3D プリント: 世界で最も効率的な大型ガスタービン 9HA の作成

3Dプリント技術は、独自の積層製造原理により、単純な形状も複雑な形状もほぼ同等に扱うことができます。適切な3次元モデル、適切な原材料、プリンターがあれば、すぐに部品を印刷できます。金型が不要になるため、従来の金型工場では製造できない設計も比較的安価に製造できます。後で設計を変更する必要がある場合は、設計の繰り返しのみが必要で、再度印刷します。部品が破損した場合、3Dプリントを使用して破損部分に直接印刷して修復することもできますが、使用される技術形式は異なります。

9HA ガスタービン 3D プリントが工業製造に与える破壊的な影響は明らかです。 30年以上の開発を経て、3Dプリンティングは研究機関の域を超え、メーカーの自己娯楽の域を超えました。 Taobaoを開いて「3Dプリント」を検索してください。キーホルダーからアイスクリームまで、あなたのニーズを満たすものが必ず見つかります。明日の中秋節の月餅も3Dプリントできます。

しかし、工業製造業が本当に追求すべきは、いわゆる「大いなる音は沈黙し、大いなる象は見えない」ことであるはずだ。現在の開発段階では、3D プリンティングがこの需要に応えています。

3D プリント - 現代の産業の精度要件を満たします<br /> 「製造業の至宝」とも呼ばれるガスタービンは、半世紀以上にわたって開発が続けられてきました。今後もさらに進化し続けるためには、最高峰に近い技術力と想像力が必要です。 3Dプリント技術は、常に頂点を目指す過程で、まさに時宜にかなったものであり、材料、コンピューター制御、レーザーなどの分野で画期的な進歩を遂げ、従来の製造方法の限界を補ってきました。

例えば、ガスタービン業界のリーダーであるHクラスガスタービンは、タービン初期温度が1500℃、複合サイクル効率が最大62.22%、柔軟性が極めて高く、排出量が極めて少ないという特徴を持ち、人類の百年来の産業文明の頂点であり、3Dプリントの真髄を取り入れています。

GE 9HA ガスタービンのコアコンポーネントの 1 つである燃焼室燃料ノズルと予混合器には、積層造形技術が使用されています。マイクロポーラス予混合技術により、GE の低窒素燃焼技術 DLN2.6e を効果的に使用できます。同様に最先端の多くの技術と組み合わせることで、フランスの Bouchan 発電所の 9HA ユニットは、最終的に複合サイクル効率 62.22% を達成し、ギネス世界記録を更新しました。

3D プリントはどれほどの変化をもたらすことができるのでしょうか?以下は、GE 9HA ガスタービンの燃料ノズルの例です。

DLN2.6eで3Dプリントされた高度なプレミキサー
GE は 9HA ガスタービンで、従来の大型渦流ノズルを微細多孔性チューブ束に置き換え、高度なマイクロチューブ予混合技術を採用しています。マイクロチューブ予混合技術を採用した後、ノズルには高密度の吸入マイクロチューブが設けられ、各吸入マイクロチューブの軸方向位置には複数の燃料穴が設けられています。空気は吸気マイクロチューブを通過し、マイクロチューブ予混合ノズルはミリメートルレベルの直管内で燃料と空気を混合するクロスフロー噴射方式を採用しています。これにより、燃料と空気をより効率的に、より均一に、より速い速度で予混合できるようになります。同時に、設計流量は炎の速度よりも高くなります。これは水素を多く含む燃料の安定した燃焼につながります。マイクロチューブ予混合燃焼室を採用することで、乾式低窒素バーナーを使用して高活性ガス燃料も予混合燃焼することが可能になりました。 NOxの発生を効果的に抑制します。また、燃料と空気のより均一な混合を実現し、予混合燃焼を改善し、複合サイクルの効率向上への道を開きます。現在、このような構造は 3D プリントでのみ作成できます。

