通过增材制造激发涡轮机械创新
点击量：407 发布时间：2021-11-10 作者：状迈（上海）增材制造技术有限公司
根据布鲁金斯学会的数据，尽管全球减少温室气体排放的运动正在推动转向可再生能源，但化石燃料仍然产生了当今 64% 的电力。为了满足降低排放的需求，能源行业正在从以煤炭和石油为基础的燃料过渡到燃烧更清洁的天然气。
这种转变正在迅速改变发电厂。能源生产商正在改造现有工厂并从头开始建造新设施。这些新设施的核心是将天然气转化为电能的大型工业涡轮机。涡轮机械行业竞争激烈，市场要求提高燃油效率、发电量、系统可靠性并降低维护成本，以及制造和供应链效率。这种快节奏的变革为燃气轮机制造商提供了一个强大的机会——但传统的制造方法无法跟上创新的步伐。
燃气轮机需要高要求的高温合金和越来越复杂的形状。传统的制造方法需要很长的交货时间并会产生大量的废物。此外，它们通常涉及多部件组件，这些组件的生产和生产涡轮机的成本较高，应力和故障风险较高。
领先的涡轮机械制造商正在通过转向增材制造（通常称为 3D 打印）来克服这些挑战并加快创新速度。增材制造可提供设计灵活性、增强的系统性能和效率、更高的可靠性、更快的上市时间以及改进的供应链效率。AM 彻底改变了涡轮机械部件生产中的各种应用。
优化燃烧器的功率输出和燃料效率
燃烧器是涡轮机械性能的基础。实现最大可能的燃油效率和功率输出取决于促进燃烧和燃烧清洁的内部结构。燃烧部件需要尽可能高的质量，并由坚固、耐热的高温合金制成。然而，当制造商使用传统的加工工艺来塑造这些材料时，他们通常会缩短刀具寿命并产生更多的浪费。
相比之下，增材制造在设计燃烧器时为工程师提供了前所未有的灵活性。无论是几何形状还是高温合金的类型都没有任何困难。工程师可以开发新颖的孔口形状和混合室，优化燃料和空气混合物。用整体部件替换多部件组件（例如燃料喷射器、旋流器和混合器）可以提高产量、降低劳动力成本并确保组件在最高温度和工作压力下的完整性。
将多个零件组件整合为单个零件可提高制造产量和组件可靠性，同时高效冷却通道的集成可提高热性能。
设计可承受高温和高压的定子叶片
在所谓的涡轮机械“热区”内，压气机和涡轮定子叶片承受强烈的热压力和结构压力。每个叶片或集成定子都必须满足零件完整性、精度和质量的严格要求，以确保整个涡轮机的性能。
用于制造定子叶片的两种传统工艺提出了重大挑战。在熔模铸造方面，主要障碍是时间。这种已有数十年历史的工艺依赖于蜡模，但用于冲压模的模具加工成本高昂，并且需要数周或数月的时间来生产。另一种传统方法是用钢坯制造叶片和环，成本高昂，尤其是考虑到所需超级合金的坚固性。此外，这些复杂的形状必须钎焊在一起，这可能会牺牲最终部件的强度和寿命。
通过增材制造，可以通过将几个部分合并为一个来减少所有这些缺陷。合并零件组件可提高制造产量并显着提高可靠性。它还允许设计人员在这些关键部件中构建复杂的内部冷却通道——那些难以加工的通道——从而提高热性能并最大限度地提高效率。
开启叶轮性能的新水平
通过传统的制造方法生产工业燃气轮机叶轮是昂贵的。形状复杂，切割金属极具挑战性，导致废品率高达 80%。对于管道式高性能叶轮尤其如此，由于其封闭形状，生产成本更高。工程师通常必须做出妥协以提供具有成本效益的设计。
增材制造允许涡轮机械制造商设计复杂的管道式叶轮，这些叶轮在压缩空气方面效率更高。优化拓扑结构并将晶格结构应用于这个关键的旋转设备组件还可以让工程师减轻其重量，从而以更少的能量实现更高的 RPM，以及更高的系统总功率输出。
特别是，两种 AM 工艺提供了显着的优势。从加工坯料切换到直接金属打印消除了涉及零件复杂性的限制，同时加快了生产速度并减少了浪费。当需要熔模铸造时——例如，使用更大的叶轮或更大体积的零件——3D 打印蜡模可用于任何合金，提供免工具工作流程的灵活性和成本节约。
更快地生产高质量的外壳和管道，消除工具成本
适当的废气排放对于燃气轮机的效率与大量的进气供应同样重要。管道对两者都是必不可少的——工业燃气轮机需要大而复杂的外壳和管道，这些外壳和管道通常是为现场定制的。
尖端的增材制造工艺使建筑师和工程师能够在几天内完成从 CAD 文件到铸造的过程。增材制造使工程师可以自由地为涡轮机外壳和管道创建更坚固、更可靠的熔模铸造模型，从而提高气流效率。减少组件数量也意味着更少的故障点，从而延长正常运行时间和可靠性。
增加增材制造的好处
在高科技、竞争激烈的涡轮机械行业中，加快创新步伐与进行重大功能改进同样重要。增材制造能够快速、低成本地生产用于形状、配合和功能测试的复杂零件，从而加快了设计周期。无论您是制造燃烧器、定子叶片、叶轮还是铸件，AM 都能生产满足或超过设计标准的高性能燃气轮机部件。整个发电厂将从提高燃料效率、降低维护成本和减少温室气体排放等方面获益。
