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Energia: il contributo della stampa 3D alla produzione di turbine

Le centrali elettriche possono godere dei vantaggi di turbine realizzate con la stampa 3D in termini di aumento dell’efficienza del carburante, diminuzione dei costi di manutenzione e riduzione delle emissioni di gas a effetto serra.

Secondo la Brookings Institution, sebbene il movimento globale volto a ridurre le emissioni di gas a effetto serra stia favorendo la transizione verso fonti di energia rinnovabili, attualmente il 64% dell’energia è ancora prodotto da combustibili fossili.

Per soddisfare gli obiettivi di riduzione delle emissioni, l’industria energetica sta sostituendo i combustibili a base di carbone e petrolio con il gas naturale più pulito.

Questa transizione sta trasformando rapidamente le centrali elettriche. I produttori di energia stanno rinnovando gli impianti esistenti nonché costruendo stabilimenti completamente nuovi.

Il cuore di questi nuovi impianti è costituito da turbine industriali di enormi dimensioni che convertono il gas naturale in energia elettrica.

Il settore delle turbine è fortemente competitivo e aumentano i requisiti imposti dal mercato in termini di efficienza del carburante, potenza erogata, affidabilità del sistema unita alla riduzione dei costi di manutenzione, efficienza della produzione e della catena di fornitura.

Questa veloce metamorfosi fornisce un’opportunità ai produttori di turbine a gas, tuttavia i metodi di produzione tradizionali non riescono a tenere il passo con il ritmo dell’innovazione.

Le turbine a gas richiedono superleghe ad alte prestazioni e forme sempre più complesse. I metodi di produzione tradizionali comportano tempi lunghi e notevoli quantità di scarti. Inoltre, utilizzano spesso costosi assemblaggi multiparte da cui risultano turbine maggiormente soggette al rischio di sollecitazioni e guasti.

Per superare queste sfide e accelerare l’innovazione, sostiene Scott Green, Principal Solutions Leader di 3D Systems, i principali produttori di turbine stanno adottando la stampa 3D.

La produzione additiva offre flessibilità di progettazione, migliori prestazioni ed efficienza del sistema, maggiore affidabilità, tempi di immissione sul mercato più brevi e una catena di fornitura più efficiente. La stampa 3D rivoluziona un’ampia gamma di applicazioni nel settore della produzione di componenti per turbomacchine.

Turbine e ottimizzazione dei combustori

I combustori sono fondamentali per le prestazioni delle turbomacchine. Il raggiungimento di risultati ottimali in termini di efficienza del carburante e potenza erogata dipende dalle strutture interne che favoriscono la combustione pulita.

I componenti dei combustori richiedono la massima qualità possibile e sono realizzati in superleghe robuste e resistenti al calore. Tuttavia, i processi di lavorazione tradizionali usati per modellare i suddetti materiali riducono la durata degli stampi e producono maggiori quantità di scarti.

La produzione additiva, invece, offre agli ingegneri una flessibilità senza precedenti per la progettazione dei combustori.

Né la geometria né il tipo di superlega presentano alcuna difficoltà. È possibile sviluppare nuove forme di orifizio e camere di miscelazione, ottimizzando le miscele di aria e combustibile.

La sostituzione degli assemblaggi multiparte (quali iniettori di carburante, camere di turbolenza e miscelatori) con parti monolitiche consente di migliorare la resa, ridurre i costi di manodopera e garantire l’integrità dei componenti in condizioni di temperature e pressioni di esercizio estreme.

La produzione additiva offre agli ingegneri la libertà di creare modelli di fusione a cera persa più resistenti e affidabili per gli involucri e i condotti delle turbine a gas, migliorando l’efficienza del flusso del gas

Progettazione di palette statoriche

All’interno delle cosiddette aree calde delle turbine, il compressore e le palette statoriche della turbina sono soggetti a carichi termici e strutturali elevati.

Ogni paletta o statore integrato deve soddisfare requisiti rigorosi in termini di integrità, precisione e qualità delle parti, per garantire le prestazioni dell’intera turbina.

I due processi tradizionali utilizzati per produrre le palette statoriche presentano sfide considerevoli. Il maggiore ostacolo della fusione a cera persa è il tempo. Questo processo datato comporta l’uso di modelli in cera, tuttavia la creazione degli stampi necessari è onerosa e richiede settimane se non mesi.

