3D打印助力GE哈麗特燃氣輪機打破之前的聯(lián)合循環(huán)效率記錄

如果說GE能源是個產(chǎn)品眾多的“大家族”，那么這其中集萬千寵愛于一身的“公主”，一定非哈麗特（Harriet）莫屬。她重達八十萬磅，體型驚人卻青春洋溢，一出世便受到世人矚目。她就是目前世界上最大最高效的重型燃氣輪機——GE 9HA重型燃氣輪機。

如今GE HArriet憑借3D打印制造技術，打破了自己的凈效率記錄。在南卡羅來納州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

Harriet裝備有原先為超音速噴氣飛機開發(fā)的高溫合金單晶透平葉片，因配合有先進的冷卻技術，可以耐受最高2,900華氏度(1,600℃）的高溫。不僅如此，Harriet在整個生命周期中擁有很高的經(jīng)濟效益。GE H家族的燃氣輪機被全球70多家客戶的發(fā)電廠使用。通過將燃氣輪機產(chǎn)生的廢熱重新導向蒸汽輪機，循環(huán)發(fā)電的方式以相同的燃料產(chǎn)生50％以上更多的電力。

就在這個新紀錄誕生的18個月前，9HA.01燃氣輪機還贏得了吉尼斯世界紀錄，為世界上最高效的循環(huán)發(fā)電廠提供動力。在法國Bouchain工廠，GE 9HA產(chǎn)生足夠的電力，提供達605MW的發(fā)電量為60萬個家庭提供能源。

在循環(huán)發(fā)電的系統(tǒng)配置中，效率為64％的新型9HA.02燃氣輪機的總輸出功率為826兆瓦。根據(jù)GE能源公司的估計，額外的電力可以為全球客戶“節(jié)約數(shù)百萬美元的燃料”。

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。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，GE已經(jīng)體驗到了3D打印技術“四兩撥千斤”的價值放大效應。

GE供應鏈和運營部門的Edward Herderick在2017年的“航空防務與航天國防智能增材制造”（AMADS）會議上提到了三層思考的過程。這是從零部件更換、產(chǎn)品再設計和絕對設計增材制造（DfAM）思想的過渡。在GE的跨行業(yè)運營體系中，特別是在航空航天領域，3D打印正在各個層面上尋求與現(xiàn)有制造技術的整合。

就在2017年12月5日，GE位于德國慕尼黑的首家國際客戶體驗中心盛大開幕，該中心投資1500萬美元，在2700平方米的設施中為現(xiàn)有和潛在客戶提供從設計到原型再到生產(chǎn)的增材制造各個方面的體驗，幫助客戶思考工業(yè)化流程，幫助改進他們的產(chǎn)品和供應鏈。目前已經(jīng)安裝了Concept Laser和Arcam 10臺金屬3D打印設備，還通過Additive Academy™增材學院來為客戶提供增材制造設計、工藝開發(fā)、原型設計和工業(yè)化增材制造等領域的培訓。

圖片：GE位于慕尼黑的國際客戶體驗中心開幕

一方面是推進3D打印在GE內(nèi)部和外部客戶領域的應用，另一方面是通過合作推進GE產(chǎn)品在全世界范圍內(nèi)的引入。在中國，GE與哈電集團2014年就簽署了9HA技術轉讓協(xié)議，GE哈爾濱創(chuàng)新中心將和哈電協(xié)同創(chuàng)新，共同幫助Harriet實現(xiàn)本土化，成為為中國市場量身打造的設備。

在Harriet的哈爾濱創(chuàng)新中心，GE公司的工程師們、哈電集團研發(fā)部門的工程師以及美國和法國等地的專家資源將共同研究中國客戶的需求，為Harriet鋪平本土化之路，或許我們可以期待，在不久的將來，帶有3D打印關鍵零部件的9HA.02也在中國組裝線上生產(chǎn)。

雖然GE官方并未透漏9HA.02上使用的3D打印技術細節(jié)，但根據(jù)3D科學谷的市場研究，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)。根據(jù)3D科學谷的市場研究，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。

來源：3D科學谷
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