西門子和Fraunhofer 研究所用模塊化思路3D打印燃氣輪機葉片

寂靜天花板

燃氣輪機是以連續(xù)流動的氣體為工質(zhì)帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將燃料的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膬?nèi)燃式動力機械，是一種旋轉(zhuǎn)葉輪式熱力發(fā)動機。燃氣輪機的應用主要分為兩大類，一類是以勞斯萊斯、普惠、GE為代表的航空發(fā)動機公司用航空發(fā)動機改型而形成的輕型燃氣輪機，主要用于工業(yè)和輪船；一類是以西門子、ABB、GE公司為代表，遵循傳統(tǒng)的蒸汽輪機理念發(fā)展起來的工業(yè)重型燃氣輪機，主要用于機械驅(qū)動和大型電站。

燃氣輪機由壓氣機、燃燒室和燃氣渦輪等部分組成。燃燒室和渦輪不僅工作溫度高，而且還承受燃氣輪機在起動和停機時，因溫度劇烈變化引起的熱沖擊，工作條件惡劣，它們是決定燃氣輪機壽命的關鍵部件。為確保有足夠的壽命，這兩大部件中工作條件最差的零件，例如葉片，是使用高溫材料制造的。不僅如此，還需要為葉片等零部件設計冷卻結構，從而保證它的使用壽命。帶冷卻結構的葉片對制造技術提出巨大挑戰(zhàn)。西門子公司與德國Fraunhofer 激光技術研究所合作，使用SLM 3D打印技術優(yōu)化了復雜的燃氣輪機渦輪葉片的制造工藝。

模塊化的設計和制造

西門子公司在德國柏林附近建立了清潔能源中心，這里是燃氣輪機進行測試的試驗場，燃氣輪機在這里將經(jīng)過超過1500°C 的高溫測試。測試的目的是優(yōu)化燃氣輪機的燃燒過程，從而達到更好的能源利用效率。

但是由于燃氣輪機的葉輪是使用高溫合金精密鑄造而成的，葉輪的制造周期長達數(shù)月之久，并且花費不菲，從而導致燃氣輪機產(chǎn)品的測試周期過長。為了改善這一狀況，西門子與德國Fraunhofer激光技術研究所合作，通過選擇性激光熔化（SLM） 3D打印技術優(yōu)化燃氣輪機葉片的制造工藝，實現(xiàn)快速制造。

我們已經(jīng)了解到，在燃氣輪機運行時渦輪葉片將處在一種高溫環(huán)境中。渦輪機中的導向葉片將使熱氣流通到移動轉(zhuǎn)子葉片中。導向葉片包括兩個平臺和一個帶復雜冷卻結構的翼型件。帶冷卻結構的翼型件對制造提出了巨大挑戰(zhàn)。

SLM 3D打印技術雖然相比傳統(tǒng)工藝更適合承擔復雜零部件的制造，但是進行3D打印時需要添加內(nèi)部的支撐結構。支撐結構的存在為打印之后的后續(xù)處理工作增加了難度。為了盡量在3D打印時減少支撐構，F(xiàn)raunhofer激光技術研究所 采用了模塊化的葉片設計思路，將葉片的兩個部分分別進行3D打印，完成之后再進行焊接。

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經(jīng)激光技術研究所改進后的工藝鏈完成了帶復雜冷卻結構的葉片制造任務，并且提高了表面質(zhì)量。西門子公司在導向葉片完成3D打印之后進行了精密測量、精加工以及高溫焊接工作。在雙方合作下制造的功能性葉片經(jīng)過了大量的測試，設計工程師在測試中獲得了大量數(shù)據(jù)。

渦輪機葉片模塊化設計和制造思路為其他復雜零部件的制造提供了可借鑒的經(jīng)驗，也為連接精密鑄造的零部件與SLM 3D打印的零部件提供了可能性。同時，對于目前金屬3D打印設備無法完成的大型復雜零部件，也可以從模塊化設計和制造的思路中得到一定啟示。