燃?xì)廨啓C(jī)是重要的發(fā)電裝備，由壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪三大部分組成，其中燃燒室由外殼與內(nèi)部的火焰筒、燃燒器組成，燃燒氣體通過燃燒室端部燃料入口進(jìn)入燃燒室火焰筒與壓氣機(jī)壓入的空氣混合燃燒，實(shí)現(xiàn)膨脹做功。燃燒室是燃?xì)廨啓C(jī)中的重要部件，它們設(shè)計(jì)難度大、材料昂貴，加工工藝復(fù)雜，燃?xì)廨啓C(jī)的可靠性在很大程度上取決于這些部件的制造水平和維修水平。
西門子Finspong工廠利用金屬3D打印技術(shù)直接制造燃燒室中的復(fù)雜燃燒器零部件，并利用3D打印技術(shù)對燃燒器進(jìn)行快速修復(fù)。3D打印技術(shù)為西門子的燃燒器設(shè)計(jì)、制造及修復(fù)帶來哪些優(yōu)勢？
西門子位于Finspong的燃?xì)廨啓C(jī)工廠負(fù)責(zé)生產(chǎn)工業(yè)汽輪機(jī)，其中型號為SGT-800的燃?xì)廨啓C(jī)集可靠耐用的工業(yè)設(shè)計(jì)與高效率、低排放的特點(diǎn)于一身，應(yīng)用用戶為工業(yè)發(fā)電客戶如能源公司、獨(dú)立發(fā)電商、公用事業(yè)公司和市政電力部門。
SGT-800燃汽輪機(jī)重達(dá)290噸，能夠產(chǎn)生54兆瓦的電力，30個雙燃料DLE燃燒器安裝在環(huán)形的燃燒室中。燃燒器本身的設(shè)計(jì)極為復(fù)雜，燃汽輪機(jī)整體的設(shè)計(jì)則采用了便于拆卸的模塊化設(shè)計(jì)，例如可拆卸的燃燒器，這樣的設(shè)計(jì)便于對燃燒器進(jìn)行簡單快速檢查與維修。
工業(yè)流程中產(chǎn)生的氫氣或合成氣是潛在的燃?xì)廨啓C(jī)燃料，西門子Finspong工廠希望能夠利用這些氣體為汽輪機(jī)提供動力，但是由于在使用時(shí)這些氣體需要通過燃燒器進(jìn)行均勻混合，而現(xiàn)有的燃燒器無法達(dá)到這樣的效果，所以西門子一直無法將這些氣體加以利用，而經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化的3D打印燃燒器解決了氣體均勻混合的問題，讓西門子得以對這些氣體進(jìn)行燃燒測試。
以往通過鑄造工藝制造的燃燒器由幾個拆分的部件焊接而成，通過這種燃燒器僅可在空氣中混入幾個百分點(diǎn)的氫氣。選擇性激光熔化3D打印技術(shù)則為燃燒器的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了更廣闊的空間，經(jīng)過優(yōu)化后的燃燒器擁有一個外壁和一個框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁， 這個復(fù)雜的雙壁結(jié)構(gòu)零部件最終通過金屬3D打印設(shè)備一次性完成制造，不需要將幾個單獨(dú)的部件焊接在一起。Finspong工廠的測試表明，3D打印燃燒器可以均勻混入60%的氫氣，顯著高于傳統(tǒng)燃燒器。
早在2008年西門子Finspong工廠的分布式發(fā)電服務(wù)部門就已開始使用3D打印技術(shù)，限于當(dāng)時(shí)成本與技術(shù)的限制，3D打印技術(shù)僅被用于制造產(chǎn)品原型，在經(jīng)過5年的發(fā)展和經(jīng)驗(yàn)積累之后，2013年分布式發(fā)電服務(wù)部門已將3D打印的應(yīng)用拓展至燃燒器的修復(fù)中，如今這些應(yīng)用已經(jīng)融入到Finspong工廠的日常生產(chǎn)工藝中。
燃燒器工作在一個極端高溫的環(huán)境下，西門子的服務(wù)工程師會在燃燒器工作3萬小時(shí)之后將其拆除，然后送到Finsopong工廠進(jìn)行修復(fù)。在這里，工程師將燃燒器頂部去除掉一部分，然后通過近凈形3D打印技術(shù)直接將需要修復(fù)和重建的部分打印在原有的零部件上，大約20小時(shí)之后，舊的燃燒器就修復(fù)完成了，隨后工程師就可以盡快將修復(fù)好的燃燒器安裝回去，盡可能降低因停機(jī)帶來的損失。通過這種方式，西門子不僅可以對燃燒器按照原有設(shè)計(jì)進(jìn)行修復(fù)，還可以根據(jù)客戶要求按照最新優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案對燃燒器進(jìn)行修復(fù)。
分布式發(fā)電服務(wù)部門的技術(shù)總監(jiān)表示，用3D打印技術(shù)進(jìn)行燃燒器修復(fù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)零件的現(xiàn)場快速修復(fù)，節(jié)省大量時(shí)間，減少停機(jī)帶來的損失，同時(shí)修復(fù)后的零件還使能源利用率得到提升。可用于燃燒器修復(fù)的3D打印材料包括耐高溫的鎳基合金材料。
除了將3D打印技術(shù)應(yīng)用在復(fù)雜燃燒器的直接制造與修復(fù)中，西門子還將在燃?xì)廨啓C(jī)的備品備件的生產(chǎn)中應(yīng)用3D打印技術(shù)，特別是對于設(shè)計(jì)圖紙缺失的停產(chǎn)零部件，西門子希望通過三維掃描、三維建模和3D打印這樣的數(shù)字化技術(shù)，為用戶制造出小批量的備件。小編認(rèn)為，無論是哪一種應(yīng)用，西門子都緊緊抓住了3D打印技術(shù)在制造復(fù)雜產(chǎn)品、小批量產(chǎn)品和無模具制造方面的優(yōu)勢。
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