歡迎閱讀關(guān)于使用Markforged 3D打印機(jī)進(jìn)行特斯拉渦輪機(jī)部件改造系列文章。我們將使用以前的教學(xué)文章中所定義的3D打印技術(shù)來設(shè)計和打印特斯拉渦輪機(jī)。我們希望通過Markforged 3D打印機(jī)所制造的特斯拉渦輪機(jī)，能夠成功的運(yùn)轉(zhuǎn)。在本文我們將討論特斯拉渦輪機(jī)的基礎(chǔ)知識和利用Onyx材料制作的渦輪機(jī)殼體介紹。

什么是特斯拉渦輪機(jī)？

（由尼古拉?特斯拉設(shè)計的原始渦輪機(jī)之一。圖片來自維基百科。）

特斯拉渦輪機(jī)是20世紀(jì)初由尼古拉?特斯拉（Nikola Tesla）申請專利的無葉片向心流渦輪機(jī)。像葉片式渦輪機(jī)一樣，它通過流體的流動轉(zhuǎn)換成能量。其使用平滑的平行圓盤，而非角度葉片來驅(qū)動傳動軸旋轉(zhuǎn)。流體進(jìn)入渦輪機(jī)外緣的圓盤與其作相切運(yùn)動，通過流體粘性和表面層的附著力強(qiáng)制渦輪旋轉(zhuǎn)。當(dāng)流體減速并失去能量時，它向渦輪的中心旋轉(zhuǎn)并通過排氣口排出。下面的GIF顯示了特斯拉渦輪機(jī)中的流體運(yùn)動和能量傳遞的過程。

（特斯拉渦輪機(jī)的運(yùn)動原理）

當(dāng)尼古拉?特斯拉（Nikola Tesla）初次創(chuàng)造了他的特斯拉渦輪（Tesla Turbine）時，他形容這是他“重要的”發(fā)明。他提出，渦輪機(jī)能夠保持90％的大能量輸出效率，而且其簡單的設(shè)計和內(nèi)部構(gòu)造可能會引發(fā)新的電氣革命。他有一個觀點(diǎn)：當(dāng)時使用的另外兩臺旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機(jī)（活塞式發(fā)動機(jī)和葉片式渦輪）制造成本高昂，并且有許多部件經(jīng)常損壞。與這兩臺機(jī)器不同，特斯拉渦輪機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常簡單。沒有復(fù)雜的功能要制造; 事實(shí)上，葉片甚至不必完全隔開。從理論上講，這是旋轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)的下一個完美改進(jìn)方案。

不幸的是，在實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn)機(jī)器有兩個關(guān)鍵的故障點(diǎn)。雖然特斯拉宣稱風(fēng)機(jī)接近完美的效率，但實(shí)際上只有約40％的效率。他對邊界層動力學(xué)的理解沒有適當(dāng)?shù)亟忉屪枇?。?0％的效率工作的渦輪機(jī)比葉片渦輪機(jī)（功率在25-30％的范圍）要好一些。如果他們能夠以遠(yuǎn)高于葉片式渦輪機(jī)的速度可靠地發(fā)電，特斯拉渦輪機(jī)將成為家喻戶曉的名字，但很顯然特斯拉渦輪機(jī)暫時無法做到。特斯拉渦輪以極高的速度旋轉(zhuǎn) - 特斯拉渦輪的原始測試以9000到36000轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋轉(zhuǎn) - 如此之快以至于渦輪機(jī)上的葉片在運(yùn)行期間會嚴(yán)重變形。正因?yàn)檫@一原因，特斯拉“重要的”發(fā)明陷入陰影之中。今天，特斯拉渦輪機(jī)作為教學(xué)道具或僅僅作為案例示范進(jìn)行小規(guī)模生產(chǎn)。他們從來沒有白白浪費(fèi)科研成果，從心而論特斯拉渦輪機(jī)仍然是一臺令人著迷的機(jī)器。

用3D打印重新設(shè)計渦輪機(jī)零件

在這個項(xiàng)目中，我們使用了奧林學(xué)院機(jī)械車間的特斯拉渦輪設(shè)計，該設(shè)計有三個核心系統(tǒng)：軸和轉(zhuǎn)子組件，軸承箱和渦輪機(jī)殼體。軸組件被軸承殼體完全包裹并且被容納進(jìn)渦輪機(jī)殼體之中。軸承箱和渦輪機(jī)殼體通過金屬定位特性和八個螺釘緊密的鐵貼合在一起。

（特斯拉渦輪機(jī)的三個子部分：軸和轉(zhuǎn)子組件（左下），軸承殼體（右下）和渦輪機(jī)殼體（后部）。）

這種渦輪機(jī)的簡單易用性能很好地適用于傳統(tǒng)機(jī)械加工。它從材料和操作上來說都有各種各樣的部件，從硬化鋼軸到聚碳酸酯外殼蓋。渦輪機(jī)上的每個部件都可以用2軸CNC機(jī)床制造出來。以下是渦輪機(jī)中加工零件的物料清單。

