ORNL的Jay Tiley检查TVA的切罗基大坝的水力发电机。ORNL正在与TVA和其他机构合作开发一种生产大型me的工艺tal混合涂料这是清洁能源的应用。图片来源:Jim Tobin/ORNL，美国能源部
一项针对大型金属部件的独特制造计划有望帮助振兴美国制造业，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，这种方法可以大大缩短关键部件的等待时间，并促进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1500万美元的资金，用于创建一个生产用于水电站大坝的大型流道的系统。转轮是水力涡轮机的旋转部件，它使水的压力和运动转化为电能。
该项目将使用3D打印或增材制造结合传统工具生产跑步机，全部在国内生产。该过程将使用机器人焊工一层一层地沉积金属以形成流道。
“这有可能改变大型金属部件的锻造和铸造，”ORNL的研发人员、该项目的技术负责人亚当·史蒂文斯(Adam Stevens)说。
这些大型金属部件几乎完全是在海外生产的，当它们出现故障时，可能需要数年的时间来制造和接收替代品。这意味着时间、金钱和可再生能源的损失。每一个月，一台水力涡轮机闲置等待部件，数千兆瓦时的可再生电力就会丧失。但自动化增材制造(AM)方法可以快速生产出接近零件最终尺寸的金属部件，即所谓的近净形状。然后使用传统的加工技术来完成形状，与现有工艺相比，减少了浪费和停机时间。
“目前，生产一个这样的产品需要大约18个月的时间。如果你不能操作水力涡轮机，因为你在等待一个零件，那你就有18个月没有生产清洁能源。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，大大减少了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纳入增材制造过程，为实现所需的净形状提供了一条途径。用于水力发电的涡轮机设计复杂，制造复杂，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的负责人Brian Post和实验室材料结构和加工部门的负责人Jay Tiley分别是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中心，旨在创新、激励和促进美国制造业的转型。
为了展示制造系统的能力，该项目将制造三个法兰式转轮，这是一种特殊风格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，有5个发电机组，可产生24兆瓦的电力。
这个项目为我们提供了一种创新的方式来完成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，它为美国带来了大量的就业机会
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，在29座水坝中运营113台发电机。
“我们一直在寻找把事情做得更好的新方法。创新是TVA DNA的一部分，是我们所做的所有事情的重点，”TVA创新和研究副总裁乔·霍格兰(Joe Hoagland)说。“这个项目为我们提供了一种创新的方式来完成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，它为美国带来了大量的就业机会。”
该计划的核心是允许机器人生产零件的软件，它们共同工作，以比任何单独系统更快的速度在更大的形状上进行AM。设想中的系统将一个机器人分配到一项任务，例如弧焊、磨削、计量和其他传统上由大型铸造厂和制造设施的工人完成的必要功能。该系统可能有6个或更多的机器人同时汇聚在系统上。
TVA的研发主管科特·贾迪(Curt Jawdy)说，这些跑步机的传统生产都在海外，需要花费大量时间，而且非常耗费劳动力。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，最终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说，水力转轮有容易空化的区域，在数百万个气泡坍塌的累积力下，叶片表面受到侵蚀，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。
“你可以用增材制造做一些你不能做的事情。有些形状你可以做出来，否则你无法做出来，你可以组合材料，”乔迪说。
该计划涵盖了软件、硬件、机器人和生产这些大型部件所需的制造策略的开发。除了TVA，还有几个组织与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，其中最大的法兰流道将被3d打印;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，可用于许多行业，“这将允许国内生产基础设施规模的净形状组件，用于能源，国防，造船，水电和市政供水-任何需要大块金属的行业都可以从中受益，”ORNL的Stevens说。“这将提高工人的生产率，并提供一个更健康的国内工业基础。”
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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