3D打印助力GE哈麗特燃?xì)廨啓C(jī)打破之前的聯(lián)合循環(huán)效率記錄

如果說(shuō)GE能源是個(gè)產(chǎn)品眾多的“大家族”，那么這其中集萬(wàn)千寵愛(ài)于一身的“公主”,，一定非哈麗特（Harriet）莫屬。她重達(dá)八十萬(wàn)磅,，體型驚人卻青春洋溢,，一出世便受到世人矚目。她就是目前世界上最大最高效的重型燃?xì)廨啓C(jī)——GE 9HA重型燃?xì)廨啓C(jī),。

如今GE HArriet憑借3D打印制造技術(shù),，打破了自己的凈效率記錄。在南卡羅來(lái)納州格林維爾工廠的測(cè)試中以64%的聯(lián)合循環(huán)效率擊敗了自身之前的設(shè)計(jì),。GE將HArriet效率的提升歸功于“通過(guò)不斷創(chuàng)新帶來(lái)的燃燒效率突破”,，而這里面的創(chuàng)新則離不開(kāi)3D打印技術(shù)所制造的汽輪機(jī)的多個(gè)關(guān)鍵部件

Harriet裝備有原先為超音速噴氣飛機(jī)開(kāi)發(fā)的高溫合金單晶透平葉片，因配合有先進(jìn)的冷卻技術(shù),，可以耐受最高2,900華氏度(1,600℃）的高溫,。不僅如此，Harriet在整個(gè)生命周期中擁有很高的經(jīng)濟(jì)效益,。GE H家族的燃?xì)廨啓C(jī)被全球70多家客戶的發(fā)電廠使用,。通過(guò)將燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的廢熱重新導(dǎo)向蒸汽輪機(jī)，循環(huán)發(fā)電的方式以相同的燃料產(chǎn)生50％以上更多的電力,。

就在這個(gè)新紀(jì)錄誕生的18個(gè)月前,，9HA.01燃?xì)廨啓C(jī)還贏得了吉尼斯世界紀(jì)錄，為世界上最高效的循環(huán)發(fā)電廠提供動(dòng)力,。在法國(guó)Bouchain工廠,，GE 9HA產(chǎn)生足夠的電力，提供達(dá)605MW的發(fā)電量為60萬(wàn)個(gè)家庭提供能源,。

在循環(huán)發(fā)電的系統(tǒng)配置中,，效率為64％的新型9HA.02燃?xì)廨啓C(jī)的總輸出功率為826兆瓦。根據(jù)GE能源公司的估計(jì),，額外的電力可以為全球客戶“節(jié)約數(shù)百萬(wàn)美元的燃料”,。

金屬3D打印被應(yīng)用到燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化方面,。金屬3D打印所實(shí)現(xiàn)了更復(fù)雜的幾何形狀，使得工程師可以改進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)中的燃料和空氣的預(yù)混合,，以實(shí)現(xiàn)最大的發(fā)電效率,。通過(guò)3D打印技術(shù)制造優(yōu)化的關(guān)鍵零件，從而提升設(shè)備的整體性能,，GE已經(jīng)體驗(yàn)到了3D打印技術(shù)“四兩撥千斤”的價(jià)值放大效應(yīng),。

GE供應(yīng)鏈和運(yùn)營(yíng)部門(mén)的Edward Herderick在2017年的“航空防務(wù)與航天國(guó)防智能增材制造”（AMADS）會(huì)議上提到了三層思考的過(guò)程。這是從零部件更換,、產(chǎn)品再設(shè)計(jì)和絕對(duì)設(shè)計(jì)增材制造（DfAM）思想的過(guò)渡,。在GE的跨行業(yè)運(yùn)營(yíng)體系中，特別是在航空航天領(lǐng)域,，3D打印正在各個(gè)層面上尋求與現(xiàn)有制造技術(shù)的整合,。

就在2017年12月5日，GE位于德國(guó)慕尼黑的首家國(guó)際客戶體驗(yàn)中心盛大開(kāi)幕,，該中心投資1500萬(wàn)美元,，在2700平方米的設(shè)施中為現(xiàn)有和潛在客戶提供從設(shè)計(jì)到原型再到生產(chǎn)的增材制造各個(gè)方面的體驗(yàn)，幫助客戶思考工業(yè)化流程,，幫助改進(jìn)他們的產(chǎn)品和供應(yīng)鏈,。目前已經(jīng)安裝了Concept Laser和Arcam 10臺(tái)金屬3D打印設(shè)備，還通過(guò)Additive Academy™增材學(xué)院來(lái)為客戶提供增材制造設(shè)計(jì),、工藝開(kāi)發(fā),、原型設(shè)計(jì)和工業(yè)化增材制造等領(lǐng)域的培訓(xùn)。

