ORNL計劃利用3D打印和智能軟件快速制造大型水電轉輪
時間：2024-09-12 10:01 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
△美國政府大力支持AM Forward計劃
項目研發背景
轉輪是水力發電渦輪機的核心部件，通過將水的壓力和流動轉化為電能，是水電站不可或缺的組成部分。目前，美國大型轉輪幾乎全部在海外制造，這導致一旦發生故障，替換部件的生產和運輸可能需要數年時間，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，便會損失數千兆瓦時的清潔電力。
“快速轉輪”項目將利用先進的機器人金屬3D打印技術與傳統工具相結合，快速制造接近最終形狀的金屬部件，并通過后續傳統加工工藝完成最終精加工。ORNL的研發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，大幅度減少生產周期和成本，同時降低環境影響。”
目前，生產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中斷。該項目將填補國內制造基礎設施的空白，加快生產速度，并減少停機時間，從而提高能源生產的穩定性和效率。
△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的顛覆性制造系統開發小組負責人Brian Post和材料結構與加工部門負責人Jay Tiley分別擔任系統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，是全國合作創新聯盟的中心，與ORNL共同推動美國制造業的轉型。
為了展示該系統的能力，項目將制造三臺弗朗西斯轉輪（一種專為水壩發電設計的大型不銹鋼渦輪機）。第一臺轉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水壩的水力發電站轉輪
利用增材制造工藝提升大型零件生產速度
TVA創新與研究副總裁Joe Hoagland表示：“我們一直在探索提升表現的新方法。創新不僅是TVA的核心基因，也是我們所有工作的重心。該計劃為實現TVA的使命提供了一種創新途徑。我們的使命概括為三個E：能源方面，它提高了可靠性；環境方面，它最大限度地提升了可再生能源的生產；經濟發展方面，它為美國帶來了大量就業機會。”
該項目的核心技術在于軟件，它使得機器人能夠協同工作，以更高的速度和更大的規模生產零件，充分發揮增材制造的優勢。設想中的系統將任務分配給不同的機器人，例如電弧焊接、研磨、計量等，這些都是傳統上由大型鑄造廠和制造廠工人完成的功能。預計該系統可能會同時有六臺或更多機器人共同協作。
TVA研發部主管Curt Jawdy表示：“以前這些流道的生產完全依賴于海外，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，我們發現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生產。在水力渦輪機轉子中，存在易發生氣蝕的區域，數百萬個氣泡破裂產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的形狀，還可以結合各種材料。”
該計劃涵蓋了生產這些大型部件所需的軟件、硬件、機器人和制造策略的開發。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輪）、電力研究所（提供技術經濟分析）、Open Mind Technologies（協助制定制造策略）、ARC Specialties（提供機器人硬件和集成），以及水力發電機組制造商Voith Group-Hydropower。
三年期滿時，該項目將創建一個可供多個行業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生產能源、國防、造船、水電和市政供水等基礎設施規模的凈成型部件（任何需要大塊金屬的行業都能從中受益）。他補充道，這將提高工人的生產力，并為國內工業奠定更健康的基礎。
美國能源部已經為該項目頒發了獎項，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。
(責任編輯：admin)
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