近日，魔猴网了解到，以色列理工学院Beni Cukurel 副教授领导的团队利用增材制造 (AM)设计了微型燃气轮机，向发电和推进的未来迈出了一大步。这一革命性的发展极大地挑战了传统的制造方式。

△增材制造预组装微型涡轮喷气发动机

Cukurel 的团队和涡轮机械与传热实验室挖掘了增材制造的潜力。 该团队并没有简单地将增材制造作为替代工具，而是将其视为核心资源，创建先验设计以满足约束条件并利用增材制造的优势。他们研究的核心是微型燃气轮机，专为高比例发电而设计。Cukurel 将微型燃气轮机定义为能够产生 300 千瓦以下电力和 2 千牛顿以下推力的系统。采用增材制造方法，该团队开始了他们的第一个项目，制造了一个5厘米大小的微型燃气轮机，可为无人机提供 300 瓦的电力。与传统电池相比，微型涡轮机的能量密度更高，因此可显著增加飞行时间。

△气体和燃料路径

团队并没有停留在微型燃气轮机上，他们还在 COVID-19 危机期间利用了增材制造知识，进一步创新了用于医疗呼吸机的预组装、自支撑涡轮机械设计，成功地将在预组装自承式涡轮机械结构中开发的专有技术转移到燃气轮机上。这些预组装、自支撑燃气轮机具有较低的成本，主要成本仅包括机器时间和功耗，大大减少了生产支出。

Cukurel 表示此类创新工作的实现离不开与冯卡门流体动力学研究所、伊兹密尔卡蒂普塞拉比大学和PTC的合作。在这个由北约资助的项目中，各方都展示了其独特的专业知识，冯卡门研究所提供了空气动力学和燃烧的高保真模拟，伊兹密尔卡蒂普塞拉比大学使用计算流体动力学来评估静压轴承的承载能力，PTC 提供了丰富的增材制造技术知识，特别使用了其强大的 CAD设计和仿真模型。

△自支撑转子（涡轮轴压缩机）和包围自支撑固定外壳（回热器、喷嘴导叶、轴承箱、燃烧器、扩散器）。

通过增材制造优化性能

Cukurel 解释说，为了解决增材制造设计的限制，他们首先开发了降阶模型。简单来说，这是一个优化的模型，保留了原始系统的关键部分，但对其进行了简化，以便分析和使用。

传统上，在设计喷气发动机时，主要使用空气动力学，目标是在热力学方面实现峰值性能，转化为推重比和燃料消耗率，换句话说，就是功率和能量密度。然而，当处理小型发动机的问题时，这种方法就会失效。Cukurel 解释道：“我们创建的是降阶模型，它捕获了影响引擎的所有因素，包括空气动力学、传热、转子动力学和燃烧等。可以把它想象成将交响乐浓缩成独奏表演——你需要保正作品的精髓，同时也适应独奏者的能力。“

Cukurel 继续详细介绍了如何创建一个先验了解增材制造的所有限制的多学科优化环境，他们设计的系统从一开始就能掌握创造的局限性，这就像一位经验丰富的建筑师知道不要设计角度太陡以致建筑材料无法支撑的屋顶，确保制造过程中构建的每一层都是自支撑的，同时遵守增材制造的限制，其中包括对悬臂角度、最小厚度和孔隙率等的考虑。

在材料方面，Cukurel表示用EOS M 290打印系统制造金属部件，用Lithoz的打印机制造陶瓷结构。陶瓷部件虽然制造起来比较困难，但具有缺陷尺寸更小和表面更光滑等优点，从而提高了空气动力学性能，进而节省了燃料消耗，因此使用陶瓷作为特定部件的材料具有一定的优势。

Cukurel 强调了实现概念设计的重要性，并指出只要5%的偏差就会对燃油节省或推力产生影响。在喷气发动机设计领域，即使是很小的百分点也可能导致重大变化，而陶瓷部件的压缩机性能在空气动力学方面提高了三到四个百分点。

△超微型燃气轮机的整体增材制造氮化硅转子，设计运行速度为 500,000 RPM。

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