GKN通過3D打印開發(fā)新型渦輪排氣模塊，提高發(fā)動機效率

2022年10月14日，南極熊獲悉，作為歐盟Clean Sky-2 EMVAL項目的一部分，制造公司吉凱恩（GKN）航空航天公司已經生產并向德國發(fā)動機公司MTU交付了一個3D打印渦輪排氣模塊。作為仍在開發(fā)中的小型發(fā)動機版本，這款新部件比現(xiàn)有的同類產品輕五分之一，總體上更有效率，同時在150°C下運行，這一切都歸功于3D打印技術。

吉凱恩渦輪機排氣模塊的3D打印技術

渦輪機排氣模塊的關鍵是渦輪機排氣箱（TEC），它處理來自低壓渦輪機的發(fā)動機排氣，對其進行冷卻和傳輸。TEC必須盡可能有效地輸送這些高溫氣體，因此需要高強度和耐高溫的材料，以及優(yōu)化的結構設計。為了實現(xiàn)這一目標，GKN轉向了金屬增材制造，對TEC的大部分進行3D打印，以減輕重量并優(yōu)化其葉片設計。

吉凱恩航空航天公司的技術項目經理拉爾斯-埃布蘭特（Lars Ellbrant）說："這種示范項目對吉凱恩航空航天公司來說絕對是至關重要的，因為它可以與國際合作伙伴一起使用完整的發(fā)動機測試，在高TRL水平（TRL 5-6）上驗證我們的新技術。

△Clean Sky-2項目

Clean Sky-2計劃的目的是開發(fā)更多的可持續(xù)航空技術，花費超過40億美元，使歐洲在2050年實現(xiàn)碳中和。它也是對歐洲航空制造業(yè)的一種刺激，聯(lián)合了從空客、霍尼韋爾、漢莎技術公司到賽峰集團和西門子的眾多航空企業(yè)。具體的目標似乎是雄心勃勃的：提高飛機燃油效率，減少20-30%的二氧化碳排放，減少20-30%的氮氧化物和噪音排放。

整個計劃涵蓋了大量的內容，但是，最終的落腳點還是發(fā)動機的性能。就目前而言，飛機3D打印領域的很多注意力都集中在渦輪葉片以及支架等部件上，但還有很多地方需要優(yōu)化。

一般來說，如果我們看一下渦輪風扇發(fā)動機，如上圖所示，我們已經可以看到，當空氣流經發(fā)動機時，有很多事情正在發(fā)生。氣流的任何優(yōu)化都可以提高發(fā)動機的性能。如果燃燒或氣流可以被精簡，發(fā)動機就可以獲得更高的效率。這也可以通過使部件（如葉片）更輕來實現(xiàn)。任何用增材制造進行的部件整合同樣可以以某種方式優(yōu)化能量的流動。

大規(guī)模的航空3D打印

吉凱恩已經在3D打印方面進行了大量投資，與Conflux、Additive Industries、惠普和其他公司合作。GKN是一家重要的航空航天公司，參與了A350XWB、F35閃電等項目的航空結構和推進工作。吉凱恩已經收購了Forecast3D，總體而言，它是增材制造領域的一個大玩家。然而，它只有大約90億英鎊的收入，在航空航天領域是一個相對的小魚。它在這個項目中的客戶，德國MTU航空發(fā)動機公司，也是一個強大的公司，在航空發(fā)動機領域有40億美元的收入，但商業(yè)航空發(fā)動機領域的價值約為800億美元，據(jù)說維修市場要大七倍。同時，軍用航空是一個額外的500億美元的市場。

在商業(yè)領域，最大的供應商是CFM，它是GE和賽峰集團的合資企業(yè)。普拉特-惠特尼（Pratt-Whitney）公司排名第二，其次是通用電氣（GE），然后是勞斯萊斯。在某些情況下，如GEnx項目，GE與合作伙伴共同參與一個發(fā)動機項目。例如，MTU擁有GEnx的6.5%股份。同時，GE9X項目是75%的GE公司和25%的IHI公司、斯奈克瑪和Techspace Aero（賽峰集團）以及MTU公司共享。

IHI還為羅爾斯-羅伊斯的特倫特項目生產零件。A380發(fā)動機GP7000的維護工作將由MTU在德國完成。部分維護工作被外包給Kota Damansara，這是一家MTU和漢莎技術公司在馬來西亞的合資企業(yè)。GP7000本身是由發(fā)動機聯(lián)盟開發(fā)的，它是通用電氣和普惠公司的合資企業(yè)。

然后，PW1100G-JM是普惠公司為空客A320 neo開發(fā)的發(fā)動機，由普惠公司與合作伙伴MTU和日本航空發(fā)動機公司開發(fā)。日本航空發(fā)動機公司則是川崎重工、IHI和三菱重工的合資企業(yè)。日本航空發(fā)動機公司還參與了通用電氣GEnx、羅爾斯-羅伊斯Trent 1000、通用電氣Passport 20和通用電氣GE9X的開發(fā)。它也是國際航空發(fā)動機公司的一部分，該公司有普拉特和MTU作為其合作伙伴。

發(fā)動機市場是一個由合作者和競爭者交織而成的結構，他們共同致力于這個世界上一些技術要求最高的項目。通用電氣有個別的多年維修協(xié)議，其價值超過了整個3D打印行業(yè)的收入。在2022年初，它與卡塔爾達成了68億美元的GE9X發(fā)動機交易。CFM已經為其LEAP發(fā)動機達成了超過1510億美元清單價格的交易。在發(fā)動機市場的這種復雜性和交易中，MTU與吉凱恩的合作被視為是他們加強個人能力和合作能力的一種方式。

在航空發(fā)動機上的任何微小的優(yōu)勢都會產生相當大的影響。發(fā)動機平臺的開發(fā)和建造需要花費數(shù)十億美元，需要來自世界各地的資本。零件在全世界范圍內制造，風險是共同的。航空公司，通常由政府擁有，然后挑選發(fā)動機并簽訂維修合同。贏得這些合同不僅對公司的利潤有很大影響，而且對當?shù)氐墓�業(yè)區(qū)也有影響。如果合同的結果相反，可能會創(chuàng)造或失去許多就業(yè)機會。這反過來又會對政治家和當?shù)氐貐^(qū)產生影響。這確實意味著質量不是你下一個引擎的唯一考慮因素。從正面看，這些公司都有很強的能力，都有追求最高質量的目標。質量系統(tǒng)和分析在他們的存在中起著重要作用。作為一個行業(yè)，我們只能希望我們能一點一點地被引入，成為大型引擎游戲中的一個主要成功因素。