西門子汽輪機歷史（探訪西門子瑞典芬斯蓬工廠）

2023-05-18 07:59:06

小到牙齒填料，大到汽車火箭，3D列印技術正在各個行業施展出其顛覆性的影響。受高溫、高壓和離心力的限制，3D列印似乎與發電行業存在天然隔閡。不過，製造業巨頭們的投資決心並未受此影響。

「3D列印重新定義了製造業。千百年來，製造業是一種減法：拿到原材料，車銑刨磨，去除多餘的部分，最終成型；3D列印則讓製造業變成了一種不斷添加原材料的加法。」西門子瑞典芬斯蓬工廠CEO漢斯·霍姆斯特龍（Hans Holmstrom）向澎湃新聞（www.thepaper.cn）記者介紹起這項技術時，充滿了一種他自稱為「工程師的激動」的情緒。

從「減法」到「加法」的比喻，點出了3D列印的本質：增材製造（Additive Manufacturing, AM），即在數位化 3D 設計數據的基礎上逐層製造零部件的生產工藝。

芬斯蓬工廠自2009年開始嘗試，將增材製造用於燃氣輪機的原型設計、維修和生產。西門子提供的數據顯示，增材製造使生產資源減少了63%，維修速度提升60％，交貨期縮短50%。

不過，比起生產和維修，霍姆斯特龍更看重增材製造對加快原型設計的影響：「最重要的不是更快地製造，而是更快地設計。這簡直是工程師的終極夢想。通過數字建模，試誤幾乎是零成本。重複一百次失誤，你就可能有一次大收穫。」

芬斯蓬與燃氣輪機

燃氣輪機是以連續流動的氣體帶動葉輪高速旋轉的內燃式發動機。重型燃氣輪機是大型天然氣發電廠的核心裝備，也是公認最難製造的機械裝備之一，其核心關鍵技術為西門子、GE等製造業巨頭掌握。

芬斯蓬這座人口不過萬餘的瑞典東約特蘭省小城，與燃氣輪機產業有著超過一個世紀的淵源。芬斯蓬向東半小時車程，是東部港口城市北雪平，有「瑞典的曼徹斯特」之稱。

西門子芬斯蓬工廠生產或組裝的上百噸重的燃氣輪機，包括全球銷量超過325臺的SGT－800，會被整體裝車，運向北雪平港，從波羅的海出發，輸往世界各地的客戶。

這個區域是瑞典工業化起源地之一。16世紀，德格爾家族看中了芬斯蓬的森林和河流資源，在山上一塊巖石裸露的平地建立工廠，為皇室生產大炮和炮彈。1913年，芬斯蓬工廠開始生產渦輪機，工廠幾易其主，但渦輪機產業始終不變。迄今為止，芬斯蓬工廠售出超過800臺燃氣輪機，2300臺蒸汽輪機，其中95%的產品向100多個國家出口。

西門子於2003年收購工廠，成為北雪平和芬斯蓬最大的私營僱主。芬斯蓬市中心人口只有數千，而西門子工廠僱傭了3300員工，將近一半為當地人。

在芬斯蓬工廠，澎湃新聞記者看到身穿黃色安全服的工人正在組裝大小各異、處於不同裝配階段的燃氣輪機。據介紹，芬斯蓬工廠負責生產功率從15MW到50MW（1MW=1000KW）的中型燃氣輪機，即從SGT-500到SGT-800的5個型號。此外，英國生產的更小功率SGT-300和SGT-400，以及北美生產的航改型燃氣輪機 Industrial Trent 60，也會運至芬斯蓬工廠成套。

工人正在組裝燃氣輪機

2016年2月，西門子投資2000多萬歐元，將芬斯蓬一處遷出的學校改造成了西門子工業型燃氣輪機3D列印研發基地和工廠，負責燃氣輪機零部件的快速原型設計、快速維修和快速生產。2016年7月，3D列印零件開始商業化製造。

3D列印燃氣輪機零件：技術和挑戰

走進芬斯蓬西門子工業型燃氣輪機3D列印研發基地和工廠，多處裝修和陳設還保留著原先學校的痕跡。只有每個房間擺放著的大大小小、五顏六色的燃氣輪機模型在不斷地點題。霍姆斯特龍介紹道，這裡將會進行較大的改造，以適應對3D列印的後續投入和規模擴充。

燃氣輪機模型

而穿上安全服、戴上護目鏡才能進入的工作間，又是另一種畫風。工作間大致分為原型設計、列印、維修和後期處理四個區域，共配有12臺3D印表機，由德國EOS公司生產。

澎湃新聞記者注意到，在3D印表機全天候工作時，工作間幾乎沒有工作人員。芬斯蓬工廠產品經理安德斯·佩森（Anders Persson）解釋道，工作間採用了數位化管理系統，只需少量人力操作。

走近自動工作的印表機，透過泛出綠光的玻璃窗口，可以看到4個綠色光點正沿著特定的路徑，在一層白色的粉末上快速移動，留下凝固成型的銀灰色金屬圖案。接著，工作平臺向下降低一級，一條金屬片掃過整個平臺，重新鋪滿白色粉末，進行新一層的金屬圖案繪製。

