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助力波音777X首飞成功的GE9X发动机有何“过人之处”?先从3D打印说起

时间:2020-03-26 11:35 来源:中国3D打印网 作者:中国3D打印网 阅读:

       2020年1月25日(美国时间),搭载了两台GE9X发动机的波音777X飞机在华盛顿州埃弗雷特的佩恩机场起飞,顺利完成其首飞!

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波音777X在空中的靓影。图片来源:波音

      相信很多人都已知晓这一令人期盼已久的消息。从2013年起,GE航空集团就开始了GE9X的设计与测试工作。为筹备这次首飞,GE航空集团已经在其加州维克多维尔市的波音747空中试车台上对GE9X进行了72次飞行测试,共计超过400飞行小时。截至到目前,GE9X已经完成了超过4,100小时的地面与空中测试以及6,500次发动机循环。

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空中试车台上的GE9X发动机

       虽然GE9X还未正式投入商用,但已获得了诸多肯定。GE9X在去年获得了吉尼斯世界上推力最大发动机的纪录;是GE航空史上燃油效率最高的喷气发动机,燃油消耗低于竞品10%;拥有直径134英寸的最大尺寸前风扇、复合材料风扇机匣和16片第四代碳纤维复合材料风扇叶片……除了这些硬核优势,还有一个史无前例的创新性举措——使用3D打印零部件,本期我们就来从GE9X发动机的3D打印零部件说起。

        Stefka Petkova大学毕业就加入了GE,现在作为GE航空集团的一员,她和她的团队正在为GE9X设计开发并准备投产3D打印的部件。2014年,Petkova就职于位于俄亥俄州辛辛那提市GE航空集团的总部。当时GE航空开发了首批3D打印零部件,包括用于CFM LEAP喷气发动机的燃油喷嘴和用于GE90的传感器外壳,Petkova对这项技术深感着迷。现在,Petkova在俄亥俄州西切斯特GE航空的增材制造科技中心(ATC)工作,这里距离GE航空的总部只有很短的车程。

       ATC聘请了来自GE航空、GE增材制造的数百名工程师、设计师和工人,它也许是全球最大、最先进的3D打印机构。GE航空负责增材制造的总经理Eric Gatlin说:“在ATC,我们进行的许多工作都是初次探索,这在一定程度上也激发了我们的热情和动力,形成了一股特有的文化氛围”。毫不夸张,在这里工作的很多工程师,包括刚毕业不久的年轻人都没有在学校里学习过增材制造。这项技术才刚刚起步,但这并没有影响工程师们迅速掌握这一技术,同时帮助GE的其他部门迎头赶上。

       在ATC,工程师们可以设计出形状最理想的零件,然后直接通过计算机文件打印出来。增材制造通过激光或电子束将薄层金属粉末熔融在一起,从而打印出最终产品。它可以让工程师们制造出从前成本过于昂贵或无法用传统方法制造的形状,比如冲压或铸造制造工艺。ATC的现场负责人Antroine Townes说:“增材制造的独特之处和价值在于设计的灵活性和创新的速度。过去,设计师们受困于既有的制造方法。现在你可以不考虑这些限制,设计最适合发动机的零件,而不是最容易制造的东西。”

Petkova和他们的同事们积极协助3D打印零部件批量生产的准备工作,他们确定制造流程,并将制造工作转移到GE航空位于阿拉巴马州奥本市的增材制造工厂。另外,他们也和GE9X的设计人员紧密合作,以帮助他们在发动机持续产生测试结果的情况下,快速且低成本地改进计划。GE9X将300多个发动机部件组合成7个3D打印的部件,其中包括能精确地让燃料和空气的混合物进入燃烧室的燃油喷嘴、低压涡轮叶片和热交换器。另一个是导流器,它能让发动机排出吸入的灰尘、沙子和其他碎片,延长发动机的使用寿命。这样创新的设计很难被制造出来,甚至于之前GE也从未在商用喷气发动机中使用过。

     “除了3D打印,这样的导流器无法通过其他任何方式制造,”GE航空的高级制造工程师Zach Studt说。如此一来,增材制造就为发动机在更大程度上创造了更好的性能表现,通过不同的制造过程交付更好的产品。未来,也许大部分的发动机都会装配同款导流器。但增材制造的作用不止于此。它不仅精确,而且考虑到所制造零件的复杂性,它的生产速度还足够快。就拿燃烧室旋流器来说,它的工作原理就像汽车的化油器,让发动机在喷嘴中获得准确的燃油空气比。过去,GE通过在模具中浇注熔融金属来制造这些旋流器,这个过程被称为铸造。但是,制作模具的过程和工具不仅慢,且造价高,相对缺乏灵活性的工序让设计师难以做出改进。3D打印在此时再次发挥了作用。Studt说:“相比于许多传统制造方式,3D打印能让我们更快融入新的设计流程中,而且我们不必在设计上做出妥协。”

      这点非常重要。因为发动机的开发和测试工作是按照与飞机制造商商定的时间表来严格进行的。对于GE9X而言,飞机制造商便是波音公司。增材制造的优点体现在,当来自第一台测试发动机的测试结果出现时,团队能够及时分析、深入了解,并在第二台测试发动机上进行相应的设计改动。Petkova说,“我们有许多不同的构型,我们学到最多的是如果使用3D打印之外的其他方式,我们是无法赶上进度要求的。”

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GE9X包括七个3D打印部件。图片来源:Alex Schroff

      在ATC,团队用Concept Laser提供的机器打印了GE9X的零件,例如漩流器和导流器。Concept Laser是一家德国公司,于2016年被GE收购至增材制造部门旗下。低压涡轮叶片是由Arcam打印设备制造完成的,该公司也在2016年归入GE旗下。此外,Arcam还生产用于3D打印的金属粉末。Studt说,“我们利用GE航空和GE增材制造同处一栋大楼的优势互帮互助,让GE增材制造生产出业内一流的机器,还帮助GE航空集团制造出最好的发动机零件。”

     GE9X的各项取证测试即将全部完成,预计在今年晚些时候将获得适航认证。目前,GE航空集团生产了8台GE9X发动机及两台备发以支持波音的测试项目。前3架飞机的发动机已顺利交付,剩余发动机将会在接下来的几周内交付至西雅图。

      除了GE9X发动机,ATC的团队正在和开发Catalyst的工程师们密切合作,这将是30年来首个从零开始设计的新型涡轮螺旋桨发动机,他们采用3D打印技术将数百个发动机零件组合成十几个左右的大部件。

文章来源:GE 中国

(责任编辑:中国3D打印网)

weixin
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