    渦輪機(jī)殼體：CNC銑削鋁
    軸承座：車削和CNC銑削鋁
    軸：把鋼
    軸間距：射流鋼
    葉片：水刀轉(zhuǎn)把鋼
    夾板：CNC銑削鋁
    滑輪：轉(zhuǎn)動鋁
    進(jìn)口塊：CNC銑削鋁

（原始渦輪機(jī)殼體的前視圖，CNC由鋁加工而成。）

渦輪機(jī)的某些部件不能很好地利用增材制造進(jìn)行生產(chǎn)。精度和軸向強(qiáng)度要求使得鋼軸非常難以打印，并且渦輪機(jī)葉片和墊片因重量大而受益（并因此具有大的旋轉(zhuǎn)慣性）。這是一個罕見的數(shù)據(jù)模型，這對渦輪機(jī)的強(qiáng)度重量比是非常不利的。出于這些原因，我們決定將整個軸組件（軸，墊片，葉片和夾板）單獨(dú)放置，并集中在渦輪機(jī)的外部。相反，我們主要關(guān)注兩部分：渦輪機(jī)殼體和軸承箱（我們將在下一篇文章中進(jìn)行討論）。與軸組件不同，這部分是替代品的理想選擇。通過3D打印，我們可以在保證材料強(qiáng)度的同時，大幅度減輕重量。

渦輪機(jī)殼體要求

渦輪機(jī)殼體有幾個重要的要求：首先，它需要與軸承座無縫嚙合，這意味著對于軸承座存在+ .001 / -0的誤差。重要的部分是整個外殼，一個緊密的網(wǎng)格能夠減輕振動，可能會在電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時撕裂渦輪葉片。其次，渦輪機(jī)外殼需要十六個螺紋孔;背板上安裝八個用于安裝軸承座和另外八個安裝在前蓋板上 。從結(jié)構(gòu)角度來看，聚碳酸酯蓋板是較小的部件，但在確保高壓空氣流過渦輪葉片方面是非常重要的。渦輪的空腔必須與葉片之間具有非常小的間隙嚙合。小間隙配合為葉片轉(zhuǎn)動提供了間隙，同時也使葉片和腔壁之間的間隙變小化，這將顯著的減小能耗損失。

渦輪機(jī)設(shè)計和纖維路徑鋪設(shè)

為了滿足上述要求，重新設(shè)計的渦輪機(jī)需要進(jìn)行一些小的改動。首先，我們使用單元測試來在尺寸上驗(yàn)證軸承箱網(wǎng)格所需的公差。為了達(dá)到要求的容差，我們得出結(jié)論：我們需要在CAD中減少0.002英寸的孔（注意：這不是一個通用數(shù)字，而是我們運(yùn)行的單元測試中收集到的一個數(shù)據(jù)。）。 接下來，我們將所有鋁型號的螺紋孔替換為熱固螺紋嵌件的孔。熱定型刀片是在3D打印部件中緊固的可靠方法，確保螺紋孔完美連接。

我們在整個零件中引入了同心碳纖維以加強(qiáng)設(shè)計。為了確保軸承座的安裝和應(yīng)變力不會使零件變形，我們用盡可能多的纖維環(huán)填充零件的后壁。該部分的殼體需要較少的強(qiáng)度，所以我們在每個墻層上放置了一圈纖維作為緩沖。采用這種策略，我們能夠以較少的纖維大大提高零件的環(huán)箍強(qiáng)度。一旦這個模型加載到Eiger軟件中，我們就可以開始打印了。

（在渦輪機(jī)背板中的纖維布線原理圖）

 

尺寸驗(yàn)證

雖然渦輪機(jī)身打印適用于Mark Two，但我們選擇通過Mark X7打印機(jī)進(jìn)行打印，原因很簡單：激光尺寸驗(yàn)證。通過單元測試數(shù)據(jù)結(jié)果得知，我們設(shè)定的尺寸參數(shù)應(yīng)該是準(zhǔn)確的; 現(xiàn)在，我們可以驗(yàn)證中期印刷的準(zhǔn)確性。我們配置了兩個激光掃描：一個用來檢查軸承箱的裝配特征，另一個用來檢查空腔直徑。在打印過程中，我們通過Eiger軟件對模型進(jìn)行了切片檢查，以確保尺寸的準(zhǔn)確性，尺寸掃描顯示0.0004英寸的誤差，在容差范圍內(nèi)。

（確定正確的圓直徑的尺寸激光掃描）

下一步驟

打印完成后，我們插入帶螺紋的刀片并連接鋁制軸承座。包括插入件，3D打印的渦輪170g，與570g鋁外殼相比是有顯著差距的。一旦我們驗(yàn)證了金屬外殼和軸組件可以正常運(yùn)行，我們設(shè)計并打印了軸承座，更多細(xì)節(jié)我們將在下一期文章介紹。

 （嵌入電機(jī)的3D打印特斯拉渦輪機(jī)殼體外觀）