GE通過3D打印改進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)中的燃料和空氣的預(yù)混合
發(fā)布時(shí)間：
2023-01-11 12:45
2019年4月，國內(nèi)進(jìn)口的全球首臺(tái)3D打印微孔預(yù)混9HA燃?xì)廨啓C(jī)在天津港保稅區(qū)臨港區(qū)域大沽口港區(qū)抵津接卸，天津的居民和企業(yè)將享受9HA燃機(jī)帶來的清潔、高效能源。而在這清潔高效能源的背后，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。
本期，3D科學(xué)谷結(jié)合GE于2019年9月17日最新專利《Premixer for Gas Turbine Combustor》來與谷友進(jìn)一步了解3D打印預(yù)混合器的奧妙所在。
復(fù)雜形狀的預(yù)混合器
在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，可燃材料(例如，與空氣混合的燃料)在燃燒器中燃燒，產(chǎn)生高能燃燒流體。燃燒流體經(jīng)由過渡管道被引導(dǎo)至渦輪機(jī)，其中燃燒流體在空氣動(dòng)力學(xué)上與渦輪機(jī)葉片相互作用，從而使它們旋轉(zhuǎn)。渦輪機(jī)可通過一個(gè)或多個(gè)軸聯(lián)接到壓縮機(jī)，使得渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)葉片驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。渦輪機(jī)可用于發(fā)電，為負(fù)載供電或一些其他用途。
可燃材料在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒器中燃燒以形成高能燃燒流體，其被引導(dǎo)至渦輪機(jī)。在渦輪機(jī)中，燃燒流體在空氣動(dòng)力學(xué)上與葉片相互作用，從而使渦輪機(jī)的葉片旋轉(zhuǎn)。通過將燃料更徹底地混合到供應(yīng)到燃燒器的壓縮空氣中，可以實(shí)現(xiàn)更完全的燃燒反應(yīng)，從而減少燃料消耗并減少廢氣排放。
3D打印預(yù)混合器。來源：US10415833B2
通過使壓縮空氣和燃料通過預(yù)混合器，預(yù)混合器制造渦旋運(yùn)動(dòng)，離開預(yù)混合器的燃料 – 空氣混合物可以更徹底地混合。預(yù)混合器可包括多個(gè)流體流動(dòng)路徑，其中每個(gè)流動(dòng)路徑具有葉狀橫截面，橫截面沿著流動(dòng)路徑的長度扭轉(zhuǎn)，在流過流動(dòng)路徑的流體中引起渦旋運(yùn)動(dòng)，從而更徹底地混合燃料和壓縮空氣。而流動(dòng)路徑的橫截面的尺寸可沿著流動(dòng)路徑的長度收縮，從而產(chǎn)生錐形流動(dòng)路徑。
3D打印預(yù)混合器的側(cè)面透視圖。來源：US10415833B2
3D打印技術(shù)使得制造復(fù)雜形狀的預(yù)混合器成為現(xiàn)實(shí)，預(yù)混合器帶來的旋渦運(yùn)動(dòng)有助于使液體燃料與空氣霧化和混合，使得除了氣體燃料之外還能夠使用液體燃料。并且可以產(chǎn)生噴射穩(wěn)定的火焰，帶來較低的動(dòng)態(tài)性和較高的火焰穩(wěn)定裕度，而高出口速度可用于減少或消除火焰回火風(fēng)險(xiǎn)。
3D打印預(yù)混合器的透視圖。來源：US10415833B2
3D科學(xué)谷Review
如果說GE能源是個(gè)產(chǎn)品眾多的“大家族”，那么這其中集萬千寵愛于一身的“公主”，一定非哈麗特(Harriet)莫屬。她重達(dá)八十萬磅，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)。
通過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)。
而不僅僅是GE，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，西門子已經(jīng)成功地為SGT-A05航改式燃?xì)廨啓C(jī)降低了排放量，通過3D打印干式低排放(DLE)預(yù)混合器獲得了令人印象深刻的結(jié)果，顯示出可顯著降低CO排放。這一成就進(jìn)一步鞏固了西門子世界領(lǐng)先的增材制造創(chuàng)新應(yīng)用以及其能源領(lǐng)域的地位。
西門子開發(fā)的SGT-A05燃?xì)廨啓C(jī)的3D打印干式低排放(DLE)預(yù)混合器。來源：西門子
西門子通過3D打印制造這種特定燃?xì)廨啓C(jī)部件所取得的成就是顯著的。從概念到發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試，開發(fā)只用了七個(gè)月，這對(duì)于需要如此嚴(yán)格的公差并且在高負(fù)載和溫度下工作的組件而言是令人印象深刻的。DLE預(yù)混合器非常復(fù)雜，使用傳統(tǒng)的鑄造和CNC機(jī)加工制造方法涉及20多個(gè)零件。通過使用西門子合格的鎳基超級(jí)合金作為增材制造材料，3D打印預(yù)混合器部件僅需要兩個(gè)部件組成，并且交付周期減少了約70%。
DLE預(yù)混合器的3D打印使西門子能夠簡化生產(chǎn)過程中的復(fù)雜性，減少供應(yīng)鏈中的外部依賴性，并改善組件的幾何形狀，從而實(shí)現(xiàn)更好的燃料 – 空氣混合。（來源：3D科學(xué)谷）
參考資料：US10415833B2_premixer for gas turbine combustor_20190917
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