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KW Micro Power 打造带有嵌入式冷却通道的轻型多功能微型涡轮机外壳

KW Micro Power 打造带有嵌入式冷却通道的轻型多功能微型涡轮机外壳

2021-11-17 15:59

KW Micro Power设计和制造用于商业航空和军事应用的高功率密度辅助动力装置 (APU)。他们是一家位于佛罗里达州的小型制造商,正在寻找新的尖端解决方案。在过去的五年中,KW Micro Power 的总裁恩里克·恩里克斯 (Enrique Enriquez) 不知疲倦地工作,以创造出一种微型涡轮发电机,其大小与微波炉差不​​多,它可以产生比系统大十倍的功率。

Enriquez 对航空航天设计和制造并不陌生。在他漫长而成功的职业生涯中,他领导过劳斯莱斯的工程团队,与 DARPA 合作开发了第一台微型飞行器 (MAV) VTOL 无人机微型涡轮推进系统,并购买了 Stratasys 制造的第二台 3D 打印系统。但他对当代设计软件和增材制造系统的能力感到惊讶。“我认为这就像工程的复兴,”他提到。 

在本案例研究中,我们记录了 KW Micro Power 机载微型涡轮机关键部件的设计:发电机外壳。KW Micro Power、nTopology和VELO3D 的工程师创造了一种外壳,该外壳不仅比原始设计轻得多,而且可以作为具有最少支撑结构的整体制造,而且还具有用于冷却发动机和预热燃料的内部共形通道。

航空航天轻量化 APU

KW Micro Power 提供一系列微型发电机产品,每种产品都针对不同的用例进行了优化。对于陆上应用,重量不是一个大问题。然而,对于飞机或无人机上的 APU,轻量化是重中之重——每一克都很重要。

工程团队设法将发电机的外壳重量减轻了 44% — 从大约 10.4 公斤减少到 5.9 公斤。这种显着的减重大大超出了 KW Micro Power 团队的预期。“只要减轻 20-25% 的重量,我就会非常高兴!” 恩里克斯提到。

 

重新设计的微型涡轮发电机外壳。它具有使用可变脱壳和自动平滑创建的随形冷却通道。

作为奖励,最初的CNC机加工外壳现在可以通过金属增材制造制成单件。当发动机以 90,000 rpm 的速度旋转时,一切都需要精确对齐。装配中有多个零件会增加错位的机会。这样,零件整合是提高机器可靠性的一项重要技术。

为增材制造重新设计零件是一个简单的过程。为了实现这些结果,Enriquez 的团队采用了现场驱动设计方法:

  • 他们首先使用 nTopology 的集成静态和模态分析仿真工具确认外壳上的载荷相对较小。 
  • 然后他们去除了不必要的材料,以创建一个壁厚可变的空心壳。 
  • 最后,他们平滑了内部几何形状,以确保在使用 VELO3D 的金属 AM 工艺制造过程中不需要支撑结构。 

整个过程只需要nTopology 中的几个简单的设计块,几乎是即时执行的,没有错误,并且在零件准备好制造之前花费了不到一天的时间。它还开辟了添加附加功能的机会:用于热管理的随形冷却通道。 

使用共形通道冷却电机

冷却系统是大功率能源发电系统的重要组成部分。事实上,热管理是电机的主要尺寸限制之一。简而言之,更好的冷却意味着更多的功率。

高效冷却可最大限度地减少发电机热点,实现更高的电流密度,减少欧姆损耗,并减轻机器部件(尤其是绕组和磁铁)的热应力。这会提高发电系统的效率和扭矩、减轻重量、延长机器寿命并降低维护成本。

在这个项目中,KW Micro Power 抓住机会将多种功能整合到同一个组件中。最初旨在减轻电机外壳重量的中空结构也可以用作冷却通道。

nTopology 中进行的微型涡轮发电机外壳的热分析结果。

该团队通过模拟评估了随形冷却通道对系统性能的影响。他们将nTopology 中的热有限元分析结果与 Ansys Fluent 中的 CFD 仿真结果相结合。

结果显示部件的工作温度显着降低最高温度降低了33% ,而在发电机的外部温度下降了86%和下降到27℃,使之可以安全触摸。

这种温度下降允许使用铝作为发电机外壳的材料。如果没有随形冷却通道,KW Micro Power 可能会被迫使用具有更高热阻的材料——增加成本——或者以较低的速度运行他们的发电机——限制其功率输出。 

创建随形冷却通道对于 KW Micro Power 来说并不是一个新概念。Enriquez 的团队过去曾对带有内部螺旋的测试部件进行过试验,并取得了巨大成功。不过,这是他们第一次将这一概念应用于微型涡轮机的一个部件。

该团队试验了不同的冷却介质。一个非常有吸引力的选择是发动机燃料。使用燃料作为传热介质,利用飞机上已有的液体冷却发动机,并根据模拟结果将燃料本身从室温预热到 55°C,从而提高燃烧过程的效率。

从设计到制造

发电机外壳的新设计由 VELO3D 在该公司的 F357 铝蓝宝石金属 3D 打印系统上制造。这种铸造级铝合金可以进行阳极氧化处理,并通过了关键任务应用的认证。

制造的微型涡轮发电机外壳-仍然连接到构建床上。

在设计阶段就考虑了 VELO3D 的 LPBF 增材制造系统的功能,以创建具有最少支撑结构和后处理要求的可制造零件。 

VELO3D 的 SupportFree 技术和对处理参数的严格控制与 nTopology 等高级工程设计软件提供的无与伦比的控制水平完美匹配。使用这种先进工具的组合,KW Micro Power 利用尖端技术消除了产品开发中的障碍——从设计到制造。

“该组件证明了利用下一代设计和制造工具的积极工程公司可以实现的目标。KW Micro Power 能够使用 nTopology 的独特功能来设计专门针对应用优化的部件,并且使用 VELO3D 的制造技术意味着在可制造性方面没有任何妥协。”VELO3D 销售副总裁 Zachary Murphree

先进产品开发的工程协作

KW Micro Power 是一家小型航空航天工程和制造公司。因此,Enriquez 利用外部合作伙伴网络(如 nTopology 和 VELO3D)来突破其领域的界限。“我喜欢与真正了解自己在做什么并且能够突破工程极限的人一起工作,”他说。

至于他使用 nTopology 的经验,Enriquez 指出:

“对我来说没有什么是足够快的,但在 nTopology 中一切都是即时的。我可以做我想做的事情,而其他设计工具是不可能做到的。我认为这就像工程的复兴。过去,我们总是在外面工作。现在,我们可以控制设计几何形状及其微观结构的方方面面。如果您想让喷气发动机和 APU 更轻、更高效,这就是方法!”KW Micro Power 总裁 Enrique Enriquez

该团队还利用广泛的模拟包来测试疲劳强度、抓地力、拉出断裂力以及起飞和着陆期间的行为的候选解决方案。这些模拟使他们能够将实验验证步骤限制在最低限度,从而加速他们的开发过程。

源文摘自:nTopology

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