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)復興的計劃，并將清潔能源制造技術帶回本土。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)人員兼項目技術負責人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，將導致相應時間段的清潔能源生產(chǎn)中斷。該項目將填補國內(nèi)制造基礎設施的空白，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)小組負責人Brian Post和材料結(jié)構(gòu)與加工部門負責人Jay Tiley分別擔任系統(tǒng)和材料項目首席研究員。ORNL的制造示范設施將為該項目提供技術支持和資源。制造示范設施（MDF）由美國能源部先進材料和制造技術辦公室支持，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。設想中的系統(tǒng)將任務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嚴重，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打印制造技術示意

TVA預計，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打印技術制造最大的弗朗西斯轉(zhuǎn)輪）、電力研究所（提供技術經(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設施規(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。

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辦公室的1300萬美元資助以及來自美國能源部水力技術辦公室的200萬美元資助。