Công nghệ in 3D nâng tầm tua-bin khí

177

GE đã dùng công nghệ in 3D để sản xuất linh kiện nâng cấp loại tua-bin hiệu quả và đáng tin cậy nhất thế giới, “vắt” thêm được tới 21MW điện từ cỗ máy trong khi vẫn duy trì khả năng vận hành 48.000 giờ không nghỉ.

 

Nhà máy điện Vattenfall ở Berlin. Nguồn ảnh: Vattenfall.

Năm 2012, Andrew Passmore nghĩ rằng ông đã đạt đến đỉnh điểm hiệu suất động cơ tua-bin khí. Nhóm kỹ sư của ông đã nâng cấp động cơ tua-bin khí GT13E2, một trong những tua-bin hiệu quả và đáng tin cậy nhất thế giới, giúp tăng khả năng sản xuất điện năng tương đương cho 200.000 hộ gia đình ở châu Âu. Đó là lần nâng cấp thứ 2 trong vòng 7 năm, thế nhưng họ vẫn thành công trong việc nghiên cứu ra phương thức giúp tua-bin tăng thêm 12 megawatt (MW), nâng tổng công suất lên tới 180 MW. Họ còn kéo dài được thời gian vận hành của tua-bin lên 48.000 giờ, tương đương 5 năm rưỡi sản xuất liên tục không cần tắt máy bảo dưỡng. Passmore, một quản lý sản phẩm cấp cao tại chi nhánh Baden, Thụy Sĩ, vẫn còn nhớ như in cảm giác thỏa mãn ấy. Theo Passmore, khi đó họ đều nghĩ rằng đó là điểm cực hạn và họ chính là người đã khai phá được điểm cực hạn hiệu suất của tua-bin.

Đội ngũ kỹ sư của GE đã một lần nữa tạo nên kỷ lục mới khi thành công trong việc tăng hiệu suất và độ tin cậy của GT13E2, loại tua-bin ‘đẳng cấp’ nhất của ngành. GT13E2 đã từng và hiện vẫn giữ vị trí ‘vô địch’ về hiệu suất cũng như độ tin cậy trong phân khúc tua-bin cùng loại. Thế nhưng, các kỹ sư GE mới chỉ khởi động quá trình khai phá hiệu suất cực hạn của loại tua-bin này. “Công nghệ sản xuất đắp lớp – hay còn gọi là kỹ thuật in 3D – xuất hiện và thay đổi tất cả”, Passmore cho biết.

Với kỹ thuật in 3D của nhóm kỹ thuật viên của GE Power đã chế tạo linh kiện tua-bin này bằng cách dùng laze hàn từng lớp bột siêu hợp kim niken mỏng lại với nhau. Chiếc máy in hoạt động với độ chính xác đến từng milimet. Passmore cũng phải thừa nhận rằng ông đã quên hết cả mọi thứ khi chiêm ngưỡng từng bộ phận của chiếc tua-bin từng bước hình thành ngay trước mắt. “Cả quá trình thực sự mê hoặc” ông chia sẻ.

Vách ngăn nhiệt của tua-bin khí được chế tạo bằng kỹ thuật in 3D. Nguồn ảnh: GE Power.

Phép màu xuất hiện khi những bộ phận mới in được lắp vào tua-bin GT13E2. Những linh kiện mới giúp nâng hiệu suất của tua-bin lên thêm 2,1% nữa trong khi vẫn duy trì được thời gian vận hành liên tục ở mức 48.000 giờ. “Với tua-bin, đây là một thành quả cực lớn,” Passmore nhận xét.

Tùy theo mức độ nâng cấp, linh kiện in 3D có thể giúp tăng công suất của tua-bin khí này thêm tối đa 21MW. GE ước tính rằng lần nâng cấp mới – được gọi là “MXL2 với công năng chế tạo đắp lớp (AMP)” – có thể giúp các nhà máy điện tiết kiệm tới US$2 triệu chi phí nhiên liệu mỗi năm. Đồng thời, nó cũng có thể làm doanh thu tăng US$3 triệu/năm.

