ORNL计划利用3D打印和智能软件快速制造大型水电转轮

2024年9月11日，南极熊获悉，美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）宣布启动一项旨在推动美国制造业复兴的计划，并将清洁能源制造技术带回本土。该项目名为“加快转轮系统通用近净成形制造战略快速研究”（简称“快速转轮”），获得了美国能源部1500万美元（约合1.06亿人民币）的资助，将在三年内开发一套用于生产大型水电转轮的系统。

△美国政府大力支持AM Forward计划

项目研发背景

转轮是水力发电涡轮机的核心部件，通过将水的压力和流动转化为电能，是水电站不可或缺的组成部分。目前，美国大型转轮几乎全部在海外制造，这导致一旦发生故障，替换部件的生产和运输可能需要数年时间，从而造成时间、金钱和可再生能源的浪费。每当水力涡轮机因零部件短缺而停机一个月，便会损失数千兆瓦时的清洁电力。

“快速转轮”项目将利用先进的机器人金属3D打印技术与传统工具相结合，快速制造接近最终形状的金属部件，并通过后续传统加工工艺完成最终精加工。ORNL的研发人员兼项目技术负责人Adam Stevens表示：“这一方法有望彻底改变大型金属部件的锻造和铸造工艺，大幅度减少生产周期和成本，同时降低环境影响。”

目前，生产一台水力涡轮机的周期约为18个月。倘若因等待零件而无法运行涡轮机，将导致相应时间段的清洁能源生产中断。该项目将填补国内制造基础设施的空白，加快生产速度，并减少停机时间，从而提高能源生产的稳定性和效率。

△ORNL研究人员利用基于电子束的粉末床熔合(EB-PBF)技术3D打印的核部件示意

ORNL的颠覆性制造系统开发小组负责人Brian Post和材料结构与加工部门负责人Jay Tiley分别担任系统和材料项目首席研究员。ORNL的制造示范设施将为该项目提供技术支持和资源。制造示范设施（MDF）由美国能源部先进材料和制造技术办公室支持，是全国合作创新联盟的中心，与ORNL共同推动美国制造业的转型。

为了展示该系统的能力，项目将制造三台弗朗西斯转轮（一种专为水坝发电设计的大型不锈钢涡轮机）。第一台转轮将作为原型进行测试，第二台直径约5英尺，正在制造中，预计将安装在田纳西河谷管理局的Ocoee水坝。第三台安装在Wilson大坝，具有约15英尺的直径和超过46吨的重量，Wilson大坝的发电能力达到653兆瓦。

△研究人员Jay Tiley检查田纳西河谷管理局Cherokee水坝的水力发电站转轮

利用增材制造工艺提升大型零件生产速度

TVA创新与研究副总裁Joe Hoagland表示：“我们一直在探索提升表现的新方法。创新不仅是TVA的核心基因，也是我们所有工作的重心。该计划为实现TVA的使命提供了一种创新途径。我们的使命概括为三个E：能源方面，它提高了可靠性；环境方面，它最大限度地提升了可再生能源的生产；经济发展方面，它为美国带来了大量就业机会。”

该项目的核心技术在于软件，它使得机器人能够协同工作，以更高的速度和更大的规模生产零件，充分发挥增材制造的优势。设想中的系统将任务分配给不同的机器人，例如电弧焊接、研磨、计量等，这些都是传统上由大型铸造厂和制造厂工人完成的功能。预计该系统可能会同时有六台或更多机器人共同协作。

TVA研发部主管Curt Jawdy表示：“以前这些流道的生产完全依赖于海外，既耗时又劳动密集。所有这些代工厂的积压订单都相当严重，我们发现从下订单到拿到流道需要两年的时间。”

△大型3D打印制造技术示意

TVA预计，最终许多涡轮机和钢制部件（如410不锈钢）将通过增材制造工艺在国内生产。在水力涡轮机转子中，存在易发生气蚀的区域，数百万个气泡破裂产生的累积力会侵蚀叶片表面，导致涡轮机故障。然而，通过增材制造生产时，可以在部件表面涂覆抗气蚀涂层。Jawdy 说道：“增材制造可以实现其他制造方法无法做到的事情。它可以制造出其他方式无法生产的形状，还可以结合各种材料。”

该计划涵盖了生产这些大型部件所需的软件、硬件、机器人和制造策略的开发。除了田纳西河谷管理局之外，该项目还与多个组织合作，包Huntington Ingalls-Newport News造船公司（该公司将用3D打印技术制造最大的弗朗西斯转轮）、电力研究所（提供技术经济分析）、Open Mind Technologies（协助制定制造策略）、ARC Specialties（提供机器人硬件和集成），以及水力发电机组制造商Voith Group-Hydropower。

三年期满时，该项目将创建一个可供多个行业使用的新型分布式混合制造平台。Stevens指出，这一平台将允许国内生产能源、国防、造船、水电和市政供水等基础设施规模的净成型部件（任何需要大块金属的行业都能从中受益）。他补充道，这将提高工人的生产力，并为国内工业奠定更健康的基础。

美国能源部已经为该项目颁发了奖项，包括来自先进材料和制造技术办公室的1300万美元资助以及来自美国能源部水力技术办公室的200万美元资助。