西门子3D打印技术在发电装备制造中的应用

西门子供稿

西门子3D打印技术在发电装备制造中的应用

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西门子广泛利用增材制造技术实现快速原型制作，并且已经推出面向燃气轮机压气机和燃烧系统部件的批量生产解决方案。2016年2月，西门子在瑞典芬斯蓬建设了一家新的3D打印部件生产工厂，西门子重型燃气轮机的首款3D打印部件，已于2016年7月商业运行。

西门子在3D打印燃气轮机叶片领域实现突破

近日,西门子成功完成对完全采用增材制造（AM）技术生产的燃气轮机叶片的首次满负荷核心机试验,实现技术上的重大突破。西门子在发动机满负荷状态下成功验证了多个采用传统设计的增材制造涡轮机叶片。这意味着该叶片的测试转速达到13 000r/min,测试温度超过1250℃。此外,西门子还测试了利用增材制造技术制造的经全面改良内部冷却结构的新叶片。项目组使用的叶片是由Materials Solutions的3D打印设施制造的。西门子新收购的Materials Solutions公司位于英国伍斯特地区,专门生产透平机械高温应用的高性能部件。对透平机械设备来说,精度、表面粗糙度和材料质量对确保部件的运行性能至关重要。上述试验在位于英国林肯的西门子工业燃气轮机厂的测试装置上进行。

“这是增材制造在发电领域应用的重大突破,对增材制造技术来说也是最具挑战性的应用之一。”西门子发电与天然气集团首席执行官Willi Meixner表示,“增材制造技术是我们数字化战略的重要支柱之一。试验的成功离不开我们国际项目组兢兢业业的努力,项目组成员包括来自芬斯蓬、林肯和柏林的西门子工程师以及来自Materials Solutions的专家。他们在短短18个月时间内完成了从部件设计、增材制造材料开发以及模拟和质量控制新方法等一系列工作。结合我们在3D打印领域的专业知识,我们将继续推动该领域的技术开发和应用。”

这些叶片安装在13兆瓦（MW）的西门子SGT-400工业燃气轮机上。该增材制造轮机叶片利用多晶镍超合金粉末制造,能够耐受高压、高温和燃气轮机的高速运转所产生的离心力。在满负荷核心机试验中,这些燃气轮机叶片运行速度超过1 600km/h,受力高达11t（相当于伦敦一辆满载公交车的重量）。这些叶片被1 250℃的气体包围,然后利用超过400℃的空气冷却。在林肯工厂测试的先进叶片设计改进了冷却性能,可以提高西门子燃气轮机的总体效率。

增材制造是在分层CAD模型中逐层构建部件以形成3D物质的过程。增材制造也称为“3D打印”,在快速建模方面尤其具有优势。Meixner表示：“这项激动人心的技术正在改变我们的制造方式,将原型研发周期时间缩短90%。西门子是增材制造领域的引领者。我们可以通过提高效率和可用性加速新型燃气轮机的设计,而且可以让这些技术进步更快地惠及客户。这种制造的灵活性也使西门子的研发更符合客户需求,并按需提供备件。”

西门子在材料科学、自动化、制造等关键领域拥有广博的知识和工艺专长,因此西门子在塑造3D打印行业的未来方面拥有巨大优势。下一步将是成功完成高级叶片设计测试,以充分挖掘增材制造的潜力。西门子正在研发仅能借助增材制造技术实现的独特燃气轮机设计,扩大增材制造轮机设备的批量生产。

3 D打印轮机部件

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。

从老工业港口城市NorrkÖping向东行驶半个小时便可到达Finspong。尽管Östergötland地区地势平坦,在Finspong附近却有一座山丘。由于山体为花岗岩,山顶平台为生产重型工业设备提供了理想场所。20世纪80年代,一座生产燃气轮机和蒸汽轮机的工厂在这里拔地而起。10多年前,西门子在收购阿尔斯通旗下一个业务部门时,接手了Finspong的工厂和办公楼。自2003年起,西门子工业透平机械公司就一直在这里制造中型工业燃气轮机。不过,“中型”这个术语是相对而言。这里生产的最大型燃气轮机SGT-800重达290t,装机容量高达54MW,足以满足大型工业设施的用电需求。

图为Finspong工厂内的3D打印车间。在这里,几台选择性激光熔化（SLM）机器利用金属粉末,逐层制造出新燃烧器。

参观工厂时,访客可以看到装配工人打开一台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。Andreas Graichen是西门子在Finspong的增材制造小组负责人。他说：“3D打印装置很快就可以生产出这些燃烧器的整个上半部分。”

1.可在天然气中混入60%的氢气

Graichen是焊接工程师出身,他为Finspong效力已有20多年。但是,在他的职业生涯中,他从未经历过在过去几个月、几年中所发生的天翻地覆的变化。很快,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。Graichen办公室的隔壁是一个车间,在这里,几台激光机器利用金属粉末逐层制造出新燃烧器。这是因为利用3D打印技术,只要轻触按钮即可生产出部件,仅需轻点鼠标就能变更设计。此外,过去不可能的设计现在也已能实现,如交织缠绕的空心部件或采用蜂窝状填充的无缝双层结构。

图为采用3D打印技术制造的燃气轮机旋流器

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。

同所有其他地方一样,Finspong采用的3D打印技术也是逐层打印出物体的。

2.焕然新生的再制造零件

得益于其灵活性,3D打印技术正渗透进越来越多的领域。Vladimir Navrotsky是Finspong工厂分布式发电服务业务的技术总监。2008年,当他开始利用增材制造技术进行实验时,这项技术的成本还十分高昂,仅可用于制作测试用的原型。但Navrotsky想利用这项技术来修复磨损部件,并最终制造出完整组件。现在,这两个目标均已实现,而相关工艺也已被整合到Finspong工厂的生产过程中了。

维修过程中,增强现实眼镜可支持远程指导

自2013年起,Navrotsky的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。“效率可以提高最多1%。”Navrotsky指出。另一个进步是使用新型打印材料。实际上,如今粉末制造商可以供应几乎任何想象所及的材料成分,包括能够耐受燃烧器尖端部位1 500℃高温的极为耐用的镍基材料。

3.储存在云端的备件

Vladimir Navrotsky是Finspong工厂分布式发电服务业务的技术总监

Graichen指出,增材制造技术开启了通往全数字化价值链的大门。他解释说,尽管许多制造工序已经实现数字化,但它们只是彼此隔绝的数字孤岛,我们仍需将这些孤岛自动联系起来,创造出全面的数字化价值链。一旦在若干传统车间内成功实现了数字化生产控制过程,企业就有望在靠近客户的地方进行生产。在未来的全数字化生产链中,客户与制造商之间的距离将不再是障碍。这是因为成品部件的运输将被数据传送所取代。数据能够又快又安全地发送至任何地方,甚至世界上最偏远的角落。

但如果无法获取数据呢？举例来讲,有些有着几十年历史的老工厂既没有备件,也没有数字化设计数据。为了生成这些数据,相关人员可以对原部件进行3D X光扫描,就像医院的CAT扫描成像那样。然后,这些新生成的数据集就可以用来控制采用增材制造技术的新部件的生产过程。这将为服务领域开创全新业务模式创造条件。Graichen表示：“当金属部件的打印变得像如今的纸张打印一样普遍时,数字化几何数据和制造数据将会变得比硬件更有价值。”