在燃气轮机研制阶段,需要对零部件设计进行多次改进迭代。为解决传统加工方式周期长、成本高的问题,将增材制造技术应用于燃气轮机研制过程中。借助于金属3D 打印设备,开展了燃气轮机关键部件增材制造成型研究;借助于非金属3D 打印机,开展了燃气轮机模型的成型研究。结果显示,增材制造技术能够实现具有非常复杂几何结构的零部件的高效、快速成型,而不必借助额外的工装。将增材制造技术应用于燃气轮机研制过程有助于快速实现产品设计迭代,缩短研发周期、节约研制成本、提高产品性能,适应于先进高性能燃气轮机发展趋势。


GE 于2018 年试飞的ATP 发动机采用了大量3D 打印零件(图3),涵盖了机油箱、轴承座、框架、排气机匣、燃烧室、换热器和固定流道等部件。将855 个传统加工零件(占总零件数的35%)替换为12 个增材制造零件。这些3D 打印零件均采用了拓扑优化结构,在保证结构强度的前提下使得发动机质量更轻,油耗节省20%[8] 。


在开展某型燃气喷嘴增材制造适应性改进设计过程中,将FDM 技术应用于方案模型的打印中(图16)。为便于观察喷嘴内部流道详细结构,打印模型为2 个半剖模型,可通过销钉组合在一起。
燃气轮机设计制造领域是设计密集型产业,无论是前期的设计过程,还是后期的维修保养过程,都涉及到复杂结构非标准零件的快速成型。未来增材制造技术与燃气轮机设计的相互融合有助于两者的协同发展。结合全球主要的燃气轮机制造商(美国GE、德国西门子、日本三菱)对增材制造技术在燃气轮机燃烧室部件研发生产中的应用情况,预计增材制造技术在燃气轮机燃烧室的未来应用研究重点包括:1)燃气轮机热端部件的维修、备件按需打印;2)增材制造思想与燃烧室部件设计思想的深度融合;3)探索更多新型高温合金材料的增材制造应用;4)更大尺寸燃烧室部件的快速、高效成型。