西門子3D打印技術在發電裝備制造中的應用

西門子供稿

西門子3D打印技術在發電裝備制造中的應用

西門子供稿

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

西門子在3D打印燃氣輪機葉片領域實現突破

近日,西門子成功完成對完全采用增材制造（AM）技術生產的燃氣輪機葉片的首次滿負荷核心機試驗,實現技術上的重大突破。西門子在發動機滿負荷狀態下成功驗證了多個采用傳統設計的增材制造渦輪機葉片。這意味著該葉片的測試轉速達到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制造的經全面改良內部冷卻結構的新葉片。項目組使用的葉片是由Materials Solutions的3D打印設施制造的。西門子新收購的Materials Solutions公司位于英國伍斯特地區,專門生產透平機械高溫應用的高性能部件。對透平機械設備來說,精度、表面粗糙度和材料質量對確保部件的運行性能至關重要。上述試驗在位于英國林肯的西門子工業燃氣輪機廠的測試裝置上進行。

“這是增材制造在發電領域應用的重大突破,對增材制造技術來說也是最具挑戰性的應用之一。”西門子發電與天然氣集團首席執行官Willi Meixner表示,“增材制造技術是我們數字化戰略的重要支柱之一。試驗的成功離不開我們國際項目組兢兢業業的努力,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個月時間內完成了從部件設計、增材制造材料開發以及模擬和質量控制新方法等一系列工作。結合我們在3D打印領域的專業知識,我們將繼續推動該領域的技術開發和應用。”

這些葉片安裝在13兆瓦（MW）的西門子SGT-400工業燃氣輪機上。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所產生的離心力。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模型中逐層構建部件以形成3D物質的過程。增材制造也稱為“3D打印”,在快速建模方面尤其具有優勢。Meixner表示：“這項激動人心的技術正在改變我們的制造方式,將原型研發周期時間縮短90%。西門子是增材制造領域的引領者。我們可以通過提高效率和可用性加速新型燃氣輪機的設計,而且可以讓這些技術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、制造等關鍵領域擁有廣博的知識和工藝專長,因此西門子在塑造3D打印行業的未來方面擁有巨大優勢。下一步將是成功完成高級葉片設計測試,以充分挖掘增材制造的潛力。西門子正在研發僅能借助增材制造技術實現的獨特燃氣輪機設計,擴大增材制造輪機設備的批量生產。

3 D打印輪機部件

西門子在其位于瑞典Finspong的工廠內利用3D打印技術生產燃氣輪機部件。3D打印技術為在現場生產中實現在過去被視為不可能的設計打開了一扇大門,從而讓新的業務模式,特別是服務模式,成為了可能。

從老工業港口城市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,山頂平臺為生產重型工業設備提供了理想場所。20世紀80年代,一座生產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務部門時,接手了Finspong的工廠和辦公樓。自2003年起,西門子工業透平機械公司就一直在這里制造中型工業燃氣輪機。不過,“中型”這個術語是相對而言。這里生產的最大型燃氣輪機SGT-800重達290t,裝機容量高達54MW,足以滿足大型工業設施的用電需求。

圖為Finspong工廠內的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出這些燃燒器的整個上半部分。”

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,在他的職業生涯中,他從未經歷過在過去幾個月、幾年中所發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打印技術生產的部件取而代之。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,只要輕觸按鈕即可生產出部件,僅需輕點鼠標就能變更設計。此外,過去不可能的設計現在也已能實現,如交織纏繞的空心部件或采用蜂窩狀填充的無縫雙層結構。

圖為采用3D打印技術制造的燃氣輪機旋流器

借助3D制造技術生產出的燃燒器頭部件外壁有許多開口,而內部則是可用于測試替代燃料（主要是氫氣或合成氣體）的框架式結構。這些替代燃料氣體通常是工業生產過程中產生的廢氣。盡管工廠經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。然而現在,借助這種框架式結構,這一過程將被實現。這種結構允許新的燃燒器在天然氣中混入最多60%的氫氣。這是一個革命性數字。在過去,由于諸如熔鑄和焊接等傳統重工業工藝不能生產出可實現高混合比例的結構, 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打印技術正滲透進越來越多的領域。Vladimir Navrotsky是Finspong工廠分布式發電服務業務的技術總監。2008年,當他開始利用增材制造技術進行實驗時,這項技術的成本還十分高昂,僅可用于制作測試用的原型。但Navrotsky想利用這項技術來修復磨損部件,并最終制造出完整組件。現在,這兩個目標均已實現,而相關工藝也已被整合到Finspong工廠的生產過程中了。

維修過程中,增強現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。檢修技術人員將已持續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,技術人員會立即用再制造部件替代舊燃燒器。

除現場翻新等優點之外,再制造部件通常有助于電廠經營者提高發電量。“效率可以提高最多1%。”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工廠分布式發電服務業務的技術總監

Graichen指出,增材制造技術開啟了通往全數字化價值鏈的大門。他解釋說,盡管許多制造工序已經實現數字化,但它們只是彼此隔絕的數字孤島,我們仍需將這些孤島自動聯系起來,創造出全面的數字化價值鏈。一旦在若干傳統車間內成功實現了數字化生產控制過程,企業就有望在靠近客戶的地方進行生產。在未來的全數字化生產鏈中,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據傳送所取代。數據能夠又快又安全地發送至任何地方,甚至世界上最偏遠的角落。

但如果無法獲取數據呢？舉例來講,有些有著幾十年歷史的老工廠既沒有備件,也沒有數字化設計數據。為了生成這些數據,相關人員可以對原部件進行3D X光掃描,就像醫院的CAT掃描成像那樣。然后,這些新生成的數據集就可以用來控制采用增材制造技術的新部件的生產過程。這將為服務領域開創全新業務模式創造條件。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,數字化幾何數據和制造數據將會變得比硬件更有價值。”