ORNL的Jay Tiley正在检查TVA切罗基大坝的水力发电机。ORNL与TVA及其他机构合作，致力于开发一种用于生产大型金属混合涂料的工艺，以推动清洁能源的应用。图片来源:Jim Tobin/ORNL，美国能源部
一项针对大型金属组件的创新制造计划有望为美国制造业注入新活力，并将清洁能源制造技术带回美国。美国能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的科学家表示，这种新方法能够显著缩短关键部件的交付时间，并推动能源制造业的经济增长。
该项目名为“快速流道系统通用近净形状制造策略快速研究”(Rapid RUNNERS)，在三年内获得了美国能源部1500万美元的资助，旨在建立一个用于水电站大坝的大型流道生产系统。转轮是水力涡轮机的旋转部分，将水的压力和运动转化为电能。
该项目将结合3D打印或增材制造与传统工具，在国内生产跑步机。整个过程将利用机器人焊接技术，逐层沉积金属以形成流道。
“这可能会彻底改变大型金属部件的锻造和铸造方式，”ORNL的研发人员、该项目的技术负责人亚当·史蒂文斯(Adam Stevens)表示。
这些大型金属部件几乎完全在海外生产，一旦出现故障，替代品的制造和交付可能需要数年时间。这不仅造成时间和金钱的浪费，还影响可再生能源的利用。每当一台水力涡轮机因等待部件而闲置，数千兆瓦时的可再生电力就会损失。然而，自动化增材制造(AM)方法能够快速生产接近零件最终尺寸的金属部件，即所谓的近净形状。随后，使用传统加工技术进行最终成型，相较于现有工艺，显著减少了浪费和停机时间。
“目前，生产一个这样的产品大约需要18个月。如果你因为等待一个零件而无法操作水力涡轮机，那你就失去了18个月的清洁能源生产。这种方法可以填补国内工业基础的空白。
近净形状是指部件的几何形状尽可能接近最终尺寸和形状，从而大幅减少传统金属制造所需的精加工步骤。融合制造通过将必要的加工和精加工整合到增材制造过程中，为实现所需的净形状提供了一种途径。水力发电涡轮机的设计和制造都非常复杂，目前需要数月的手工焊接和精加工。
ORNL的颠覆性制造系统开发小组负责人Brian Post和实验室材料结构与加工部门负责人Jay Tiley分别担任系统和材料的项目首席研究员。ORNL的制造示范设施正在提供必要的资源和专业知识。MDF由美国能源部先进材料和制造技术办公室支持，是与ORNL合作的全国性合作联盟的核心，旨在推动美国制造业的创新和转型。
为了展示制造系统的能力，该项目将制造三个法兰式转轮，这是一种特殊设计的大型不锈钢涡轮机，用于大坝发电。第一个跑步器是一个用于测试的原型。第二个直径约5英尺，正在为田纳西州帕克斯维尔的田纳西河谷管理局的奥科伊大坝做准备。奥科伊大坝是一座宽840英尺、高135英尺的水电站大坝，横跨奥科伊河，设有5个发电机组，能够产生24兆瓦的电力。
这个项目为我们提供了一种创新的方式来实现TVA的使命，概括为三个“E”:在能源方面，它提高了可靠性;在环境方面，它最大限度地提高了可再生能源的产量;在经济发展方面，它为美国创造了大量就业机会。
第三台法兰式转轮将用于TVA的威尔逊大坝，该大坝设有21台发电机组，发电量为653兆瓦。涡轮机直径约15英尺，高8英尺，重超过46吨。TVA总部位于田纳西州诺克斯维尔，是美国最大的公共电力公司，运营着29座水坝和113台发电机。
“我们一直在寻找更好的方法来完成工作。创新是TVA的DNA，是我们所有工作的核心，”TVA创新和研究副总裁乔·霍格兰(Joe Hoagland)表示。“这个项目为我们提供了一种创新的方式来实现TVA的使命，概括为三个‘E’:在能源方面，它提高了可靠性;在环境方面，它最大限度地提高了可再生能源的产量;在经济发展方面，它为美国创造了大量就业机会。”
该计划的核心是允许机器人生产零件的软件，这些机器人协同工作，以比任何单一系统更快的速度在更大的形状上进行增材制造。设想中的系统将为每个机器人分配特定任务，例如弧焊、磨削、计量等，这些任务通常由大型铸造厂和制造设施的工人完成。该系统可能会有6个或更多的机器人同时在系统上工作。
TVA的研发主管科特·贾迪(Curt Jawdy)表示，传统的跑步机生产主要在海外进行，耗时且劳动密集。他说：“所有这些代工厂都有相当大的积压，我们发现从下订单到找到代工厂需要两年的时间。”
TVA预计，未来其许多涡轮机和钢铁部件（在这种情况下称为410不锈钢）将通过增材制造工艺在国内生产，从而实现独特的能力。
Jawdy表示，水力转轮存在容易空化的区域，叶片表面在数百万个气泡坍塌的累积力下会受到侵蚀，可能导致涡轮机失效。但通过增材制造，可以应用抗空化涂层。
“增材制造可以实现一些你无法通过传统方法做到的设计。有些形状是你无法制造的，但通过增材制造可以实现，你还可以组合不同的材料，”乔迪说。
该计划涵盖了软件、硬件、机器人以及生产这些大型部件所需的制造策略的开发。除了TVA，还有多个组织与ORNL合作开发。其中包括：亨廷顿英格尔斯-纽波特纽斯造船公司，最大的法兰流道将通过3D打印制造；电力研究所，提供技术经济分析；技术开放，协助制造战略发展；ARC Specialties，提供机器人硬件和集成；以及水力发电机组制造商福伊特水电集团。
在三年期限结束时，该项目将创建一个新的分布式混合制造平台，可用于多个行业，“这将允许国内生产基础设施规模的净形状组件，适用于能源、国防、造船、水电和市政供水等任何需要大块金属的行业，”ORNL的Stevens表示。“这将提高工人的生产率，并为国内工业基础提供更健康的环境。”
其中1300万美元来自先进材料和制造技术办公室，200万美元来自水力发电技术办公室。
UT-Battelle为美国能源部科学办公室管理ORNL，该办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者。美国能源部科学办公室正在努力解决我们这个时代的一些最紧迫的挑战。欲了解更多信息，请访问energy.gov/science。——劳伦斯·伯纳德
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