盘点粉末床金属熔融3D打印技术应用于燃气轮机领域的生产案例

通过3D打印技术制造优化的关键零件，从而提升设备的整体性能，使得设备在市场竞争中脱颖而出，这才是3D打印最值得去追求的“风口”，尤其是对于附加值高的设备或产品来说。GE、西门子、Turbocam、曼等一直致力于通过3D打印技术用于叶片和涡轮的制造。而如今，不仅仅是涡轮叶片，包括燃烧室内的核心不仅也逐渐采用3D打印技术来完成。3D打印技术与燃气轮机的制造可以说是通过提升燃气轮机发电效益来获取附加值放大的一个结合过程。接下来通过盘点国际上粉末床金属熔融3D打印技术应用于燃气轮机领域的生产案例来与谷友领略：3D打印技术“四两拨千斤”的价值放大效应。

-- GE
GE位于美国格林威尔的先进制造技术研究中心-“GE Store”孵化器是由GE电力投资7500万美元兴建的。它就在GE巨大的格林维尔制造园区旁边，格林维尔制造园区是个巨大的工厂，GE电力在那里制造世界最大的燃气轮机，燃气轮机重达数百吨但零件的精度却达到极其苛刻的程度。

GE HArriet凭借3D打印制造技术，打破了自己的净效率记录。在格林维尔工厂的测试中以64%的联合循环效率击败了自身之前的设计。GE将HArriet效率的提升归功于“通过不断创新带来的燃烧效率突破”，而这里面的创新则离不开3D打印技术所制造的汽轮机的多个关键部件

金属3D打印被应用到燃烧系统的设计优化方面。金属3D打印所实现了更复杂的几何形状，使得工程师可以改进燃气轮机中的燃料和空气的预混合，以实现最大的发电效率。

GE于2017年1月24日获批的专利中，内容包括燃料喷射器主体和冷却系统的制造技术。燃气轮机一般包括压缩机部分、具有燃烧器的燃烧部分和涡轮部分。压缩机部分逐渐增加工作流体的压力，以便向燃烧部分提供压缩的工作流体。燃料被注入压缩工作流体中以形成可燃混合物。

可燃混合物在燃烧室内燃烧以产生具有高温、压力和速度的燃烧气体。较高的燃烧气体温度可以提高燃烧器的热力学效率。较高的燃烧气体温度可提高双原子氮的分解率，相反，较低的燃烧气体温度普遍降低了燃烧气体的化学反应速率，从而增加生产的一氧化碳（CO）和未燃烧的碳氢化合物（UHCS）在燃烧室的停留时间。

为了平衡燃烧器的整体排放性能和热效率，某些燃烧器设计包括多个燃料喷射器，该燃料喷射器布置在衬垫周围，并且通常从主燃烧区下游定位。燃料喷射器一般通过衬垫径向延伸，以将流体连通到燃烧气体流场中。

为了克服燃烧气体流场中燃烧气体的高动量，必须通过喷油器引导大量压缩空气以将燃料充分推入燃烧气流中。燃料必须在相对较高的压力下供给，以充分推动燃料进入燃烧气体流场。

解决这些问题的当前解决方案包括将燃料喷射器的少一部分通过衬里向内径延伸到燃烧气体流场中。然而，这种方法将燃料喷射器暴露在热燃烧气体中，可能会影响组件的机械寿命和导致燃料焦炭积累。根据3D科学谷的市场研究，GE改进了用于将燃料喷射器延伸到燃烧气体流场中的冷却系统。

GE于2017年1月24日获批的专利包括燃料喷射器主体，包括确定主体包括冷却通道的三维建模信息，将三维建模切分成多个切片横断层，并通过电子束融化技术将各层融化凝固起来，从而制造出燃料喷射器主体。

GE获批的专利还包括用于冷却延伸到燃烧气体流场的燃料喷射器的系统。该系统包括通过燃烧室限定燃烧气流路径的衬里、通过衬里延伸的燃料喷射器开口和燃料喷射器。

喷油器主体采用粉末床激光熔融或电子束熔融EBM技术制造。激光熔融增材制造工艺允许更复杂冷却通道模式，这样的通道几乎无法通过传统的制造方法制造。此外，增材制造减少潜在的泄漏和其他潜在的不良影响，例如通过传统方法需要有多个组件钎焊或结合在一起以形成冷却通道，这不仅仅增加了工艺的复杂性和程序，还带来了潜在的质量隐患。

通过激光熔融技术，每层的尺寸在0.0005英寸到大约0.001英寸之间。GE在该专利中所使用的是（但不限于）EOSINT™ M 270 , 以及PHENIX PM250, 或者EOSINT™ M 250 。根据3D科学谷的市场研究，GE所采用的金属粉末成分中含有钴铬，例如（但不限于）HS1888和INCO625。金属粉末的粒径大约在10微米到74微米之间，最好是在大约15微米和大约30微米之间。

-- 西门子
叶片
西门子3D打印的叶片被安装在功率为13兆瓦（MW）的西门子SGT-400工业燃气轮机上。涡轮叶片由高性能多晶镍高温合金粉末制成，这允许它们承受高压、高温和涡轮高速运转的旋转力。满载时，这些涡轮叶片运转速度高达1600公里/小时，被温度高达1250°C的空气包围后又进入400°C的空气冷却环境。

