橡树岭国家实验室将3D打印大型水电涡轮机部件

美国能源部（DOE）的橡树岭国家实验室（橡树岭国家实验室）正在领导一项新的计划，对水力发电大坝中使用的大型金属转轮进行3D打印。这些旋转部件将水的运动转化为电能。

该项目被称为“加速转轮系统通用近净成形制造战略快速研究（Rapid RUNNERS）”，将在三年内从能源部获得1500万美元的资助。

据橡树岭国家实验室称，增材制造技术可以大大缩短关键转轮部件的交付周期，并加快能源制造业的经济增长。该计划还包括开发生产大型部件所需的软件、硬件、机器人技术和制造策略。包括田纳西流域管理局（TVA）在内的多家机构正与橡树岭国家实验室合作实现这一目标。橡树岭国家实验室的研发人员兼该项目的技术负责人Adam Stevens评论说：“这有可能改变大型金属部件的锻造和铸造。

Stevens解释说：“现在，生产一个这样的部件大约需要18个月的时间。”这就意味着你有18个月的时间无法生产清洁能源。他认为，橡树岭国家实验室的新举措可以填补美国国内工业基础的一个显著空白。

增材制造可以更快地制造出接近所需尺寸的流道，即“近净形”。然后可以对其进行机加工，生产出最终产品，与传统生产工艺相比，可以减少浪费和停机时间。

橡树岭国家实验室颠覆性制造系统开发组组长Brian Post和实验室材料结构与加工组组长Jay Tiley分别是该项目的系统和材料主要研究人员。

橡树岭国家实验室的制造示范设施（MDF）正在为该项目提供资源和专业知识。在能源部先进材料和制造技术办公室的支持下，MDF是一个全国性联盟的中心，该联盟与橡树岭国家实验室共同致力于改变美国的制造业。

Rapid RUNNERS项目

Rapid RUNNERS将生产三个混流式转轮，以展示增材制造的能力。这种特殊样式的不锈钢涡轮机通常用于水坝的水力发电。

团队首先将制造一个原型转轮进行测试。随后将制造一个直径为5英尺的转轮，有可能安装在田纳西州帕克斯维尔的TVA奥科伊大坝上。这座宽840英尺、高135英尺的水电站大坝横跨奥科伊河，拥有5个发电机组，发电量达24兆瓦。

 
第三个弗朗西斯转轮将为TVA的威尔逊大坝3D打印，该大坝有21个发电机组，发电量为653兆瓦。这台涡轮机重46吨，直径15英尺，高8英尺。

TVA 创新与研究副总裁 Joe Hoagland 评论说：“这项计划为我们实现 TVA 的使命提供了一种创新的方式，TVA 的使命概括为三个‘E’：对能源而言，它提高了可靠性；对环境而言，它最大限度地利用了所生产的可再生能源；对经济发展而言，它为美国带回了大量工作岗位。”

制造软件将通过控制机器人和优化增材制造过程在实现这些目标方面发挥关键作用。生产系统预计将包括分配任务的单个机器人，例如线弧焊、打磨、计量和其他必要功能。六个或更多的机器人可同时汇聚到系统中。

未来，TVA预计其许多涡轮机和410不锈钢部件都将在国内进行3D打印。据报道，使用增材制造技术生产这些部件将释放出独特的能力。

TVA研发主管Curt Jawdy解释说，水力转轮有气蚀易发区。在气泡塌陷的累积力作用下，叶片表面受到侵蚀，从而导致这些区域失效。增材制造可用于在这些表面涂上抗气蚀涂层。“你可以用增材制造技术做一些其他方法做不到的事情。你可以制造出其他方法无法制造的形状，还可以组合材料。”Jawdy补充道。

在为期三年的项目结束时，该团队希望能创建一个新的分布式混合制造平台，供不同行业使用。Stevens认为，这将使能源、国防、造船、水电和市政供水应用领域的大型部件的国内生产成为可能。

他补充说：“任何需要大块金属的行业都能从中受益。这将提高工人的生产力，并提供一个更健康的国内工业基础。”

除TVA外，还有多家机构与橡树岭国家实验室合作开展了该计划。其中包括亨廷顿-英格尔斯-纽波特纽斯造船公司（该公司最大的弗朗西斯转轮将采用3D打印技术）、电力研究所（提供技术经济分析）、Open Mind Technologies（协助制定制造战略）、ARC Specialities（提供机器人硬件和集成）和福伊特集团水电公司（水电机组制造商）。

来源：荣格-《国际金属加工商情》

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