盤點粉末床金屬熔融3D打印技術應用于燃氣輪機領域的生產(chǎn)案例

通過3D打印技術制造優(yōu)化的關鍵零件，從而提升設備的整體性能，使得設備在市場競爭中脫穎而出，這才是3D打印最值得去追求的“風口”，尤其是對于附加值高的設備或產(chǎn)品來說。GE、西門子、Turbocam、曼等一直致力于通過3D打印技術用于葉片和渦輪的制造。而如今，不僅僅是渦輪葉片，包括燃燒室內(nèi)的核心不僅也逐漸采用3D打印技術來完成。3D打印技術與燃氣輪機的制造可以說是通過提升燃氣輪機發(fā)電效益來獲取附加值放大的一個結合過程。接下來通過盤點國際上粉末床金屬熔融3D打印技術應用于燃氣輪機領域的生產(chǎn)案例來與谷友領略：3D打印技術“四兩撥千斤”的價值放大效應。

-- GE
GE位于美國格林威爾的先進制造技術研究中心-“GE Store”孵化器是由GE電力投資7500萬美元興建的。它就在GE巨大的格林維爾制造園區(qū)旁邊，格林維爾制造園區(qū)是個巨大的工廠，GE電力在那里制造世界最大的燃氣輪機，燃氣輪機重達數(shù)百噸但零件的精度卻達到極其苛刻的程度。

GE HArriet憑借3D打印制造技術，打破了自己的凈效率記錄。在格林維爾工廠的測試中以64%的聯(lián)合循環(huán)效率擊敗了自身之前的設計。GE將HArriet效率的提升歸功于“通過不斷創(chuàng)新帶來的燃燒效率突破”，而這里面的創(chuàng)新則離不開3D打印技術所制造的汽輪機的多個關鍵部件

金屬3D打印被應用到燃燒系統(tǒng)的設計優(yōu)化方面。金屬3D打印所實現(xiàn)了更復雜的幾何形狀，使得工程師可以改進燃氣輪機中的燃料和空氣的預混合，以實現(xiàn)最大的發(fā)電效率。

GE于2017年1月24日獲批的專利中，內(nèi)容包括燃料噴射器主體和冷卻系統(tǒng)的制造技術。燃氣輪機一般包括壓縮機部分、具有燃燒器的燃燒部分和渦輪部分。壓縮機部分逐漸增加工作流體的壓力，以便向燃燒部分提供壓縮的工作流體。燃料被注入壓縮工作流體中以形成可燃混合物。

可燃混合物在燃燒室內(nèi)燃燒以產(chǎn)生具有高溫、壓力和速度的燃燒氣體。較高的燃燒氣體溫度可以提高燃燒器的熱力學效率。較高的燃燒氣體溫度可提高雙原子氮的分解率，相反，較低的燃燒氣體溫度普遍降低了燃燒氣體的化學反應速率，從而增加生產(chǎn)的一氧化碳（CO）和未燃燒的碳氫化合物（UHCS）在燃燒室的停留時間。

為了平衡燃燒器的整體排放性能和熱效率，某些燃燒器設計包括多個燃料噴射器，該燃料噴射器布置在襯墊周圍，并且通常從主燃燒區(qū)下游定位。燃料噴射器一般通過襯墊徑向延伸，以將流體連通到燃燒氣體流場中。

為了克服燃燒氣體流場中燃燒氣體的高動量，必須通過噴油器引導大量壓縮空氣以將燃料充分推入燃燒氣流中。燃料必須在相對較高的壓力下供給，以充分推動燃料進入燃燒氣體流場。

解決這些問題的當前解決方案包括將燃料噴射器的少一部分通過襯里向內(nèi)徑延伸到燃燒氣體流場中。然而，這種方法將燃料噴射器暴露在熱燃燒氣體中，可能會影響組件的機械壽命和導致燃料焦炭積累。根據(jù)3D科學谷的市場研究，GE改進了用于將燃料噴射器延伸到燃燒氣體流場中的冷卻系統(tǒng)。