マイクロチューブ予混合により、9HAは低窒素燃焼技術においてマイクロホール予混合と完全予混合燃焼を実現し、超低窒素酸化物排出量（最小負荷30%の条件下で窒素酸化物排出量はわずか25ppm）を達成し、ガスタービン負荷の急速な増減をサポートします。

3Dプリント - 世界最先端のガスタービンを創る
Hクラスのガスタービンはサイズが大きく、GEの9HAガスタービンは高さが約12メートル（約4階建て）、重さが約400トン（シロナガスクジラ2頭分）あります。実際の使用では、ガスタービン自体に、排気ガスの廃熱を十分に回収するための「補機」が多数搭載されます。発電業界では、ガスタービンはサイズが大きく、部品が多く、「補機」との互換性が求められるだけでなく、ますます厳しくなる環境規制に準拠しながら、24時間365日中断なく稼働することが求められています。これらすべてを実現するには、H クラスガスタービンの設計と製造が限りなく完璧に近いことが求められます。ガスタービンのコア部品の精度誤差は、せいぜい数十ミクロンです。
GE Hクラスガスタービン
GE 9HA ガスタービンは（疑いの余地なく）世界で最も効率的なガスタービンとなり、積層造形がこれに大きく貢献しました。

具体的には、主要部品に 3D プリント技術を全面的に適用することで、GE の 9HA ガスタービンの出力が従来の製造方法に比べて 1% 増加しました。そしてそれはたった1％です。フランスのブーシャン発電所に設置された GE の 9HA ユニットは、フランスの約 680,000 世帯の電力需要を満たしており、これは、元のエネルギー消費量が変わらない場合、これら 2 つのコンポーネントがさらに 6,800 世帯に照明を提供できることを意味します。

フランスのブシャン発電所現在、フランス、ロシア、パキスタン、日本を含む多くの国の発電所で9HAガスタービンの導入が始まっています。 2017年3月、ハルビン電気グループとGEは、中国市場に適した9Fおよび9Hガスタービンの現地化に重点を置いた大型ガスタービン合弁契約を締結しました。同月、ハルビン電気グループは、華電天津君良城プロジェクト向けの9HAガスタービン契約をGEに授与しました。 9HAユニットは今年後半に納入される予定で、中国電力は3Dプリント技術が最先端の発電設備にもたらす性能向上を直接体験する機会を得ることになる。

シーメンスは9月20日、世界初となる3Dプリント製産業用ガスタービン燃焼室が1年間問題なく稼働していると発表した。 2017年、シーメンスはスウェーデンのフィンスパン・インテリジェント・バーナー製造プログラム（IBUMA）の下で選択的レーザー溶融技術を使用して製造された最初の32.8MW SGT-7000ガスタービン燃焼器を生産し、ドイツのヘッセン州にあるE.ON複合サイクル発電所に設置しました。この燃焼器は現在までに8,000時間以上稼働しており、素晴らしい成果を上げています。

シーメンスは、従来の方法では13個の個別部品と18個の溶接が必要だったのに対し、各バーナーヘッドは一体型で製造されていると指摘している。同時に、燃料供給パイプが外部燃料パイプではなく燃焼器ヘッドの一部になっているなど、設計上の大きな改善が行われました。これにより、燃焼器の耐熱性が向上し、部品の動作寿命が延び、最終的にはガスタービンの耐用年数が延びます。

昨年、シーメンスの3Dプリンティングの専門家は世界初のガスタービンブレードを設計・製造し、毎分13,000回転の回転速度と1250℃を超える温度の全負荷条件下で検証しました。

フィンスポング工場のプロジェクトマネージャーである Niklas Lange 氏は、次のように述べています。「エネルギーサービスプロバイダーとして、精度と一貫性は当社にとって絶対的な要件です。3D プリントはこれを実現するだけでなく、当社の経験では、旧モデルと比較してパフォーマンスを向上させることさえ可能です。」

出典: 3Dプリンティング技術リファレンス

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