利用3D列印設計特斯拉渦輪機(一)

03-14

歡迎閱讀關於使用Markforged 3D印表機進行特斯拉渦輪機部件改造系列文章。我們將使用以前的教學文章中所定義的3D列印技術來設計和列印特斯拉渦輪機。最後，我們希望通過Markforged 3D印表機所製造的特斯拉渦輪機，能夠成功的運轉。在本文我們將討論特斯拉渦輪機的基礎知識和利用Onyx材料製作的渦輪機殼體介紹。

什麼是特斯拉渦輪機？

（由尼古拉·特斯拉設計的原始渦輪機之一。圖片來自維基百科。）

特斯拉渦輪機是20世紀初由尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）申請專利的無葉片向心流渦輪機。像葉片式渦輪機一樣，它通過流體的流動轉換成能量。其使用平滑的平行圓盤，而非角度葉片來驅動傳動軸旋轉。流體進入渦輪機外緣的圓盤與其作相切運動，通過流體粘性和表面層的附著力強制渦輪旋轉。當流體減速並失去能量時，它向渦輪的中心旋轉並通過排氣口排出。下面的GIF顯示了特斯拉渦輪機中的流體運動和能量傳遞的過程。

（特斯拉渦輪機的運動原理）

當尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）初次創造了他的特斯拉渦輪（Tesla Turbine）時，他形容這是他「最重要的」發明。他提出，渦輪機能夠保持90％的最大能量輸出效率，而且其簡單的設計和內部構造可能會引發新的電氣革命。他有一個觀點：當時使用的另外兩台旋轉式發動機（活塞式發動機和葉片式渦輪）製造成本高昂，並且有許多部件經常損壞。與這兩台機器不同，特斯拉渦輪機內部結構非常簡單。沒有複雜的功能要製造; 事實上，葉片甚至不必完全隔開。從理論上講，這是旋轉發動機的下一個完美改進方案。

不幸的是，在實際測試中發現機器有兩個關鍵的故障點。雖然特斯拉宣稱風機接近完美的效率，但實際上只有約40％的效率。他對邊界層動力學的理解沒有適當地解釋阻力。以40％的效率工作的渦輪機比葉片渦輪機（功率在25-30％的範圍）要好一些。如果他們能夠以遠高於葉片式渦輪機的速度可靠地發電，特斯拉渦輪機將成為家喻戶曉的名字，但很顯然特斯拉渦輪機暫時無法做到。特斯拉渦輪以極高的速度旋轉 - 特斯拉渦輪的原始測試以9000到36000轉/分鐘的速度旋轉 - 如此之快以至於渦輪機上的葉片在運行期間會嚴重變形。正因為這一原因，特斯拉「最重要的」發明陷入陰影之中。今天，特斯拉渦輪機作為教學道具或僅僅作為案例示範進行小規模生產。他們從來沒有白白浪費科研成果，從心而論特斯拉渦輪機仍然是一台令人著迷的機器。

用3D列印重新設計渦輪機零件

在這個項目中，我們使用了奧林學院機械車間的特斯拉渦輪設計，該設計有三個核心系統：軸和轉子組件，軸承箱和渦輪機殼體。軸組件被軸承殼體完全包裹並且被容納進渦輪機殼體之中。軸承箱和渦輪機殼體通過金屬定位特性和八個螺釘緊密的鐵貼合在一起。

特斯拉渦輪機的三個子部分：軸和轉子組件（左下），軸承殼體（右下）和渦輪機殼體（後部）

這種渦輪機的簡單易用性能很好地適用於傳統機械加工。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。渦輪機上的每個部件都可以用2軸CNC機床製造出來。以下是渦輪機中加工零件的物料清單。

渦輪機殼體：CNC銑削鋁

Bearing Holder: Turned and CNC Milled Aluminum

軸承座：車削和CNC銑削鋁

Shaft: Turned Steel

軸：把鋼

Shaft Spacers: Waterjet Steel

軸間距：射流鋼

Blades: Waterjet then Turned Steel

葉片：水刀轉把鋼

Clamp Plate: CNC Milled Aluminum

夾板：CNC銑削鋁

Pulley: Turned Aluminum

滑輪：轉動鋁

Inlet Block: CNC Milled Aluminum

進口塊：CNC銑削鋁

原始渦輪機殼體的前視圖，CNC由鋁加工而成

渦輪機的某些部件不能很好地利用增材製造進行生產。精度和軸向強度要求使得鋼軸非常難以列印，並且渦輪機葉片和墊片因重量大而受益（並因此具有大的旋轉慣性）。這是一個罕見的數據模型，這對渦輪機的強度重量比是非常不利的。出於這些原因，我們決定將整個軸組件（軸，墊片，葉片和夾板）單獨放置，並集中在渦輪機的外部。相反，我們主要關注兩部分：渦輪機殼體和軸承箱（我們將在下一篇文章中進行討論）。與軸組件不同，這部分是最為替代品的理想選擇。通過3D列印，我們可以在保證材料強度的同時，大幅度減輕重量。

渦輪機殼體要求

渦輪機殼體有幾個重要的要求：首先，它需要與軸承座無縫嚙合，這意味著對於軸承座最多存在+ .001 / -0的誤差。最重要的部分是整個外殼，一個緊密的網格能夠減輕振動，可能會在電機高速旋轉時撕裂渦輪葉片。其次，渦輪機外殼需要十六個螺紋孔;背板上安裝八個用於安裝軸承座和另外八個安裝在前蓋板上。從結構角度來看，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。最後，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動提供了間隙，同時也使葉片和腔壁之間的間隙最小化，這將顯著的減小能耗損失。

渦輪機設計和纖維路徑鋪設

為了滿足上述要求，重新設計的渦輪機需要進行一些小的改動。首先，我們使用單元測試來在尺寸上驗證軸承箱網格所需的公差。為了達到要求的容差，我們得出結論：我們需要在CAD中減少0.002英寸的孔（注意：這不是一個通用數字，而是我們運行的單元測試中收集到的一個數據。）。

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列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設計。為了確保軸承座的安裝和應變力不會使零件變形，我們用儘可能多的纖維環填充零件的後壁。該部分的殼體需要較少的強度，所以我們在每個牆層上放置了一圈纖維作為緩衝。採用這種策略，我們能夠以最少的纖維大大提高零件的環箍強度。一旦這個模型載入到Eiger軟體中，我們就可以開始列印了。

在渦輪機背板中的纖維布線原理圖

尺寸驗證

雖然渦輪機身列印適用於Mark Two，但最終我們選擇通過Mark X7印表機進行列印，原因很簡單：激光尺寸驗證。通過單元測試數據結果得知，我們設定的尺寸參數應該是準確的; 現在，我們可以驗證中期印刷的準確性。我們配置了兩個激光掃描：一個用來檢查軸承箱的裝配特徵，另一個用來檢查空腔直徑。在列印過程中，我們通過Eiger軟體對模型進行了切片檢查，以確保尺寸的準確性，尺寸掃描顯示0.0004英寸的誤差，在容差範圍內。

確定正確的圓直徑的尺寸激光掃描

下一步驟

嵌入電機的3D列印特斯拉渦輪機殼體外觀

列印完成後，我們插入帶螺紋的刀片並連接鋁製軸承座。包括插入件，3D列印的渦輪170g，與570g鋁外殼相比是有顯著差距的。一旦我們驗證了金屬外殼和軸組件可以正常運行，我們設計並列印了軸承座，更多細節我們將在下一期文章介紹。