佩森介紹道，列印的每一層金屬厚度大約在0.02mm到0.04mm之間，比頭髮絲還細。正在列印的這個燃氣輪機零件，共由9000多層構成。算法可以檢測每一層出現的漏洞，然後實現自我修正。

這是一種名為選擇性雷射熔化（SLM）的增材製造技術。與雷射燒結（SLS）技術相比，選擇性雷射熔化印表機控制雷射在鋪設好的粉末上方，選擇性地對粉末進行照射，將金屬粉末加熱到完全熔化後成型，不需要黏合劑，成型的金屬零件緻密度和力學性能都更好。

選擇性雷射熔化（SLM）

不過，發電領域給3D列印工藝提出了更高的要求。以燃氣輪機為例，首先，零件熱負荷接近於所用金屬的熔點；其次，渦輪葉片所承受的離心力是淨重力的10000倍；最後，葉片尖端的線速度接近聲速。

西門子是率先利用選擇性雷射熔化技術生產燃氣輪機和蒸汽輪機金屬部件的企業之一。那麼，這些3D列印工藝而成的零件，上崗後表現如何呢？

13合1

佩森介紹道，應用在燃氣輪機上的3D列印部件展現出了相同的安全性和可靠性，效率和可持續性方面也具有優勢。

芬斯蓬工廠目前採用3D列印製造的燃氣輪機零件，集中在燃燒室部分。相關工程人員著重介紹了SGT-800燃燒室前端。在傳統生產過程中，這個部位由13個部件和18個焊接點組成，而3D列印技術將其作為整體列印，生產時間由數月縮短到一兩周。

這些經過3D列印設計製造的燃燒室，支持更高燃燒溫度，可以處理高達60%的氫與天然氣的共燃。由於氫氣比天然氣便宜，相比起純天然氣燃料，每年可以節省300萬歐元。

適用3D列印的燃燒室前端

而在西門子的另一個燃氣輪機工廠——英國林肯工廠，3D列印技術對SGT-400燃氣輪機的葉片進行了重新設計，利用多晶鎳超合金粉末製造，並改進了冷卻性能。在滿負荷核心機測試中，葉片被高於1250攝氏度的高溫氣體包圍，運行速度超過每小時1600公裡，相當於受力11噸。

英國林肯工廠在3D列印燃氣輪機葉片上取得的進展，與西門子2016年收購的英國3D列印公司Materials Solutions有著緊密的關聯，後者專門生產渦輪機高溫應用的高性能部件。

不會代替大規模製造

波音、惠普、巴斯夫、拜耳、霍尼韋爾等企業也在加緊3D列印材料、裝備、軟體系統、服務等領域的產業滲透。西門子的主要競爭對手GE，在2016年斥巨資收購了金屬3D列印德國ConceptLaser公司和瑞典Arcam公司75%的股權。

在這股大潮下，西門子怎樣部署3D列印的未來？西門子全球分布式發電業務及石油與天然氣服務CEO索比約恩·福爾斯（Thorbjorn Fors）直白地說道：「西門子不會製造3D印表機，我們要做的是如何使用好3D印表機。」

芬斯蓬工廠現有的12臺3D印表機，來自德國EOS公司。其中，有4臺是專門適應西門子的需求，進行過軟體改造的定製修復印表機。芬斯蓬工廠此前長期回收磨損的燃氣輪機零件，進行修復，像前文提到的曾由13個部件和18個焊接點組成和燃燒室前端，以往需要大規模的切斷、重鑄。現在，定製的3D印表機只需要截去頂部的24mm，快速列印，交貨時間縮短60%。

霍姆斯特龍也強調，3D列印技術暫時不會代替大規模製造。西門子將著力發揮自身的軟體和控制數位化優勢，有信心在3D列印原型設計中領先一個身位。

霍姆斯特龍舉了一個例子，顯示芬斯蓬工廠已經開始為第三方提供3D列印服務。前不久，工廠為斯洛維尼亞的Krško核電站提供了解決方案：核電站循環水泵的一個直徑108mm的金屬葉片需要換新，而原生產商已停止生產。芬斯蓬工廠通過3D列印技術對葉片進行了重新設計和製造，新葉片已在核電站中安全運行。

在虛擬的數位化模型中，工程師們可以在批量生產前測試特定的性能，開發時間大大縮短。這種近乎零成本的試誤令霍姆斯特龍感到興奮。他說道，目前已採用3D列印的燃氣輪機零件只有一小部分，從製造成本來看，有高有低。

但霍姆斯特龍強調，對於西門子的3D列印布局而言，成本並不是最重要的，最重要的還是無限靈活的設計帶來的未來潛力。

相比起無限的設計潛力，人才的需求缺口日益凸顯。霍姆斯特龍需要的3D列印研發人才，既要是熟練的數位化工程師，又具備創造力和想像力。