3D-печать для турбинных деталей: ускорение разработки, производительности и устойчивости

3D-печать трансформирует прототипирование, производство и обслуживание в турбомашиностроении.

Технология предлагает мощную альтернативу литью и механической обработке для широкого спектра компонентов турбомашин.

В этом Application Spotlight рассматриваем осязаемые преимущества 3D-печати в турбомашиностроении и демонстрируем убедительные реальные примеры.

Другие применения в серии:

• 3D-печать для теплообменников
• 3D-печать для подшипников
• 3D-печать для велосипедного производства
• 3D-печать для цифровой стоматологии и производства элайнеров
• 3D-печать для медицинских имплантов
• 3D-печатанные ракеты и будущее космического производства
• 3D-печать для обуви
• 3D-печать для электронных компонентов
• 3D-печать в ж/д отрасли
• 3D-печатанные очки
• 3D-печать для производства конечных деталей
• 3D-печать для кронштейнов
• 3D-печать для турбинных деталей
• Как 3D-печать улучшает гидравлические компоненты
• Как 3D-печать поддерживает инновации в ядерной энергетике

Что такое турбомашина?

Каждая современная энергетическая система — от ракет и реактивных двигателей до ветряных турбин и гидроэлектростанций — опирается на турбомашины. Турбомашина — вращающееся устройство, где ротор или рабочее колесо движется через жидкость — газ, пар, воду или воздух — превращая энергию жидкости в используемую механическую мощность.

Преимущества 3D-печати для турбомашиностроения

Более быстрая разработка продукта

3D-печать драматически сокращает цикл дизайн-прототип. Инженерам больше не нужно изготавливать оснастку; они могут отправить цифровой файл прямо на принтер, производя функциональную деталь за часы или дни.

Siemens использовал этот подход в 2017 году для разработки и тестирования лопаток газовых турбин. Печатая прототипы, Siemens сократил время разработки и валидации с двух лет до всего двух месяцев и перешёл от тестирования одного дизайна к оценке десяти вариантов за этот период.

Поскольку лопатки могли тестироваться под реальными операционными условиями, Siemens улучшил систему охлаждения и продлил срок службы лопаток. Компания теперь ожидает переход к полностью 3D-печатанным лопаткам в ближайшие три–пять лет.

Более быстрое производство

Sulzer сочетал металлическую 3D-печать с механической обработкой для создания закрытых рабочих колёс — критического компонента насоса, ускоряющего жидкость для генерации давления.

Традиционное литьё закрытого рабочего колеса может производить дефекты поверхности и занимать до 35 дней. Гибридный процесс Sulzer — 5-осевое фрезерование заготовки с последующим Лазерным металлическим напылением (LMD) — производит готовую деталь примерно за 48 часов.

Гибкость дизайна

3D-печать позволяет консолидацию компонентов, сокращая шаги сборки и повышая прочность. Siemens перепроектировал топливный сворлер газовой турбины из десяти отливных и механически обработанных деталей в единую аддитивно-напечатанную деталь.

Перепроектированный сворлер — из раствора-усиленного сплава Inconel — помещается в одну сборку EOS M 400-4 четырёхлазерного порошкового спекания, производящую 16 единиц за запуск до 100 часов.

Более быстрый ремонт

Селективное лазерное плавление (SLM) и LMD также оптимизируют ремонт изношенных деталей. Siemens пионерировал SLM-ремонт наконечника горелки, который обрезает только повреждённую зону и перестраивает наконечник слой за слоем.

Процесс сокращает время ремонта на 90 %, и с 2013 года Siemens отремонтировал более 2000 горелок. Siemens также использует LMD для замены лопаток и лопаток, устраняя традиционную сварку.

3D-печать — будущее турбомашиностроения?

Аддитивное производство ускоряет разработку продуктов, улучшает производительность компонентов и сокращает циклы ремонта. Следующая граница — интегрированные датчики: Optomec напечатал датчики напряжения прямо на лопатках турбин своей Aerosol Jet технологией, позволяя мониторинг структуры в реальном времени.

GE, Oak Ridge National Laboratory и Xerox-owned PARC 확보или $1,3 млн для сокращения временной линии дизайна-валидации для 3D-печатанных турбинных компонентов до 65 %. Цель — дефект-свободная, высокопроизводительная, мультифункциональная деталь, выдерживающая экстремальные температуры и напряжения.

Хотя 3D-печать для турбомашиностроения всё ещё الناشئة, её импульс неоспорим. По мере того как производители гонятся за долговечностью и эффективностью, аддитивное производство станет неотъемлемым для будущих турбинных дизайнов.