这些叶片来自与西门子收购的Materials Solutions公司，Materials Solutions的核心竞争力来自于其对选择性激光熔融材料的控制能力。最擅长的领域包括Inconel 625, Inconel 718,以及镍基合金包括Hasteloy X, C263, C1023, CM247LC。通过实现对材料在加工过程中的控制，Materials Solutions发展了自己的核心竞争力：对诸如叶片这样的高温合金的加工能力，不仅是性能优越，而且其几何形状也是通过传统加工方式无法实现的。

西门子用于测试这些叶片性能的工厂位于英国的林肯，在这里叶片通过测试后被放入到真实的工作环境中。而根据西门子能源部门的专家，这些带有复杂内部冷却形状的叶片为涡轮提供了更好的效率。而叶片的生产则通过位于美国Worcester的工厂来完成。

燃烧器
西门子在其位于瑞典Finspong的工厂内利用3D打印技术生产燃气轮机部件。3D打印技术为在现场生产中实现在过去被视为不可能的设计打开了一扇大门，从而让新的业务模式，特别是服务模式，成为了可能。

在瑞典Finspong的工厂内内，装配工人打开一台SGT- 800燃气轮机的盖子去安装30个用于驱动轮机叶片的燃烧器。这些哑光灰的燃烧器被存放在手推车上，静静等待安装。尽管设计复杂，它们几乎没有任何可见的焊缝。

图：不仅仅是燃烧器头，燃气轮机旋流器也在这里加工出来。

在新的燃气轮机中，焊接燃烧器头将被采用3D打印技术生产的部件取而代之。借助3D制造技术生产出的燃烧器头部件外壁有许多开口，而内部则是可用于测试替代燃料（主要是氢气或合成气体）的框架式结构。这些替代燃料气体通常是工业生产过程中产生的废气。尽管工厂经营者很想对这些废气加以利用，但却无法遂愿，因为这要求燃烧器均匀地混合这些气体。然而现在，借助这种框架式结构，这一过程将被实现。这种结构允许新的燃烧器在天然气中混入最多60%的氢气。这是一个革命性数字。在过去，由于诸如熔铸和焊接等传统重工业工艺不能生产出可实现高混合比例的结构, 氢气混合比例只能达到几个百分点。


3D打印技术不仅被用于新零件新设计的制造，还被用于再制造。自2013年起，Finspong工厂分布式发电服务业务团队就一直在再制造旧燃烧器头。检修技术人员将已持续工作约三万小时的燃烧器头从燃气轮机上拆卸下来并送往西门子Finspong工厂。在这里，技术人员将磨损燃烧器头顶部的两厘米去掉，再在上面重新打印出这个部分。在3D打印装置里待了不到20个小时之后，旧燃烧器便完好如新，可以重新安装使用了。由于停工会造成巨大损失，技术人员会立即用再制造部件替代旧燃烧器。除现场翻新等优点之外，再制造部件通常有助于电厂经营者提高发电量。这是因为“效率可以提高最多1%。另一个进步是使用新型打印材料，包括能够耐受燃烧器尖端部位1500摄氏度高温的极为耐用的镍基材料。

图：维修过程中，增强现实眼镜可支持远程指导。

-- 曼
德国柴油发动机和涡轮机制造商MAN Diesel＆Turbo也从10余年前就启动了燃气轮机零部件的3D打印研发项目，在产品性能发面，MAN Diesel＆Turbo研发的金属3D打印导向叶片已被安装在MGT6100燃气轮机中进行测试，经过实际环境的验证，MAN Diesel＆Turbo认为金属3D打印零件在实现涡轮机能源脱碳，节能环保等方面发挥了价值。

另一方面，金属3D打印技术提升了产品迭代的速度，MAN Diesel＆Turbo研发团队能够在短时间内快速制造出少量产品进行产品验证，缩短产品的研发周期。除了加速了新产品的研发，金属3D打印技术还将在备品备件的供应链中发挥出作用，当客户有需要的时候，MAN Diesel＆Turbo 可以随时将产品的数字设计模型打印出来，在短时间内为客户安装备件。在这种情况下，MAN Diesel＆Turbo的用户无需担心在长期使用涡轮机之后，无法更换到匹配的备件。

在探索3D打印零部件制造的过程中，MAN Diesel＆Turbo与德国Fraunhofer激光技术研究所等具有丰富增材制造经验的合作伙伴进行了紧密合作。

接下来，MAN Diesel＆Turbo将更加深入的推进3D打印技术在生产中的应用，挖掘3D打印技术的价值。目前，MAN Diesel＆Turbo 投入了260万欧元，建立“MAN 增材制造中心”，该中心设立在MAN Diesel＆Turbo位于德国的涡轮机工厂中。设计专家，材料专家和工程师将在增材制造中心共同工作，使用3D打印技术开发更多的复杂零部件，如压缩机叶轮和燃料喷嘴。

来源：3D科学谷