GE于2017年1月24日獲批的專利包括燃料噴射器主體，包括確定主體包括冷卻通道的三維建模信息，將三維建模切分成多個切片橫斷層，并通過電子束融化技術將各層融化凝固起來，從而制造出燃料噴射器主體。

GE獲批的專利還包括用于冷卻延伸到燃燒氣體流場的燃料噴射器的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括通過燃燒室限定燃燒氣流路徑的襯里、通過襯里延伸的燃料噴射器開口和燃料噴射器。

噴油器主體采用粉末床激光熔融或電子束熔融EBM技術制造。激光熔融增材制造工藝允許更復雜冷卻通道模式，這樣的通道幾乎無法通過傳統(tǒng)的制造方法制造。此外，增材制造減少潛在的泄漏和其他潛在的不良影響，例如通過傳統(tǒng)方法需要有多個組件釬焊或結合在一起以形成冷卻通道，這不僅僅增加了工藝的復雜性和程序，還帶來了潛在的質(zhì)量隱患。

通過激光熔融技術，每層的尺寸在0.0005英寸到大約0.001英寸之間。GE在該專利中所使用的是（但不限于）EOSINT™ M 270 , 以及PHENIX PM250, 或者EOSINT™ M 250 。根據(jù)3D科學谷的市場研究，GE所采用的金屬粉末成分中含有鈷鉻，例如（但不限于）HS1888和INCO625。金屬粉末的粒徑大約在10微米到74微米之間，最好是在大約15微米和大約30微米之間。

-- 西門子
葉片
西門子3D打印的葉片被安裝在功率為13兆瓦（MW）的西門子SGT-400工業(yè)燃氣輪機上。渦輪葉片由高性能多晶鎳高溫合金粉末制成，這允許它們承受高壓、高溫和渦輪高速運轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)力。滿載時，這些渦輪葉片運轉(zhuǎn)速度高達1600公里/小時，被溫度高達1250°C的空氣包圍后又進入400°C的空氣冷卻環(huán)境。

這些葉片來自與西門子收購的Materials Solutions公司，Materials Solutions的核心競爭力來自于其對選擇性激光熔融材料的控制能力。最擅長的領域包括Inconel 625, Inconel 718,以及鎳基合金包括Hasteloy X, C263, C1023, CM247LC。通過實現(xiàn)對材料在加工過程中的控制，Materials Solutions發(fā)展了自己的核心競爭力：對諸如葉片這樣的高溫合金的加工能力，不僅是性能優(yōu)越，而且其幾何形狀也是通過傳統(tǒng)加工方式無法實現(xiàn)的。

西門子用于測試這些葉片性能的工廠位于英國的林肯，在這里葉片通過測試后被放入到真實的工作環(huán)境中。而根據(jù)西門子能源部門的專家，這些帶有復雜內(nèi)部冷卻形狀的葉片為渦輪提供了更好的效率。而葉片的生產(chǎn)則通過位于美國Worcester的工廠來完成。

燃燒器
西門子在其位于瑞典Finspong的工廠內(nèi)利用3D打印技術生產(chǎn)燃氣輪機部件。3D打印技術為在現(xiàn)場生產(chǎn)中實現(xiàn)在過去被視為不可能的設計打開了一扇大門，從而讓新的業(yè)務模式，特別是服務模式，成為了可能。

在瑞典Finspong的工廠內(nèi)內(nèi)，裝配工人打開一臺SGT- 800燃氣輪機的蓋子去安裝30個用于驅(qū)動輪機葉片的燃燒器。這些啞光灰的燃燒器被存放在手推車上，靜靜等待安裝。盡管設計復雜，它們幾乎沒有任何可見的焊縫。

