ORNL計(jì)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(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）宣布啟動(dòng)一項(xiàng)旨在推動(dòng)美國(guó)制造業(yè)復(fù)興的計(jì)劃，并將清潔能源制造技術(shù)帶回本土。該項(xiàng)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(jiǎn)稱(chēng)“快速轉(zhuǎn)輪”），獲得了美國(guó)能源部1500萬(wàn)美元（約合1.06億人民幣）的資助，將在三年內(nèi)開(kāi)發(fā)一套用于生產(chǎn)大型水電轉(zhuǎn)輪的系統(tǒng)。

△美國(guó)政府大力支持AM Forward計(jì)劃

項(xiàng)目研發(fā)背景

轉(zhuǎn)輪是水力發(fā)電渦輪機(jī)的核心部件，通過(guò)將水的壓力和流動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，是水電站不可或缺的組成部分。目前，美國(guó)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(yùn)輸可能需要數(shù)年時(shí)間，從而造成時(shí)間、金錢(qián)和可再生能源的浪費(fèi)。每當(dāng)水力渦輪機(jī)因零部件短缺而停機(jī)一個(gè)月，便會(huì)損失數(shù)千兆瓦時(shí)的清潔電力。

“快速轉(zhuǎn)輪”項(xiàng)目將利用先進(jìn)的機(jī)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(guò)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(xiàng)目技術(shù)負(fù)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(shí)降低環(huán)境影響�！�

目前，生產(chǎn)一臺(tái)水力渦輪機(jī)的周期約為18個(gè)月。倘若因等待零件而無(wú)法運(yùn)行渦輪機(jī)，將導(dǎo)致相應(yīng)時(shí)間段的清潔能源生產(chǎn)中斷。該項(xiàng)目將填補(bǔ)國(guó)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(jī)時(shí)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(kāi)發(fā)小組負(fù)責(zé)人Brian Post和材料結(jié)構(gòu)與加工部門(mén)負(fù)責(zé)人Jay Tiley分別擔(dān)任系統(tǒng)和材料項(xiàng)目首席研究員。ORNL的制造示范設(shè)施將為該項(xiàng)目提供技術(shù)支持和資源。制造示范設(shè)施（MDF）由美國(guó)能源部先進(jìn)材料和制造技術(shù)辦公室支持，是全國(guó)合作創(chuàng)新聯(lián)盟的中心，與ORNL共同推動(dòng)美國(guó)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型。

為了展示該系統(tǒng)的能力，項(xiàng)目將制造三臺(tái)弗朗西斯轉(zhuǎn)輪（一種專(zhuān)為水壩發(fā)電設(shè)計(jì)的大型不銹鋼渦輪機(jī)）。第一臺(tái)轉(zhuǎn)輪將作為原型進(jìn)行測(cè)試，第二臺(tái)直徑約5英尺，正在制造中，預(yù)計(jì)將安裝在田納西河谷管理局的Ocoee水壩。第三臺(tái)安裝在Wilson大壩，具有約15英尺的直徑和超過(guò)46噸的重量，Wilson大壩的發(fā)電能力達(dá)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(jì)劃為實(shí)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(gè)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(jì)發(fā)展方面，它為美國(guó)帶來(lái)了大量就業(yè)機(jī)會(huì)�！�

該項(xiàng)目的核心技術(shù)在于軟件，它使得機(jī)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(shì)。設(shè)想中的系統(tǒng)將任務(wù)分配給不同的機(jī)器人，例如電弧焊接、研磨、計(jì)量等，這些都是傳統(tǒng)上由大型鑄造廠(chǎng)和制造廠(chǎng)工人完成的功能。預(yù)計(jì)該系統(tǒng)可能會(huì)同時(shí)有六臺(tái)或更多機(jī)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(lài)于海外，既耗時(shí)又勞動(dòng)密集。所有這些代工廠(chǎng)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(shí)間�！�

△大型3D打印制造技術(shù)示意

TVA預(yù)計(jì)，最終許多渦輪機(jī)和鋼制部件（如410不銹鋼）將通過(guò)增材制造工藝在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)。在水力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子中，存在易發(fā)生氣蝕的區(qū)域，數(shù)百萬(wàn)個(gè)氣泡破裂產(chǎn)生的累積力會(huì)侵蝕葉片表面，導(dǎo)致渦輪機(jī)故障。然而，通過(guò)增材制造生產(chǎn)時(shí)，可以在部件表面涂覆抗氣蝕涂層。Jawdy 說(shuō)道：“增材制造可以實(shí)現(xiàn)其他制造方法無(wú)法做到的事情。它可以制造出其他方式無(wú)法生產(chǎn)的形狀，還可以結(jié)合各種材料。”

該計(jì)劃涵蓋了生產(chǎn)這些大型部件所需的軟件、硬件、機(jī)器人和制造策略的開(kāi)發(fā)。除了田納西河谷管理局之外，該項(xiàng)目還與多個(gè)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(jì)分析）、Open Mind Technologies（協(xié)助制定制造策略）、ARC Specialties（提供機(jī)器人硬件和集成），以及水力發(fā)電機(jī)組制造商Voith Group-Hydropower。

三年期滿(mǎn)時(shí)，該項(xiàng)目將創(chuàng)建一個(gè)可供多個(gè)行業(yè)使用的新型分布式混合制造平臺(tái)。Stevens指出，這一平臺(tái)將允許國(guó)內(nèi)生產(chǎn)能源、國(guó)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(bǔ)充道，這將提高工人的生產(chǎn)力，并為國(guó)內(nèi)工業(yè)奠定更健康的基礎(chǔ)。

美國(guó)能源部已經(jīng)為該項(xiàng)目頒發(fā)了獎(jiǎng)項(xiàng)，包括來(lái)自先進(jìn)材料和制造技術(shù)辦公室的1300萬(wàn)美元資助以及來(lái)自美國(guó)能源部水力技術(shù)辦公室的200萬(wàn)美元資助。