ORNL計劃利用3D打印和智能軟件快速制造大型水電轉(zhuǎn)輪

2024年9月11日,，南極熊獲悉,，美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL）宣布啟動一項旨在推動美國制造業(yè)復(fù)興的計劃，并將清潔能源制造技術(shù)帶回本土,。該項目名為“加快轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)通用近凈成形制造戰(zhàn)略快速研究”（簡稱“快速轉(zhuǎn)輪”）,，獲得了美國能源部1500萬美元（約合1.06億人民幣）的資助，將在三年內(nèi)開發(fā)一套用于生產(chǎn)大型水電轉(zhuǎn)輪的系統(tǒng),。

△美國政府大力支持AM Forward計劃

項目研發(fā)背景

轉(zhuǎn)輪是水力發(fā)電渦輪機的核心部件,，通過將水的壓力和流動轉(zhuǎn)化為電能，是水電站不可或缺的組成部分,。目前,，美國大型轉(zhuǎn)輪幾乎全部在海外制造，這導(dǎo)致一旦發(fā)生故障,，替換部件的生產(chǎn)和運輸可能需要數(shù)年時間,，從而造成時間、金錢和可再生能源的浪費,。每當(dāng)水力渦輪機因零部件短缺而停機一個月,，便會損失數(shù)千兆瓦時的清潔電力。

“快速轉(zhuǎn)輪”項目將利用先進的機器人金屬3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)工具相結(jié)合,，快速制造接近最終形狀的金屬部件,，并通過后續(xù)傳統(tǒng)加工工藝完成最終精加工。ORNL的研發(fā)人員兼項目技術(shù)負責(zé)人Adam Stevens表示：“這一方法有望徹底改變大型金屬部件的鍛造和鑄造工藝,，大幅度減少生產(chǎn)周期和成本,，同時降低環(huán)境影響。”

目前,，生產(chǎn)一臺水力渦輪機的周期約為18個月,。倘若因等待零件而無法運行渦輪機，將導(dǎo)致相應(yīng)時間段的清潔能源生產(chǎn)中斷,。該項目將填補國內(nèi)制造基礎(chǔ)設(shè)施的空白,，加快生產(chǎn)速度，并減少停機時間,，從而提高能源生產(chǎn)的穩(wěn)定性和效率,。

△ORNL研究人員利用基于電子束的粉末床熔合(EB-PBF)技術(shù)3D打印的核部件示意

ORNL的顛覆性制造系統(tǒng)開發(fā)小組負責(zé)人Brian Post和材料結(jié)構(gòu)與加工部門負責(zé)人Jay Tiley分別擔(dān)任系統(tǒng)和材料項目首席研究員。ORNL的制造示范設(shè)施將為該項目提供技術(shù)支持和資源,。制造示范設(shè)施（MDF）由美國能源部先進材料和制造技術(shù)辦公室支持,，是全國合作創(chuàng)新聯(lián)盟的中心，與ORNL共同推動美國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型,。

為了展示該系統(tǒng)的能力,，項目將制造三臺弗朗西斯轉(zhuǎn)輪（一種專為水壩發(fā)電設(shè)計的大型不銹鋼渦輪機）。第一臺轉(zhuǎn)輪將作為原型進行測試,，第二臺直徑約5英尺,，正在制造中，預(yù)計將安裝在田納西河谷管理局的Ocoee水壩,。第三臺安裝在Wilson大壩,，具有約15英尺的直徑和超過46噸的重量，Wilson大壩的發(fā)電能力達到653兆瓦,。

△研究人員Jay Tiley檢查田納西河谷管理局Cherokee水壩的水力發(fā)電站轉(zhuǎn)輪

利用增材制造工藝提升大型零件生產(chǎn)速度

TVA創(chuàng)新與研究副總裁Joe Hoagland表示：“我們一直在探索提升表現(xiàn)的新方法,。創(chuàng)新不僅是TVA的核心基因，也是我們所有工作的重心,。該計劃為實現(xiàn)TVA的使命提供了一種創(chuàng)新途徑,。我們的使命概括為三個E：能源方面，它提高了可靠性,；環(huán)境方面,，它最大限度地提升了可再生能源的生產(chǎn)；經(jīng)濟發(fā)展方面,，它為美國帶來了大量就業(yè)機會,。”

該項目的核心技術(shù)在于軟件,，它使得機器人能夠協(xié)同工作,，以更高的速度和更大的規(guī)模生產(chǎn)零件，充分發(fā)揮增材制造的優(yōu)勢,。設(shè)想中的系統(tǒng)將任務(wù)分配給不同的機器人,，例如電弧焊接、研磨,、計量等,，這些都是傳統(tǒng)上由大型鑄造廠和制造廠工人完成的功能。預(yù)計該系統(tǒng)可能會同時有六臺或更多機器人共同協(xié)作,。

TVA研發(fā)部主管Curt Jawdy表示：“以前這些流道的生產(chǎn)完全依賴于海外,，既耗時又勞動密集。所有這些代工廠的積壓訂單都相當(dāng)嚴(yán)重,，我們發(fā)現(xiàn)從下訂單到拿到流道需要兩年的時間,。”

△大型3D打印制造技術(shù)示意

TVA預(yù)計,，最終許多渦輪機和鋼制部件（如410不銹鋼）將通過增材制造工藝在國內(nèi)生產(chǎn),。在水力渦輪機轉(zhuǎn)子中，存在易發(fā)生氣蝕的區(qū)域,，數(shù)百萬個氣泡破裂產(chǎn)生的累積力會侵蝕葉片表面,，導(dǎo)致渦輪機故障。然而,，通過增材制造生產(chǎn)時,，可以在部件表面涂覆抗氣蝕涂層。Jawdy 說道：“增材制造可以實現(xiàn)其他制造方法無法做到的事情,。它可以制造出其他方式無法生產(chǎn)的形狀,，還可以結(jié)合各種材料�,！�

該計劃涵蓋了生產(chǎn)這些大型部件所需的軟件,、硬件、機器人和制造策略的開發(fā),。除了田納西河谷管理局之外,，該項目還與多個組織合作，包Huntington Ingalls-Newport News造船公司（該公司將用3D打印技術(shù)制造最大的弗朗西斯轉(zhuǎn)輪）,、電力研究所（提供技術(shù)經(jīng)濟分析）,、Open Mind Technologies（協(xié)助制定制造策略）、ARC Specialties（提供機器人硬件和集成）,，以及水力發(fā)電機組制造商Voith Group-Hydropower,。

三年期滿時，該項目將創(chuàng)建一個可供多個行業(yè)使用的新型分布式混合制造平臺,。Stevens指出,，這一平臺將允許國內(nèi)生產(chǎn)能源、國防,、造船,、水電和市政供水等基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模的凈成型部件（任何需要大塊金屬的行業(yè)都能從中受益）。他補充道，這將提高工人的生產(chǎn)力,，并為國內(nèi)工業(yè)奠定更健康的基礎(chǔ),。

美國能源部已經(jīng)為該項目頒發(fā)了獎項，包括來自先進材料和制造技術(shù)辦公室的1300萬美元資助以及來自美國能源部水力技術(shù)辦公室的200萬美元資助,。