圖片：GE位于慕尼黑的國(guó)際客戶體驗(yàn)中心開(kāi)幕

一方面是推進(jìn)3D打印在GE內(nèi)部和外部客戶領(lǐng)域的應(yīng)用,，另一方面是通過(guò)合作推進(jìn)GE產(chǎn)品在全世界范圍內(nèi)的引入,。在中國(guó)，GE與哈電集團(tuán)2014年就簽署了9HA技術(shù)轉(zhuǎn)讓協(xié)議,，GE哈爾濱創(chuàng)新中心將和哈電協(xié)同創(chuàng)新,，共同幫助Harriet實(shí)現(xiàn)本土化，成為為中國(guó)市場(chǎng)量身打造的設(shè)備,。

在Harriet的哈爾濱創(chuàng)新中心，GE公司的工程師們,、哈電集團(tuán)研發(fā)部門(mén)的工程師以及美國(guó)和法國(guó)等地的專家資源將共同研究中國(guó)客戶的需求,，為Harriet鋪平本土化之路，或許我們可以期待,，在不久的將來(lái),，帶有3D打印關(guān)鍵零部件的9HA.02也在中國(guó)組裝線上生產(chǎn)。

雖然GE官方并未透漏9HA.02上使用的3D打印技術(shù)細(xì)節(jié),，但根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究,，GE于2017年1月24日獲批的專利中，內(nèi)容包括燃料噴射器主體和冷卻系統(tǒng)的制造技術(shù)。

燃?xì)廨啓C(jī)一般包括壓縮機(jī)部分,、具有燃燒器的燃燒部分和渦輪部分,。壓縮機(jī)部分逐漸增加工作流體的壓力，以便向燃燒部分提供壓縮的工作流體,。燃料被注入壓縮工作流體中以形成可燃混合物,。

可燃混合物在燃燒室內(nèi)燃燒以產(chǎn)生具有高溫、壓力和速度的燃燒氣體,。較高的燃燒氣體溫度可以提高燃燒器的熱力學(xué)效率,。較高的燃燒氣體溫度可提高雙原子氮的分解率，相反,，較低的燃燒氣體溫度普遍降低了燃燒氣體的化學(xué)反應(yīng)速率,，從而增加生產(chǎn)的一氧化碳（CO）和未燃燒的碳?xì)浠衔铮║HCS）在燃燒室的停留時(shí)間。

為了平衡燃燒器的整體排放性能和熱效率,，某些燃燒器設(shè)計(jì)包括多個(gè)燃料噴射器,，該燃料噴射器布置在襯墊周?chē)⑶彝ǔ闹魅紵齾^(qū)下游定位,。燃料噴射器一般通過(guò)襯墊徑向延伸,，以將流體連通到燃燒氣體流場(chǎng)中。

為了克服燃燒氣體流場(chǎng)中燃燒氣體的高動(dòng)量,，必須通過(guò)噴油器引導(dǎo)大量壓縮空氣以將燃料充分推入燃燒氣流中,。燃料必須在相對(duì)較高的壓力下供給，以充分推動(dòng)燃料進(jìn)入燃燒氣體流場(chǎng),。

解決這些問(wèn)題的當(dāng)前解決方案包括將燃料噴射器的少一部分通過(guò)襯里向內(nèi)徑延伸到燃燒氣體流場(chǎng)中,。然而，這種方法將燃料噴射器暴露在熱燃燒氣體中,，可能會(huì)影響組件的機(jī)械壽命和導(dǎo)致燃料焦炭積累,。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，GE改進(jìn)了用于將燃料噴射器延伸到燃燒氣體流場(chǎng)中的冷卻系統(tǒng),。

GE于2017年1月24日獲批的專利包括燃料噴射器主體,，包括確定主體包括冷卻通道的三維建模信息，將三維建模切分成多個(gè)切片橫斷層,，并通過(guò)電子束融化技術(shù)將各層融化凝固起來(lái),，從而制造出燃料噴射器主體。

GE獲批的專利還包括用于冷卻延伸到燃燒氣體流場(chǎng)的燃料噴射器的系統(tǒng),。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究,，該系統(tǒng)包括通過(guò)燃燒室限定燃燒氣流路徑的襯里、通過(guò)襯里延伸的燃料噴射器開(kāi)口和燃料噴射器,。

噴油器主體采用粉末床激光熔融或電子束熔融EBM技術(shù)制造,。激光熔融增材制造工藝允許更復(fù)雜冷卻通道模式,，這樣的通道幾乎無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的制造方法制造。此外,，增材制造減少潛在的泄漏和其他潛在的不良影響,，例如通過(guò)傳統(tǒng)方法需要有多個(gè)組件釬焊或結(jié)合在一起以形成冷卻通道，這不僅僅增加了工藝的復(fù)雜性和程序,，還帶來(lái)了潛在的質(zhì)量隱患,。

通過(guò)激光熔融技術(shù)，每層的尺寸在0.0005英寸到大約0.001英寸之間,。GE在該專利中所使用的是（但不限于）EOSINT™ M 270 , 以及PHENIX PM250, 或者EOSINT™ M 250 ,。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，GE所采用的金屬粉末成分中含有鈷鉻,，例如（但不限于）HS1888和INCO625,。金屬粉末的粒徑大約在10微米到74微米之間，最好是在大約15微米和大約30微米之間,。

來(lái)源：3D科學(xué)谷
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