我國首臺3D打印沖擊式水輪機真機轉輪研制成功?

我國首臺3D打印沖擊式水輪機真機轉輪研制成功 
  沖擊式水輪機是水力發(fā)電的四大機型之一，轉輪是沖擊式水力發(fā)電廠(chǎng)的關(guān)鍵部件，但由于沖擊式水輪機轉輪是在輪轂上裝有20～25個(gè)曲面水斗，其曲面形狀非常復雜。目前國內企業(yè)研制的轉輪主要是利用國外80年代的模型轉輪型線(xiàn)為基礎，采用整體鑄造、人工打磨的工藝進(jìn)行研制。

       根據哈電集團哈爾濱電機廠(chǎng)有限責任公司，中國首臺增材制造沖擊式水輪機真機轉輪在該公司研制成功并交付，標志著(zhù)哈電電機增材制造(3D打印)技術(shù)的研究與應用進(jìn)入新的發(fā)展階段。

我國首臺3D打印沖擊式水輪機真機轉輪研制成功

水輪的大挑戰

     哈電集團電機公司2013年即進(jìn)入3D打印領(lǐng)域，是國內較早開(kāi)展3D打印技術(shù)應用研究的單位，并于2015年成功制造了國內首臺可應用于模型水輪機水力試驗的3D打印非金屬模型轉輪，完成了模型轉輪金屬3D打印技術(shù)的可行性研究與前期研發(fā)。

       哈電集團電機公司基于模型轉輪3D打印項目團隊，組建了“水輪機轉輪增材制造雙創(chuàng )團隊”，并依托水力發(fā)電設備國家重點(diǎn)實(shí)驗室和國家水力發(fā)電設備工程技術(shù)研究中心等平臺，立足行業(yè)發(fā)展，以市場(chǎng)需求為導向，面向行業(yè)內產(chǎn)品制造的焦點(diǎn)和難點(diǎn)，將水輪機轉輪中最具代表性的沖擊式轉輪3D打印-增材制造作為突破點(diǎn)，深入開(kāi)展應用研發(fā)創(chuàng )新。

彎道超車(chē)的嘗試

這類(lèi)大型結構件制造領(lǐng)域中應用該技術(shù)，是目前增材制造技術(shù)研發(fā)的重要方向，同時(shí)面臨著(zhù)很多亟待攻克的技術(shù)難題。中國首臺增材制造沖擊式轉輪的成功研制和未來(lái)電站的運行驗證，可為水力開(kāi)發(fā)超高水頭、超大容量沖擊式轉輪制造提供有效可行的新方案。

 

我國首臺3D打印沖擊式水輪機真機轉輪研制成功

安全性高的沖擊式轉輪

     該項目團隊根據沖擊式轉輪的結構特點(diǎn)和運行工況，獨創(chuàng )了安全性高的增材制造結構，研發(fā)了基于機器人技術(shù)的轉輪增材制造工藝，形成了完整的、具有自主知識產(chǎn)權的轉輪增材制造技術(shù)。

      后續的制造過(guò)程驗證了該技術(shù)的應用，大幅降低了沖擊式轉輪的制造成本、周期和難度，具有良好的經(jīng)濟性，符合研發(fā)預期，市場(chǎng)前景廣闊。近期，增材制造沖擊式轉輪即可裝機運行，其運行的安全性、壽命和效率等將得到進(jìn)一步的評估和驗證。

 水輪的設計過(guò)程需要將CAD/CAM/CAE/CFD技術(shù)進(jìn)行有機結合，通過(guò)過(guò)程仿真和轉輪的剛、強度分析，利用分析的結果，對轉輪的結構進(jìn)行修改，直到獲得水力性能、結構可靠性、可制造性等各個(gè)方面都較優(yōu)的轉輪。除了文中提到的通過(guò)直接3D打印實(shí)現水輪轉輪的制造，國際上還通過(guò)3D打印砂型與鑄造的結合實(shí)現了大型水輪轉輪的制造。談起3D打印與鑄造相結合的應用，還需要從理解3D打印的優(yōu)勢來(lái)著(zhù)眼，3D打印有兩大特點(diǎn)：1是無(wú)?；?，對應的優(yōu)勢是作為研發(fā)試制階段的捷徑，加速迭代過(guò)程，減少研發(fā)成本；2是對產(chǎn)品的復雜性成本不敏感，對應的優(yōu)勢是適合創(chuàng )新顛覆產(chǎn)品的設計，使得產(chǎn)品設計以功能實(shí)現為主導。國內鑄造業(yè)存在的普遍誤區是，僅僅發(fā)揮了3D打印的第一個(gè)優(yōu)勢，將3D打印砂?；蛘?D打印PMMA熔模用于產(chǎn)品的試制開(kāi)發(fā)階段，也就是說(shuō)加工的還是傳統設計的產(chǎn)品，而沒(méi)有將3D打印從源頭上用于創(chuàng )新產(chǎn)品的設計。

3D打印的最大優(yōu)勢是用來(lái)制造那些傳統方式實(shí)現不了的設計，包括薄壁，復雜的形狀這樣的設計，用在汽車(chē)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)3D打印經(jīng)過(guò)特殊設計的冷卻系統（這樣的設計通過(guò)傳統制造工藝無(wú)法制造出來(lái)），從而實(shí)現產(chǎn)品更高的性能。

一般來(lái)說(shuō)，鑄件尺寸越大，需要制造的砂芯數量就越多。3D打印技術(shù)用于大型鑄件砂模制造方面存在著(zhù)砂芯排氣、砂芯固定，以及外冷鐵設置和固定等挑戰。

       不僅如此，這些砂模在金屬鑄造過(guò)程中通常還要滿(mǎn)足超高溫、超厚寬斷面、高承壓、干凈、無(wú)損等要求。在這方面，voxeljet-維捷通過(guò)與泵制造商的合作成功制造了3.2噸重的佩爾頓式水輪機用葉輪。

我國首臺3D打印沖擊式水輪機真機轉輪研制成功
佩爾頓式水輪機用葉輪，來(lái)源voxeljet-維捷

      voxeljet-維捷的特點(diǎn)是基于粘結劑噴射的大幅面3D打印技術(shù)，對于這款佩爾頓式水輪機用葉輪來(lái)說(shuō)，由于尺寸巨大，通過(guò)傳統制造方法通常需要分拆成不同的部分來(lái)完成鑄造過(guò)程，再通過(guò)焊接將18個(gè)葉片焊接到葉輪上，這個(gè)過(guò)程非常復雜、耗時(shí)且昂貴。

 

       通過(guò)voxeljet-維捷大型工業(yè)級3D打印機VX4000一次性完成了全部工作，VX4000的打印面積為4,000 x 2,000 x 1,000 mm（長(cháng)x寬x高）。打印過(guò)程為72小時(shí)，之后只需要KBL的專(zhuān)有涂層技術(shù)進(jìn)行后期處理。