西門子3D打印技術(shù)在發(fā)電裝備制造中的應(yīng)用

西門子供稿

西門子3D打印技術(shù)在發(fā)電裝備制造中的應(yīng)用

西門子供稿

西門子廣泛利用增材制造技術(shù)實現(xiàn)快速原型制作，并且已經(jīng)推出面向燃氣輪機壓氣機和燃燒系統(tǒng)部件的批量生產(chǎn)解決方案。2016年2月，西門子在瑞典芬斯蓬建設(shè)了一家新的3D打印部件生產(chǎn)工廠，西門子重型燃氣輪機的首款3D打印部件，已于2016年7月商業(yè)運行。

西門子在3D打印燃氣輪機葉片領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破

近日,西門子成功完成對完全采用增材制造（AM）技術(shù)生產(chǎn)的燃氣輪機葉片的首次滿負荷核心機試驗,實現(xiàn)技術(shù)上的重大突破。西門子在發(fā)動機滿負荷狀態(tài)下成功驗證了多個采用傳統(tǒng)設(shè)計的增材制造渦輪機葉片。這意味著該葉片的測試轉(zhuǎn)速達到13 000r/min,測試溫度超過1250℃。此外,西門子還測試了利用增材制造技術(shù)制造的經(jīng)全面改良內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)的新葉片。項目組使用的葉片是由Materials Solutions的3D打印設(shè)施制造的。西門子新收購的Materials Solutions公司位于英國伍斯特地區(qū),專門生產(chǎn)透平機械高溫應(yīng)用的高性能部件。對透平機械設(shè)備來說,精度、表面粗糙度和材料質(zhì)量對確保部件的運行性能至關(guān)重要。上述試驗在位于英國林肯的西門子工業(yè)燃氣輪機廠的測試裝置上進行。

“這是增材制造在發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用的重大突破,對增材制造技術(shù)來說也是最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用之一。”西門子發(fā)電與天然氣集團首席執(zhí)行官Willi Meixner表示,“增材制造技術(shù)是我們數(shù)字化戰(zhàn)略的重要支柱之一。試驗的成功離不開我們國際項目組兢兢業(yè)業(yè)的努力,項目組成員包括來自芬斯蓬、林肯和柏林的西門子工程師以及來自Materials Solutions的專家。他們在短短18個月時間內(nèi)完成了從部件設(shè)計、增材制造材料開發(fā)以及模擬和質(zhì)量控制新方法等一系列工作。結(jié)合我們在3D打印領(lǐng)域的專業(yè)知識,我們將繼續(xù)推動該領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用?！?/p>

這些葉片安裝在13兆瓦（MW）的西門子SGT-400工業(yè)燃氣輪機上。該增材制造輪機葉片利用多晶鎳超合金粉末制造,能夠耐受高壓、高溫和燃氣輪機的高速運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力。在滿負荷核心機試驗中,這些燃氣輪機葉片運行速度超過1 600km/h,受力高達11t（相當于倫敦一輛滿載公交車的重量）。這些葉片被1 250℃的氣體包圍,然后利用超過400℃的空氣冷卻。在林肯工廠測試的先進葉片設(shè)計改進了冷卻性能,可以提高西門子燃氣輪機的總體效率。

增材制造是在分層CAD模型中逐層構(gòu)建部件以形成3D物質(zhì)的過程。增材制造也稱為“3D打印”,在快速建模方面尤其具有優(yōu)勢。Meixner表示：“這項激動人心的技術(shù)正在改變我們的制造方式,將原型研發(fā)周期時間縮短90%。西門子是增材制造領(lǐng)域的引領(lǐng)者。我們可以通過提高效率和可用性加速新型燃氣輪機的設(shè)計,而且可以讓這些技術(shù)進步更快地惠及客戶。這種制造的靈活性也使西門子的研發(fā)更符合客戶需求,并按需提供備件。”

西門子在材料科學、自動化、制造等關(guān)鍵領(lǐng)域擁有廣博的知識和工藝專長,因此西門子在塑造3D打印行業(yè)的未來方面擁有巨大優(yōu)勢。下一步將是成功完成高級葉片設(shè)計測試,以充分挖掘增材制造的潛力。西門子正在研發(fā)僅能借助增材制造技術(shù)實現(xiàn)的獨特燃氣輪機設(shè)計,擴大增材制造輪機設(shè)備的批量生產(chǎn)。

3 D打印輪機部件

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

從老工業(yè)港口城市Norrk?ping向東行駛半個小時便可到達Finspong。盡管?sterg?tland地區(qū)地勢平坦,在Finspong附近卻有一座山丘。由于山體為花崗巖,山頂平臺為生產(chǎn)重型工業(yè)設(shè)備提供了理想場所。20世紀80年代,一座生產(chǎn)燃氣輪機和蒸汽輪機的工廠在這里拔地而起。10多年前,西門子在收購阿爾斯通旗下一個業(yè)務(wù)部門時,接手了Finspong的工廠和辦公樓。自2003年起,西門子工業(yè)透平機械公司就一直在這里制造中型工業(yè)燃氣輪機。不過,“中型”這個術(shù)語是相對而言。這里生產(chǎn)的最大型燃氣輪機SGT-800重達290t,裝機容量高達54MW,足以滿足大型工業(yè)設(shè)施的用電需求。

