摘要：英国斯塔福德郡大学科研人员报道了利用增材制造技术集成燃烧室和换热器，提高微型燃气轮机系统效率研究。相关论文以“Improving efficiency of micro gas turbine systems by integration of combust
长三角G60激光联盟导读
英国斯塔福德郡大学科研人员报道了利用增材制造技术集成燃烧室和换热器，提高微型燃气轮机系统效率研究。相关论文以“Improving efficiency of micro gas turbine systems by integration of combustor and recuperator using additive manufacturing techniques”为题发表在《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》上。
世界能源消耗正在迅速增长，而全球能源消耗增长模式表明，住宅和商业建筑的能源消耗增幅更大。热电联产（CHP）系统已被开发和商业化，用于分配和分散国内应用发电，来减少能源消耗和气体排放。与其他热电联产系统相比，微型燃气轮机（MGT）具有体积小、易于操作、维护成本低等优点。目前市场上的MGT设备效率较低，加上对高效、低排放能源转换系统的迫切需求，促使人们利用增材制造（AM）技术开发新型MGT。本研究综述了当前的金属AM系统，介绍了MGT燃烧器和热交换器的开发，并讨论了用于国内应用制造更高效MGT所面临的挑战和机遇。建议将MGT热段的燃烧器和换热器集成在一起，可以在显著减少系统重量和尺寸同时实现高达5%的效率提升。
图1全球化石燃料产量
图2 MGT示意图
图3a Capston C65 MGT；b Capstone C30 MGT
图4 Dynajet 2.6总视图和原理图
图5Ansaldo Energia SpA T100B模型
图6a传统制造的燃烧器；b AM适配的燃烧器前端
图7a气动导数GT过渡管道；b SGT-A05预混器；c SGT-1000F燃烧器头；d使用CM247镍基高温合金打印的SGT-400一级涡轮叶片；e SGT5/6-8000H旋流器和燃烧器在LPBF机器上以十六个部件的阵列形式打印，SGT-9000HL 燃烧系统
图8a使用钛铝进行EBM的GE9X叶片；b激光熔化的GE LEAP燃料喷嘴
图9用In718增材制造的旋流器模块
图10a打印旋流器；b打印背面冷却燃烧器。c-1使用In625打印的AM径向旋流器。D打印衬垫后的CuCrZr燃烧室
图11热侧倾斜叶片和冷侧倾斜歧管壁
图12采用AM技术制造的逆流式热交换器
图13AM在MGT组件中的应用
图14 TPMS结构：a Gyroid；b Schwarz Diamond；c SplitP
全球对清洁能源和减少温室气体排放的需求不断增长，为国内分散式发电系统的研发创造了机会。天然气仍然是能量转换系统中产生热量和电力的主要能源，但目前为住宅应用开发的 MGT系统的效率并不令人满意。这就特别促使我们利用AM等快速制造技术，在短时间内开发出新型高效率、低排放的MGT。在这项工作中，对现有金属AM系统的规格进行了概述，并讨论了将AM用于燃气轮机热部（包括燃烧器和换热器）的技术现状。考虑到AM的功能，建议将MGT的燃烧器和热交换器集成在一起，提高系统效率并减少MGT机组的重量和体积。研究表明，关键的挑战在于提高AM紧凑型换热器以及小型燃烧器组件（如喷油器和旋流器）的表面光洁度和尺寸精度。需要进行全面研究，了解金属在熔融状态下的行为，并优化激光加工参数。在MGT组件设计过程中，如何有效利用AM是另一个挑战，这需要了解AM的局限性和MGT的特性（如传热、压降和摩擦因数）。因此，需要培训MGT设计人员应用AM设计原则和规则，充分利用这种制造方法的功能，如将各种组件集成到单个部件中并提高系统的紧凑性。激光和电子束粉末床熔融系统的进步为开发新型高温合金和陶瓷以及在单一部件中加工多种材料提供了机会，这对提高复杂燃气轮机系统的性能有着明显益处。此外，开发新的后处理方法，如内部微通道的电化学和悬浮等离子喷涂（SPS）陶瓷涂层，也是未来MGT技术的一种选择。
总之，MGT组件的AM为提高循环性能、紧凑性和市场渗透率提供了巨大的潜力。要克服这种制造方法的局限性并利用其潜力，使该技术具有成本效益和经济可行性，还需要进一步的研究。本综述是一个正在进行的项目的一部分，该项目将设计一种具有低压降和高传热率的先进紧凑型换热器，以便与高效和超低排放燃烧器集成。将评估一种高传导性、耐高温腐蚀和抗氧化陶瓷粉末的PBF的制备方法。
论文链接：
Sheykhpoor, H., Darabkhani, H.G. & Awan, A.W. Improving efficiency of micro gas turbine systems by integration of combustor and recuperator using additive manufacturing techniques. Int J Adv Manuf Technol 127, 23–44 (2023). https://doi.org/10.1007/s00170-023-11396-z
长三角G60激光联盟陈长军转载
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