L’altro metodo tradizionale, che consiste nel produrre palette e anelli a partire da billette, è molto costoso, soprattutto considerando la robustezza delle superleghe necessarie. Infine, queste forme complesse devono essere unite tramite brasatura, a scapito della resistenza e della durata del componente finale.

La produzione additiva consente di ovviare a questi inconvenienti tramite il consolidamento di più parti in una singola parte. La riduzione degli assemblaggi grazie al consolidamento delle parti aumenta la resa di produzione e migliora notevolmente l’affidabilità. Permette inoltre ai progettisti di incorporare nelle parti critiche complessi canali di raffreddamento interni, troppo difficili da lavorare, così da migliorare le prestazioni termiche e ottimizzare l’efficienza.

Nuovi livelli di prestazione delle giranti

La produzione di giranti per turbine a gas industriali con i metodi tradizionali è molto costosa. Le forme sono complesse e i metalli estremamente difficili da tagliare, con conseguenti percentuali di scarto che raggiungono l’80%. Questo discorso vale soprattutto per le giranti ad alte prestazioni intubate, più costose da realizzare per via delle forme chiuse. Spesso gli ingegneri devono accettare compromessi per fornire progetti a costi contenuti.

La produzione additiva consente ai produttori di turbomacchine di progettare sofisticate giranti intubate che si rivelano molto più efficienti nel comprimere l’aria. L’ottimizzazione della topologia e l’applicazione di strutture reticolari a questo importante componente rotante permettono inoltre agli ingegneri di ridurne il peso. Ne conseguono l’aumento dei giri al minuto con un minor consumo di energia e l’incremento dell’energia complessiva generata dal sistema.

In particolare, due processi di stampa 3D offrono vantaggi notevoli. Il passaggio dalla lavorazione di billette alla stampa diretta in metallo elimina i vincoli derivanti dalla complessità delle parti, velocizzando al contempo la produzione e riducendo gli scarti. Quando è necessario ricorrere alla fusione a cera persa, ad esempio nel caso di giranti di grandi dimensioni o di volumi elevati di parti, è possibile utilizzare i modelli in cera stampati in 3D con qualsiasi lega, sfruttando la flessibilità e la convenienza di un flusso di lavoro che non richiede stampi.

L’utilizzo di soluzioni additive per produrre le giranti consente di elevare il livello delle prestazioni delle macchine, attraverso il miglioramento della progettazione e l’impiego di materiali resistenti a temperature estreme

Produzione di involucri e condotti di alta qualità

Per garantire l’efficienza delle turbine a gas, la corretta evacuazione dei gas di scarico è altrettanto importante di un’abbondante fornitura di aria di aspirazione. I condotti sono fondamentali per entrambi gli aspetti e le turbine a gas industriali richiedono involucri e condotti complessi di grandi dimensioni che spesso vengono personalizzati per il sito del cliente.

I processi di produzione additiva all’avanguardia consentono ad architetti e ingegneri di passare dal file CAD alla fusione in pochi giorni. La produzione additiva offre agli ingegneri la libertà di creare modelli di fusione a cera persa più resistenti e affidabili per gli involucri e i condotti delle turbine a gas, migliorando l’efficienza del flusso del gas. Il minor numero di componenti comporta inoltre la riduzione dei punti critici, con il conseguente miglioramento del tempo di attività e dell’affidabilità.

Tutti i vantaggi della produzione additiva

Nel settore altamente tecnologico e competitivo delle turbine, aumentare il ritmo dell’innovazione è importante quanto apportare miglioramenti funzionali. La produzione additiva velocizza il ciclo di progettazione, consentendo di produrre in modo rapido e conveniente parti complesse per i test di forma, adattamento e funzionalità.

Che si tratti di combustori, palette statoriche, giranti o fusioni, la produzione additiva permette di ottenere componenti di turbine a gas ad alte prestazioni che soddisfano o superano i requisiti di progettazione.

L’intera centrale elettrica potrà godere dei vantaggi offerti dalla stampa 3D n termini di aumento dell’efficienza del carburante, diminuzione dei costi di manutenzione e riduzione delle emissioni di gas a effetto serra.

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