3D打印新应用:打造出世界效率最高燃气轮机GE 9HA

3D打印,学名“增材制造”(Additive Manufacturing)。顾名思义,传统的加工制造方法主要是 “减材制造”(Subtractive Manufacturing),使用传统减材制造方法时,部件的复杂度直接影响流程的复杂度,复杂的形态会使开模难度加大、使用工具更加复杂、成本大幅上涨。

然而对于3D打印技术来说,由于其独特的分层成形原理,简单的形态和复杂的形态几乎可以一视同仁。只需有3D建模方案、合适的原料和3D增材制造仪器,就可以立刻打印部件;因为甩掉了模具,所以可以用较便宜的价格,制造出传统模具工厂无法制造出的设计;如果设计后续发生修改,只需修改设计3D建模方案,再次打印;3D打印的零部件出现损坏,甚至可以在破损处直接打印修补。

因此3D打印对工业制造的颠覆性可见一斑。经过三十余年的发展,3D打印早已走出象牙塔并脱离了极客的自娱自乐。打开某宝,搜索“3D打印”,从钥匙扣到冰淇凌,总有一款能满足你下一个七夕的备货需求。

但工业制造真正追求的,应该是所谓的“大音希声,大象无形”。侠之大者,为国为民,纵有千钧之力,隐忍而不发。真正值得赞颂千篇的3D打印,还当属铿锵的金属3D打印。主流的激光烧结技术下,零件在万千遍的烧结后打印成型,千锤百炼磨成一剑。

3D打印——契合现代工业的精密要求

被誉为“制造业皇冠上明珠”的燃气轮机到今天已经发展了大半个世纪,想要继续进步,需要近乎登峰造极的技术能力与想象力。在不断攀登巅峰的过程中,3D打印技术可谓横空出世,弥补了传统制造方法的局限。

举个例子,燃机界的翘楚——H级燃机,透平初温1500摄氏度,联合循环效率高达62.22%,极高的灵活性,超低的排放,人类百年工业文明的巅峰之作,就采拮了3D增材制造的精髓。

GE 9HA燃气轮机的核心部件之一——燃烧室燃料喷嘴和预混器就使用了3D增材制造工艺,微孔预混技术确保了GE低氮燃烧技术DLN2.6e的有效发挥,再结合众多同样尖端的技术,最终成就了法国布尚电厂9HA机组打破吉尼斯世界纪录的联合循环效率——62.22%。

“大音希声,大象无形”,莫过如此。

读到这里大家不要着急,这么好的东西,我大天朝怎么可能没有,很快,9HA燃气轮机将会落户天津军粮城。

3D打印究竟能成就多少的改变?我们以GE 9HA燃机中的燃料喷嘴为例(密集恐惧症患者注意,请快速滑动屏幕)

DLN2.6e 中3D打印制造的先进预混喷嘴(Advanced Premixer):

密集的进气孔,让9HA在低氮燃烧技术DLN2.6E中实现了微孔预混和全预混燃烧,保证燃料与空气以更好的比例混合,实现启停过程全预混燃烧模式,不存在扩散火焰,满足超低氮氧化物排放(在最低负荷至30%的工况下仅有25ppm氮氧化物排放),支持燃机快速增减负荷。

3D打印——成就全球最先进燃机

H级燃机体积庞大,GE的9HA燃机有约12米高(大概四层楼),重约400吨(约两头蓝鲸),在实际使用中,燃机本身还会有诸多“辅机”,以帮助充分回收废气余热等。除了体型庞大,零件众多,还需“辅机”兼容之外,发电行业还希望燃机24x7不间断工作,同时符合越发严苛的环保法规要求。这一切都需要H级燃机的设计与制造无限趋近完美——燃气轮机核心部件的精度误差最多几十微米。

GE 9HA燃机成为全世界效率最高的燃气轮机(没有之一),其幕后功臣之一就是3D增材制造。

具体而言,3D打印技术在关键零部件上的充分应用,能够帮助GE 9HA燃气轮机的出力较传统制造方法增加了1%。不要小看这1%。GE在法国布尚电厂的9HA机组可以供给大约68万个法国家庭的用电需求,也就是说,在原有能耗不变的情况下,这两个部件将会把光明带给额外6800个家庭。

如今,法国、俄罗斯、巴基斯坦、日本等多国电厂已经开始部署9HA燃机。今年3月,哈电集团与GE签署了重型燃机合资协议,重点落实适合中国市场的9F级和9H级燃机的本地化制造;同月,哈电集团还将华电天津军粮城项目的9HA燃机合同授予了GE。预计到2018年二季度,该9HA机组就将交付,届时中国的电力用户也将有机会直接体验到3D打印技术为尖端发电设备带来的性能提升。

3D打印——一探究竟

让我们跟随流言终结者(Myth Busters)Adam Savage大神的脚步,来到GE在美国南卡罗莱纳州Greenville的3D打印工厂,一探燃机部件的3D打印,究竟是怎么一回事。

首先,先把3D打印机舱体打开,放入平板部件

然后,2D激光会进行逐层扫描。经过3000-7000次不等的不断扫描打印之后,燃机零件就会初具雏形

接下来,零件会进入真空箱,静置加固的同时,也去除并收集多余粉末

为了保证零件没有粉末残留,有时会用锤子击打零件底部,如果没有粉末落到下方的白纸上,就证明已大功告成。

最后,零件将会通过电火花线切割的方式,与基座分离。