圖：不僅僅是燃燒器頭，燃氣輪機旋流器也在這里加工出來。

在新的燃氣輪機中，焊接燃燒器頭將被采用3D打印技術生產(chǎn)的部件取而代之。借助3D制造技術生產(chǎn)出的燃燒器頭部件外壁有許多開口，而內(nèi)部則是可用于測試替代燃料（主要是氫氣或合成氣體）的框架式結構。這些替代燃料氣體通常是工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣。盡管工廠經(jīng)營者很想對這些廢氣加以利用，但卻無法遂愿，因為這要求燃燒器均勻地混合這些氣體。然而現(xiàn)在，借助這種框架式結構，這一過程將被實現(xiàn)。這種結構允許新的燃燒器在天然氣中混入最多60%的氫氣。這是一個革命性數(shù)字。在過去，由于諸如熔鑄和焊接等傳統(tǒng)重工業(yè)工藝不能生產(chǎn)出可實現(xiàn)高混合比例的結構, 氫氣混合比例只能達到幾個百分點。


3D打印技術不僅被用于新零件新設計的制造，還被用于再制造。自2013年起，F(xiàn)inspong工廠分布式發(fā)電服務業(yè)務團隊就一直在再制造舊燃燒器頭。檢修技術人員將已持續(xù)工作約三萬小時的燃燒器頭從燃氣輪機上拆卸下來并送往西門子Finspong工廠。在這里，技術人員將磨損燃燒器頭頂部的兩厘米去掉，再在上面重新打印出這個部分。在3D打印裝置里待了不到20個小時之后，舊燃燒器便完好如新，可以重新安裝使用了。由于停工會造成巨大損失，技術人員會立即用再制造部件替代舊燃燒器。除現(xiàn)場翻新等優(yōu)點之外，再制造部件通常有助于電廠經(jīng)營者提高發(fā)電量。這是因為“效率可以提高最多1%。另一個進步是使用新型打印材料，包括能夠耐受燃燒器尖端部位1500攝氏度高溫的極為耐用的鎳基材料。

圖：維修過程中，增強現(xiàn)實眼鏡可支持遠程指導。

-- 曼
德國柴油發(fā)動機和渦輪機制造商MAN Diesel＆Turbo也從10余年前就啟動了燃氣輪機零部件的3D打印研發(fā)項目，在產(chǎn)品性能發(fā)面，MAN Diesel＆Turbo研發(fā)的金屬3D打印導向葉片已被安裝在MGT6100燃氣輪機中進行測試，經(jīng)過實際環(huán)境的驗證，MAN Diesel＆Turbo認為金屬3D打印零件在實現(xiàn)渦輪機能源脫碳，節(jié)能環(huán)保等方面發(fā)揮了價值。

另一方面，金屬3D打印技術提升了產(chǎn)品迭代的速度，MAN Diesel＆Turbo研發(fā)團隊能夠在短時間內(nèi)快速制造出少量產(chǎn)品進行產(chǎn)品驗證，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。除了加速了新產(chǎn)品的研發(fā)，金屬3D打印技術還將在備品備件的供應鏈中發(fā)揮出作用，當客戶有需要的時候，MAN Diesel＆Turbo 可以隨時將產(chǎn)品的數(shù)字設計模型打印出來，在短時間內(nèi)為客戶安裝備件。在這種情況下，MAN Diesel＆Turbo的用戶無需擔心在長期使用渦輪機之后，無法更換到匹配的備件。

在探索3D打印零部件制造的過程中，MAN Diesel＆Turbo與德國Fraunhofer激光技術研究所等具有豐富增材制造經(jīng)驗的合作伙伴進行了緊密合作。

接下來，MAN Diesel＆Turbo將更加深入的推進3D打印技術在生產(chǎn)中的應用，挖掘3D打印技術的價值。目前，MAN Diesel＆Turbo 投入了260萬歐元，建立“MAN 增材制造中心”，該中心設立在MAN Diesel＆Turbo位于德國的渦輪機工廠中。設計專家，材料專家和工程師將在增材制造中心共同工作，使用3D打印技術開發(fā)更多的復雜零部件，如壓縮機葉輪和燃料噴嘴。

來源：3D科學谷