增材制造——全球首臺3D打印微孔預(yù)混9HA燃?xì)廨啓C(jī)抵達(dá)中國
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2023-01-11 12:49
近日，國內(nèi)進(jìn)口的全球首臺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。待正式并網(wǎng)發(fā)電后，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。
“大九”身懷絕技
據(jù)了解，重達(dá)390T的全球首臺3D打印微孔預(yù)混9HA燃?xì)廨啓C(jī)俗稱為“大九”，本次由臨港港務(wù)集團(tuán)負(fù)責(zé)作業(yè)的“大九”是中國進(jìn)口的首臺9HA燃?xì)廨啓C(jī)。值得一提的是，這臺“大九”還有一個(gè)特殊身份，即全球第一臺采用3D打印微孔預(yù)混(MicroMixer)燃燒室的9HA燃機(jī)。
該燃?xì)廨啓C(jī)是由上海長航國際海運(yùn)有限公司負(fù)責(zé)承運(yùn)的哈爾濱電氣集團(tuán)天津軍糧城電廠項(xiàng)目核心部件，與傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)相比，9HA燃?xì)廨啓C(jī)在降低碳排放、提高燃燒效率方面有明顯的提升，聯(lián)合循環(huán)效率將高于62%。同時(shí)，此機(jī)器調(diào)峰靈活，對電網(wǎng)穩(wěn)定性也有極大幫助。
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)，但據(jù)中國3D打印網(wǎng)了解，GE于2017年1月24日獲批的專利2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?UHCS)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圍，并且通常從主燃燒區(qū)下游定位。燃料噴射器一般通過襯墊徑向延伸，以將流體連通到燃燒氣體流場中。
為了克服燃燒氣體流場中燃燒氣體的高動(dòng)量，必須通過噴油器引導(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。解決這些問題的當(dāng)前解決方案包括將燃料噴射器的少一部分通過襯里向內(nèi)徑延伸到燃燒氣體流場中。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)谷的市場研究，GE改進(jìn)了用于將燃料噴射器延伸到燃燒氣體流場中的冷卻系統(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，并通過電子束融化技術(shù)將各層融化凝固起來，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的燃料噴射器的系統(tǒng)。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究，該系統(tǒng)包括通過燃燒室限定燃燒氣流路徑的襯里、通過襯里延伸的燃料噴射器開口和燃料噴射器。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，這樣的通道幾乎無法通過傳統(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，還帶來了潛在的質(zhì)量隱患。
通過激光熔融技術(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。
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)。
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)-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。
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。在南卡羅來納州格林維爾工廠的測試中以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“通過不斷創(chuàng)新帶來的燃燒效率突破”，而這里面的創(chuàng)新則離不開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)百萬美元的燃料”。
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，另一方面是通過合作推進(jìn)GE產(chǎn)品在全世界范圍內(nèi)的引入。在中國，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，成為為中國市場量身打造的設(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)部門的工程師以及美國和法國等地的專家資源將共同研究中國客戶的需求，為Harriet鋪平本土化之路，或許我們可以期待，在不久的將來，帶有3D打印關(guān)鍵零部件的9HA.02也在中國組裝線上生產(chǎn)。（來源：3D科學(xué)谷）
河北敬業(yè)增材制造科技有限公司成立于2015年，總投資規(guī)模23.4億元人民幣，是全國500強(qiáng)企業(yè)---敬業(yè)集團(tuán)的全資子公司，公司位于河北省石家莊市平山縣南甸鎮(zhèn)敬業(yè)集團(tuán)工業(yè)園區(qū)，是一家集專業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、銷售高端氣霧化金屬粉末、激光再制造、3D打印服務(wù)于一體的全流程增材制造公司。
我公司現(xiàn)有EOS M290打印機(jī)8臺，EOS M400-4 1臺，Arcam 電子束粉末快速成形系統(tǒng)和鉑力特S310各1臺，其中EOS M400-4屬國內(nèi)先進(jìn)設(shè)備，配備四個(gè)激光頭，打印效率是E0S M290單激光頭的3倍以上，具有成型精確、材料利用率高等優(yōu)點(diǎn);公司致力于為各制造領(lǐng)域客戶提供金屬3D打印整體解決方案，業(yè)務(wù)主要涉及到航空航天零部件、模具、醫(yī)療器械及骨科植入物、汽車制造，船舶制造等領(lǐng)域。
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