Passmore cho rằng không thể đạt được những thành quả tương tự với những linh kiện được sản xuất bằng phương thức đúc khuôn kim loại truyền thống. Kỹ thuật in 3D cho phép các kỹ sư “điêu khắc” những hình khối phức tạp mà họ không thể làm ra trong xưởng đúc.

Ví dụ, với vách ngăn nhiệt phần tĩnh của một chiếc tua-bin, một tấm kim loại cỡ một quyển sách bìa mềm có nhiệm vụ bảo vệ vỏ động cơ. Nó là bộ phận cực kỳ quan trọng trong phần mặt trước của tua-bin, nơi phải chịu mức nhiệt hơn 1.200 độ C. Những vách ngăn nhiệt đúc khuôn kim loại tồn tại được trong động cơ nhờ được cung cấp nhiều khí nén làm lạnh. Tuy nhiên, hiệu suất tua-bin sẽ giảm đáng kể do mất năng lượng vào việc nén khí làm lạnh.

Kỹ thuật in 3D đã giải quyết vấn đề này với “độ tinh tế cao”. Nhờ có kỹ thuật này, các kỹ sư đã chế tạo được loại vách ngăn nhiệt với những ống thông khí nội bộ tiên tiến. Loại vách đó giúp hạ nhiệt nhanh và tiết kiệm năng lượng dùng để nén khí. Hãy tưởng tượng, không phải một mà cả một hàng 40 vách ngăn nhiệt như vậy trong một chiếc tua-bin sẽ tăng hiệu suất tua-bin nhiều tới mức nào.

Khả năng mở rộng và lặp lại của in 3D là một lợi thế đặc biệt của kỹ thuật này. Các kỹ sư có thể in hàng chục linh kiện chỉ trong giây lát trong khi họ phải đúc khuôn từng linh kiện một, nếu dùng phương pháp đúc truyền thống. “Chúng tôi có thể sản xuất ra nguyên một băng chuyền linh kiện chỉ trong một lần chạy máy,” Passmore tự hào.

Đây không phải lần đầu tiên GE chế tạo linh kiện động cơ kích thước lớn bằng in 3D. Các kỹ sư GE hiện đang sử dụng kỹ thuật in 3D để sản xuất cánh quạt mỏng cho tua-bin của GE9X, động cơ phản lực lớn nhất thế giới. Tuy nhiên, đây là lần đầu tiên một linh kiện nguyên cỡ được in 3D và lắp trực tiếp vào tua-bin khí.

Tua-bin khí không chỉ là những máy phát điện cỡ lớn để duy trì nguồn sáng. Chúng còn được dùng để vận hành những lò luyện nhôm đang đói năng lượng trên khắp thế giới, cung cấp nhiệt năng cho các hệ thống sưởi ở miền Bắc và Đông Châu Âu. Linh kiện in 3D của Passmore có thể sẽ giữ cho thủ đô nước Đức ấm áp trong một tương lai không xa.

“Đại gia” điện lực Vattenfall sẽ nâng cao công suất tua-bin nhà máy nhiệt điện của họ ở Mitte, Berlin thêm 21MW bằng những những linh kiện in 3D này. Vattenfall đã dùng những linh kiện này để thử nghiệm động cơ của họ 3 năm nay.

Còn với Passmore, loại linh kiện này mang ý nghĩa của những thành công thực tế. “Chúng tôi không phải là mấy gã khùng mặc blu trắng ru rú trong phòng thí nghiệm. Những thứ này là linh kiện thực và chúng tôi sẽ dùng chúng để nâng cấp thương mại các cỗ máy khổng lồ”.

Dừng một chút như để hồi tưởng lại lần đầu nhìn thấy chiếc máy in 3D ở Thụy Sĩ, ông nói: “Lúc nhìn thấy những linh kiện ấy trôi ra từ cỗ máy, tôi đã tự nhủ: Chúng ta thành công rồi!”.

BÌNH LUẬN CỦA BẠN