盤(pán)點(diǎn)粉末床金屬熔融3D打印技術(shù)應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域的生產(chǎn)案例

通過(guò)3D打印技術(shù)制造優(yōu)化的關(guān)鍵零件，從而提升設(shè)備的整體性能，使得設(shè)備在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，這才是3D打印最值得去追求的“風(fēng)口”，尤其是對(duì)于附加值高的設(shè)備或產(chǎn)品來(lái)說(shuō)。GE、西門(mén)子、Turbocam、曼等一直致力于通過(guò)3D打印技術(shù)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(shù)來(lái)完成。3D打印技術(shù)與燃?xì)廨啓C(jī)的制造可以說(shuō)是通過(guò)提升燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效益來(lái)獲取附加值放大的一個(gè)結(jié)合過(guò)程。接下來(lái)通過(guò)盤(pán)點(diǎn)國(guó)際上粉末床金屬熔融3D打印技術(shù)應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域的生產(chǎn)案例來(lái)與谷友領(lǐng)略：3D打印技術(shù)“四兩撥千斤”的價(jià)值放大效應(yīng)。

-- GE
GE位于美國(guó)格林威爾的先進(jìn)制造技術(shù)研究中心-“GE Store”孵化器是由GE電力投資7500萬(wàn)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(gè)巨大的工廠，GE電力在那里制造世界最大的燃?xì)廨啓C(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)重達(dá)數(shù)百?lài)嵉�零件的精度卻達(dá)到極其苛刻的程度。

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

金屬3D打印被應(yīng)用到燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化方面。金屬3D打印所實(shí)現(xiàn)了更復(fù)雜的幾何形狀，使得工程師可以改進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)中的燃料和空氣的預(yù)混合，以實(shí)現(xiàn)最大的發(fā)電效率。

GE于2017年1月24日獲批的專(zhuān)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(shù)。燃?xì)廨啓C(jī)一般包括壓縮機(jī)部分、具有燃燒器的燃燒部分和渦輪部分。壓縮機(jī)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(xué)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(xué)反應(yīng)速率，從而增加生產(chǎn)的一氧化碳（CO）和未燃燒的碳?xì)浠�合物（UHCS）在燃燒室的停留時(shí)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(shè)計(jì)包括多個(gè)燃料噴射器，該燃料噴射器布置在襯墊周?chē)�，并且通常從主燃燒區(qū)下游定位。燃料噴射器一般通過(guò)襯墊徑向延伸，以將流體連通到燃燒氣體流場(chǎng)中。

為了克服燃燒氣體流場(chǎng)中燃燒氣體的高動(dòng)量，必須通過(guò)噴油器引導(dǎo)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(duì)較高的壓力下供給，以充分推動(dòng)燃料進(jìn)入燃燒氣體流場(chǎng)。

解決這些問(wèn)題的當(dāng)前解決方案包括將燃料噴射器的少一部分通過(guò)襯里向內(nèi)徑延伸到燃燒氣體流場(chǎng)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(huì)影響組件的機(jī)械壽命和導(dǎo)致燃料焦炭積累。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，GE改進(jìn)了用于將燃料噴射器延伸到燃燒氣體流場(chǎng)中的冷卻系統(tǒng)。

GE于2017年1月24日獲批的專(zhuān)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(gè)切片橫斷層，并通過(guò)電子束融化技術(shù)將各層融化凝固起來(lái)，從而制造出燃料噴射器主體。

GE獲批的專(zhuān)利還包括用于冷卻延伸到燃燒氣體流場(chǎng)的燃料噴射器的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括通過(guò)燃燒室限定燃燒氣流路徑的襯里、通過(guò)襯里延伸的燃料噴射器開(kāi)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(shù)制造。激光熔融增材制造工藝允許更復(fù)雜冷卻通道模式，這樣的通道幾乎無(wú)法通過(guò)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(guò)傳統(tǒng)方法需要有多個(gè)組件釬焊或結(jié)合在一起以形成冷卻通道，這不僅僅增加了工藝的復(fù)雜性和程序，還帶來(lái)了潛在的質(zhì)量隱患。

通過(guò)激光熔融技術(shù)，每層的尺寸在0.0005英寸到大約0.001英寸之間。GE在該專(zhuān)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(xué)谷的市場(chǎng)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(mén)子
葉片
西門(mén)子3D打印的葉片被安裝在功率為13兆瓦（MW）的西門(mén)子SGT-400工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)力。滿載時(shí)，這些渦輪葉片運(yùn)轉(zhuǎn)速度高達(dá)1600公里/小時(shí)，被溫度高達(dá)1250°C的空氣包圍后又進(jìn)入400°C的空氣冷卻環(huán)境。

這些葉片來(lái)自與西門(mén)子收購(gòu)的Materials Solutions公司，Materials Solutions的核心競(jìng)爭(zhēng)力來(lái)自于其對(duì)選擇性激光熔融材料的控制能力。最擅長(zhǎng)的領(lǐng)域包括Inconel 625, Inconel 718,以及鎳基合金包括Hasteloy X, C263, C1023, CM247LC。通過(guò)實(shí)現(xiàn)對(duì)材料在加工過(guò)程中的控制，Materials Solutions發(fā)展了自己的核心競(jìng)爭(zhēng)力：對(duì)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(guò)傳統(tǒng)加工方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

