。新喷嘴将原来的20个部件变成了一个精密整体，并与其它组件通过钎焊连接。具体内容可参考美国专利US10591164B2、US10578306B2、US10415833B2。

最终，3D打印燃油喷嘴重量比传统方式减轻了25%，寿命提高了5倍，成本效益上升了30%。

GE公司制造的这些燃油喷嘴已经被用到了商用航空史上最畅销的发动机LEAP上，该发动机比之前最好的CFM56发动机燃油效率还要提高15%。空客A320 NEO、波音B737 MAX和国产C919客机都采用了这款带有3D打印燃油喷嘴的Leap发动机。

由于燃油喷嘴的成功应用，让GE公司看到了3D打印技术的巨大发展潜力和应用价值，最终促使GE公司收购了3D打印的设备制造商ConceptLaser公司和Arcam公司。从此，GE公司打通了3D打印全产业链，集材料、设备、工艺、设计、集成应用于一身，未来的发展值得我们期待。