利用3D打印设计特斯拉涡轮机(一)

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发布时间:2018-03-12下载次数:77 次

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欢迎阅读关于使用Markforged 3D打印机进行特斯拉涡轮机部件改造系列文章。我们将使用以前的教学文章中所定义的3D打印技术来设计和打印特斯拉涡轮机。我们希望通过Markforged 3D打印机所制造的特斯拉涡轮机,能够成功的运转。在本文我们将讨论特斯拉涡轮机的基础知识和利用Onyx材料制作的涡轮机壳体介绍。

什么是特斯拉涡轮机?

(由尼古拉•特斯拉设计的原始涡轮机之一。图片来自维基百科。)

特斯拉涡轮机是20世纪初由尼古拉•特斯拉(Nikola Tesla)申请专利的无叶片向心流涡轮机。像叶片式涡轮机一样,它通过流体的流动转换成能量。其使用平滑的平行圆盘,而非角度叶片来驱动传动轴旋转。流体进入涡轮机外缘的圆盘与其作相切运动,通过流体粘性和表面层的附着力强制涡轮旋转。当流体减速并失去能量时,它向涡轮的中心旋转并通过排气口排出。下面的GIF显示了特斯拉涡轮机中的流体运动和能量传递的过程。

当尼古拉•特斯拉(Nikola Tesla)初次创造了他的特斯拉涡轮(Tesla Turbine)时,他形容这是他“重要的”发明。他提出,涡轮机能够保持90%的能量输出效率,而且其简单的设计和内部构造可能会引发新的电气革命。他有一个观点:当时使用的另外两台旋转式发动机(活塞式发动机和叶片式涡轮)制造成本高昂,并且有许多部件经常损坏。与这两台机器不同,特斯拉涡轮机内部结构非常简单。没有复杂的功能要制造; 事实上,叶片甚至不必完全隔开。从理论上讲,这是旋转发动机的下一个完美改进方案。

不幸的是,在实际测试中发现机器有两个关键的故障点。虽然特斯拉宣称风机接近完美的效率,但实际上只有约40%的效率。他对边界层动力学的理解没有适当地解释阻力。以40%的效率工作的涡轮机比叶片涡轮机(功率在25-30%的范围)要好一些。如果他们能够以远高于叶片式涡轮机的速度可靠地发电,特斯拉涡轮机将成为家喻户晓的名字,但很显然特斯拉涡轮机暂时无法做到。特斯拉涡轮以极高的速度旋转 - 特斯拉涡轮的原始测试以9000到36000转/分钟的速度旋转 - 如此之快以至于涡轮机上的叶片在运行期间会严重变形。正因为这一原因,特斯拉“重要的”发明陷入阴影之中。今天,特斯拉涡轮机作为教学道具或仅仅作为案例示范进行小规模生产。他们从来没有白白浪费科研成果,从心而论特斯拉涡轮机仍然是一台令人着迷的机器。

用3D打印重新设计涡轮机零件

在这个项目中,我们使用了奥林学院机械车间的特斯拉涡轮设计,该设计有三个核心系统:轴和转子组件,轴承箱和涡轮机壳体。轴组件被轴承壳体完全包裹并且被容纳进涡轮机壳体之中。轴承箱和涡轮机壳体通过金属定位特性和八个螺钉紧密的铁贴合在一起。

(特斯拉涡轮机的三个子部分:轴和转子组件(左下),轴承壳体(右下)和涡轮机壳体(后部)。)

这种涡轮机的简单易用性能很好地适用于传统机械加工。它从材料和操作上来说都有各种各样的部件,从硬化钢轴到聚碳酸酯外壳盖。涡轮机上的每个部件都可以用2轴CNC机床制造出来。以下是涡轮机中加工零件的物料清单。

    涡轮机壳体:CNC铣削铝
    轴承座:车削和CNC铣削铝
    轴:把钢
    轴间距:射流钢
    叶片:水刀转把钢
    夹板:CNC铣削铝
    滑轮:转动铝
    进口块:CNC铣削铝

(原始涡轮机壳体的前视图,CNC由铝加工而成。)

涡轮机的某些部件不能很好地利用增材制造进行生产。精度和轴向强度要求使得钢轴非常难以打印,并且涡轮机叶片和垫片因重量大而受益(并因此具有大的旋转惯性)。这是一个罕见的数据模型,这对涡轮机的强度重量比是非常不利的。出于这些原因,我们决定将整个轴组件(轴,垫片,叶片和夹板)单独放置,并集中在涡轮机的外部。相反,我们主要关注两部分:涡轮机壳体和轴承箱(我们将在下一篇文章中进行讨论)。与轴组件不同,这部分是替代品的理想选择。通过3D打印,我们可以在保证材料强度的同时,大幅度减轻重量。

涡轮机壳体要求

涡轮机壳体有几个重要的要求:首先,它需要与轴承座无缝啮合,这意味着对于轴承座存在+ .001 / -0的误差。重要的部分是整个外壳,一个紧密的网格能够减轻振动,可能会在电机高速旋转时撕裂涡轮叶片。其次,涡轮机外壳需要十六个螺纹孔;背板上安装八个用于安装轴承座和另外八个安装在前盖板上 。从结构角度来看,聚碳酸酯盖板是较小的部件,但在确保高压空气流过涡轮叶片方面是非常重要的。涡轮的空腔必须与叶片之间具有非常小的间隙啮合。小间隙配合为叶片转动提供了间隙,同时也使叶片和腔壁之间的间隙变小化,这将显着的减小能耗损失。

涡轮机设计和纤维路径铺设

为了满足上述要求,重新设计的涡轮机需要进行一些小的改动。首先,我们使用单元测试来在尺寸上验证轴承箱网格所需的公差。为了达到要求的容差,我们得出结论:我们需要在CAD中减少0.002英寸的孔(注意:这不是一个通用数字,而是我们运行的单元测试中收集到的一个数据。)。 接下来,我们将所有铝型号的螺纹孔替换为热固螺纹嵌件的孔。热定型刀片是在3D打印部件中紧固的可靠方法,确保螺纹孔完美连接。

我们在整个零件中引入了同心碳纤维以加强设计。为了确保轴承座的安装和应变力不会使零件变形,我们用尽可能多的纤维环填充零件的后壁。该部分的壳体需要较少的强度,所以我们在每个墙层上放置了一圈纤维作为缓冲。采用这种策略,我们能够以较少的纤维大大提高零件的环箍强度。一旦这个模型加载到Eiger软件中,我们就可以开始打印了。

(在涡轮机背板中的纤维布线原理图)

 

尺寸验证

虽然涡轮机身打印适用于Mark Two,但我们选择通过Mark X7打印机进行打印,原因很简单:激光尺寸验证。通过单元测试数据结果得知,我们设定的尺寸参数应该是准确的; 现在,我们可以验证中期印刷的准确性。我们配置了两个激光扫描:一个用来检查轴承箱的装配特征,另一个用来检查空腔直径。在打印过程中,我们通过Eiger软件对模型进行了切片检查,以确保尺寸的准确性,尺寸扫描显示0.0004英寸的误差,在容差范围内。

(确定正确的圆直径的尺寸激光扫描)

下一步骤

打印完成后,我们插入带螺纹的刀片并连接铝制轴承座。包括插入件,3D打印的涡轮170g,与570g铝外壳相比是有显著差距的。一旦我们验证了金属外壳和轴组件可以正常运行,我们设计并打印了轴承座,更多细节我们将在下一期文章介绍。

 (嵌入电机的3D打印特斯拉涡轮机壳体外观)