西門(mén)子用于測(cè)試這些葉片性能的工廠位于英國(guó)的林肯，在這里葉片通過(guò)測(cè)試后被放入到真實(shí)的工作環(huán)境中。而根據(jù)西門(mén)子能源部門(mén)的專(zhuān)家，這些帶有復(fù)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(guò)位于美國(guó)Worcester的工廠來(lái)完成。

燃燒器
西門(mén)子在其位于瑞典Finspong的工廠內(nèi)利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)部件。3D打印技術(shù)為在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)在過(guò)去被視為不可能的設(shè)計(jì)打開(kāi)了一扇大門(mén)，從而讓新的業(yè)務(wù)模式，特別是服務(wù)模式，成為了可能。

在瑞典Finspong的工廠內(nèi)內(nèi)，裝配工人打開(kāi)一臺(tái)SGT- 800燃?xì)廨啓C(jī)的蓋子去安裝30個(gè)用于驅(qū)動(dòng)輪機(jī)葉片的燃燒器。這些啞光灰的燃燒器被存放在手推車(chē)上，靜靜等待安裝。盡管設(shè)計(jì)復(fù)雜，它們幾乎沒(méi)有任何可見(jiàn)的焊縫。

圖：不僅僅是燃燒器頭，燃?xì)廨啓C(jī)旋流器也在這里加工出來(lái)。

在新的燃?xì)廨啓C(jī)中，焊接燃燒器頭將被采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的部件取而代之。借助3D制造技術(shù)生產(chǎn)出的燃燒器頭部件外壁有許多開(kāi)口，而內(nèi)部則是可用于測(cè)試替代燃料（主要是氫氣或合成氣體）的框架式結(jié)構(gòu)。這些替代燃料氣體通常是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣。盡管工廠經(jīng)營(yíng)者很想對(duì)這些廢氣加以利用，但卻無(wú)法遂愿，因?yàn)檫@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(jié)構(gòu)，這一過(guò)程將被實(shí)現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)允許新的燃燒器在天然氣中混入最多60%的氫氣。這是一個(gè)革命性數(shù)字。在過(guò)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(shí)現(xiàn)高混合比例的結(jié)構(gòu), 氫氣混合比例只能達(dá)到幾個(gè)百分點(diǎn)。


3D打印技術(shù)不僅被用于新零件新設(shè)計(jì)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(wù)業(yè)務(wù)團(tuán)隊(duì)就一直在再制造舊燃燒器頭。檢修技術(shù)人員將已持續(xù)工作約三萬(wàn)小時(shí)的燃燒器頭從燃?xì)廨啓C(jī)上拆卸下來(lái)并送往西門(mén)子Finspong工廠。在這里，技術(shù)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(gè)部分。在3D打印裝置里待了不到20個(gè)小時(shí)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(huì)造成巨大損失，技術(shù)人員會(huì)立即用再制造部件替代舊燃燒器。除現(xiàn)場(chǎng)翻新等優(yōu)點(diǎn)之外，再制造部件通常有助于電廠經(jīng)營(yíng)者提高發(fā)電量。這是因?yàn)椤靶�率可以提高最�?%。另一個(gè)進(jìn)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(guò)程中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡可支持遠(yuǎn)程指導(dǎo)。

-- 曼
德國(guó)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪機(jī)制造商MAN Diesel＆Turbo也從10余年前就啟動(dòng)了燃?xì)廨啓C(jī)零部件的3D打印研發(fā)項(xiàng)目，在產(chǎn)品性能發(fā)面，MAN Diesel＆Turbo研發(fā)的金屬3D打印導(dǎo)向葉片已被安裝在MGT6100燃?xì)廨啓C(jī)中進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)過(guò)實(shí)際環(huán)境的驗(yàn)證，MAN Diesel＆Turbo認(rèn)為金屬3D打印零件在實(shí)現(xiàn)渦輪機(jī)能源脫碳，節(jié)能環(huán)保等方面發(fā)揮了價(jià)值。

另一方面，金屬3D打印技術(shù)提升了產(chǎn)品迭代的速度，MAN Diesel＆Turbo研發(fā)團(tuán)隊(duì)能夠在短時(shí)間內(nèi)快速制造出少量產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)品驗(yàn)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(shù)還將在備品備件的供應(yīng)鏈中發(fā)揮出作用，當(dāng)客戶有需要的時(shí)候，MAN Diesel＆Turbo 可以隨時(shí)將產(chǎn)品的數(shù)字設(shè)計(jì)模型打印出來(lái)，在短時(shí)間內(nèi)為客戶安裝備件。在這種情況下，MAN Diesel＆Turbo的用戶無(wú)需擔(dān)心在長(zhǎng)期使用渦輪機(jī)之后，無(wú)法更換到匹配的備件。

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

接下來(lái)，MAN Diesel＆Turbo將更加深入的推進(jìn)3D打印技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用，挖掘3D打印技術(shù)的價(jià)值。目前，MAN Diesel＆Turbo 投入了260萬(wàn)歐元，建立“MAN 增材制造中心”，該中心設(shè)立在MAN Diesel＆Turbo位于德國(guó)的渦輪機(jī)工廠中。設(shè)計(jì)專(zhuān)家，材料專(zhuān)家和工程師將在增材制造中心共同工作，使用3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)更多的復(fù)雜零部件，如壓縮機(jī)葉輪和燃料噴嘴。

來(lái)源：3D科學(xué)谷