如果说5年前，3D打印还主要用于制造一些看起来“笨笨”的，“毛毛”的产品，那么如今的3D打印则“脱胎换骨”，更多的用于生产像发动机关键零部件，复杂的航空控制阀这样的零件。
在3D打印快速发展的今天，对于企业来说，既要跟上节拍，抓住机遇，又要注意方向，防止高速发展中出现跑偏，那么有哪些可以借鉴和参考的信息呢？3D科学谷根据其自身的咨询业务延伸至资讯领域，开辟的谷研究板块，正是为业界提供不同于新闻的增材制造领域技术前沿发展情况的深度剖析。
本期，根据3D科学谷的市场研究，为应对复杂零件制造的挑战，GE已将3D打印应用于燃气轮机燃烧器的液体燃料盒组件制造并申请了专利。
来源：GE
复杂成就功能实现
燃气轮机通常包括压缩机部分，具有燃烧器的燃烧部分和涡轮部分。压缩机部分逐渐增加工作流体的压力以将压缩的工作流体供应到燃烧部分。压缩的工作流体被引导通过一个或多个燃料喷嘴，燃料喷嘴在燃烧器的前端或头端内轴向延伸。燃料与压缩工作流体合并形成可燃混合物。可燃混合物在燃烧室内燃烧以产生具有高温，高压和高速度的燃烧气体。
燃烧室由一个或多个衬套或导管限定，该衬套或导管限定了热气路径，燃烧气体通过该热气路径被输送到涡轮部分中。在罐环形燃烧系统中，多个燃烧罐（每个都有其自己的燃料喷嘴和衬套）产生驱动涡轮部分的燃烧气体。
在燃烧器中，燃料喷嘴可以仅以气态燃料，液态燃料或同时以气态燃料和液态燃料运行。在许多情况下，发电厂可能需要仅使用液体燃料进行操作，GE针对用于燃气涡轮机燃烧器的液体燃料盒单元做了一系列的创新。
通常燃气轮机燃烧器与液体燃料操作相关的一个挑战是液体燃料在温度仅略高于环境温度而显着低于燃烧室内的火焰温度的温度下在燃料喷嘴内有结焦的趋势。液体燃料喷嘴的另一挑战是需要设计液体燃料喷射口以产生均匀的喷雾模式，从而使液体燃料迅速雾化和燃烧。相关的挑战是将燃料喷嘴正确地定位在燃烧器头端内，以防止液体燃料喷雾到达燃烧器衬套，在燃烧器衬套处可能发生结焦并导致热应力。另外，大多数液体燃料喷嘴依靠单个液体燃料回路，这在液体燃料喷嘴的操作中提供了有限的灵活性。最后，必须冷却液体燃料盒的尖端以减轻热应力。因此，工业上需要一种用于将液体燃料输送到燃烧室的改进的液体燃料盒。
来源：GE专利：US10578306B2
GE采用3D打印-增材制造技术例如基于粉末床的选区金属熔化增材制造系统或其他增材制造系统来制造尖端（图例中400编号的部分）。3D打印的装置有助于将液体燃料引入发电燃气涡轮机燃烧器的头端中。该装置有助于通过中央定位的液体燃料盒来输送液体燃料（或液体燃料/水混合物）。
3D科学谷Review
GE在制造复杂形状的燃烧器部件已经拥有了丰富的经验，此前，3D科学谷在《GE通过3D打印改进燃气轮机中的燃料和空气的预混合》一文中提到，3D打印技术使得制造复杂形状的预混合器成为现实，GE通过3D打印的预混合器带来的旋涡运动有助于使液体燃料与空气雾化和混合，使得除了气体燃料之外还能够使用液体燃料。并且可以产生喷射稳定的火焰，带来较低的动态性和较高的火焰稳定裕度，而高出口速度可用于减少或消除火焰回火风险。
而不仅仅是GE，根据3D科学谷的市场观察，西门子已经成功地为SGT-A05航改式燃气轮机降低了排放量，通过3D打印干式低排放（DLE）预混合器获得了令人印象深刻的结果，显示出可显着降低CO排放。这一成就进一步巩固了西门子世界领先的增材制造创新应用以及其能源领域的地位。
西门子通过3D打印制造这种特定燃气轮机部件所取得的成就是显着的。从概念到发动机测试，开发只用了七个月，这对于需要如此严格的公差并且在高负载和温度下工作的组件而言是令人印象深刻的。DLE预混合器非常复杂，使用传统的铸造和CNC机加工制造方法涉及20多个零件。通过使用西门子合格的镍基超级合金作为增材制造材料，3D打印预混合器部件仅需要两个部件组成，并且交付周期减少了约70％。
而在雾化燃料喷射器中的燃料方面，根据3D科学谷的市场研究，美国联合技术公司 (UTC) 通过基于粉末床的金属3D打印增材制造工艺来构建喷射器部件主体。通过基于粉末床的选择性金属熔融3D打印技术，美国联合技术公司可以构建喷射器的主体。将钛或镍基合金之类的粉末金属层层铺叠在粉末床上，并且基于STL文件使用激光来选择性地熔融金属粉末。根据3D科学谷的市场研究，美国联合技术公司每次添加约0.0005英寸（〜0.0127mm）至约0.001英寸（〜0.0254）厚的层。然后，有必要在部件完成制造之后去除残留在内部空隙或空间内的金属粉末。金属3D打印在制造具有内部空间的燃料喷射器部件过程中发挥了主要作用，而内部空间又通过多个孔或端口连接到部件的外部。
3D打印作为第四次工业革命的代表技术，正在助力处于创新巅峰的企业转型，包括文中提到的GE，最重要的是不是再生产和原来一样的零件，而是生产完全不一样的零件，不一样的形状，不一样的材料，不一样的性能，这需要突破那些传统制造思维的局限，不要再想那些原来的框框架架，这关系到对解放产品设计束缚的新方法、新视野。
参考资料：
- US10578306B2_liquid fuel cartridge unit for gas turbine combustor and method of assembly
- US10415833B2_premixer for gas turbine combustor_20190917
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