圖為Finspong工廠內(nèi)的3D打印車間。在這里,幾臺選擇性激光熔化（SLM）機器利用金屬粉末,逐層制造出新燃燒器。

參觀工廠時,訪客可以看到裝配工人打開一臺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(shè)計復雜,它們幾乎沒有任何可見的焊縫。Andreas Graichen是西門子在Finspong的增材制造小組負責人。他說：“3D打印裝置很快就可以生產(chǎn)出這些燃燒器的整個上半部分?！?/p>

1.可在天然氣中混入60%的氫氣

Graichen是焊接工程師出身,他為Finspong效力已有20多年。但是,在他的職業(yè)生涯中,他從未經(jīng)歷過在過去幾個月、幾年中所發(fā)生的天翻地覆的變化。很快,在新的燃氣輪機中,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。Graichen辦公室的隔壁是一個車間,在這里,幾臺激光機器利用金屬粉末逐層制造出新燃燒器。這是因為利用3D打印技術(shù),只要輕觸按鈕即可生產(chǎn)出部件,僅需輕點鼠標就能變更設(shè)計。此外,過去不可能的設(shè)計現(xiàn)在也已能實現(xiàn),如交織纏繞的空心部件或采用蜂窩狀填充的無縫雙層結(jié)構(gòu)。

圖為采用3D打印技術(shù)制造的燃氣輪機旋流器

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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu),這一過程將被實現(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(jié)構(gòu), 氫氣混合比例只能達到幾個百分點。

同所有其他地方一樣,Finspong采用的3D打印技術(shù)也是逐層打印出物體的。

2.煥然新生的再制造零件

得益于其靈活性,3D打印技術(shù)正滲透進越來越多的領(lǐng)域。Vladimir Navrotsky是Finspong工廠分布式發(fā)電服務(wù)業(yè)務(wù)的技術(shù)總監(jiān)。2008年,當他開始利用增材制造技術(shù)進行實驗時,這項技術(shù)的成本還十分高昂,僅可用于制作測試用的原型。但Navrotsky想利用這項技術(shù)來修復磨損部件,并最終制造出完整組件。現(xiàn)在,這兩個目標均已實現(xiàn),而相關(guān)工藝也已被整合到Finspong工廠的生產(chǎn)過程中了。

維修過程中,增強現(xiàn)實眼鏡可支持遠程指導

自2013年起,Navrotsky的團隊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(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(shù)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?！靶士梢蕴岣咦疃?%。”Navrotsky指出。另一個進步是使用新型打印材料。實際上,如今粉末制造商可以供應(yīng)幾乎任何想象所及的材料成分,包括能夠耐受燃燒器尖端部位1 500℃高溫的極為耐用的鎳基材料。

3.儲存在云端的備件

Vladimir Navrotsky是Finspong工廠分布式發(fā)電服務(wù)業(yè)務(wù)的技術(shù)總監(jiān)

Graichen指出,增材制造技術(shù)開啟了通往全數(shù)字化價值鏈的大門。他解釋說,盡管許多制造工序已經(jīng)實現(xiàn)數(shù)字化,但它們只是彼此隔絕的數(shù)字孤島,我們?nèi)孕鑼⑦@些孤島自動聯(lián)系起來,創(chuàng)造出全面的數(shù)字化價值鏈。一旦在若干傳統(tǒng)車間內(nèi)成功實現(xiàn)了數(shù)字化生產(chǎn)控制過程,企業(yè)就有望在靠近客戶的地方進行生產(chǎn)。在未來的全數(shù)字化生產(chǎn)鏈中,客戶與制造商之間的距離將不再是障礙。這是因為成品部件的運輸將被數(shù)據(jù)傳送所取代。數(shù)據(jù)能夠又快又安全地發(fā)送至任何地方,甚至世界上最偏遠的角落。

但如果無法獲取數(shù)據(jù)呢？舉例來講,有些有著幾十年歷史的老工廠既沒有備件,也沒有數(shù)字化設(shè)計數(shù)據(jù)。為了生成這些數(shù)據(jù),相關(guān)人員可以對原部件進行3D X光掃描,就像醫(yī)院的CAT掃描成像那樣。然后,這些新生成的數(shù)據(jù)集就可以用來控制采用增材制造技術(shù)的新部件的生產(chǎn)過程。這將為服務(wù)領(lǐng)域開創(chuàng)全新業(yè)務(wù)模式創(chuàng)造條件。Graichen表示：“當金屬部件的打印變得像如今的紙張打印一樣普遍時,數(shù)字化幾何數(shù)據(jù)和制造數(shù)據(jù)將會變得比硬件更有價值?！?/p>