橡树岭国家实验室 (ORNL) 牵头的一项新制造计划旨在通过为清洁能源应用（尤其是水电）制造大型金属部件来振兴美国制造业。这项名为“快速转轮系统通用近净形制造策略快速研究” (Rapid RUNNERS) 的计划专注于通过增材制造 (AM) 和传统工具生产大型水电涡轮机转轮。该项目已获得美国能源部 (DOE) 1500 万美元的资助，旨在减少关键水电部件的漫长等待时间并刺激能源行业的经济增长。
水力发电转子是将水压和水流转化为电能的旋转部件。Rapid RUNNERS 项目将使用机器人焊机逐层沉积金属，生产近净成型的转子。这些接近最终尺寸的部件与传统方法相比，需要的精加工步骤更少，而传统方法可能需要长达 18 个月才能生产一个转子。ORNL 的 Adam Stevens 是该项目的技术负责人，他解释说，目标是大幅缩短制造这些部件所需的时间，帮助解决国内能源工业基础的缺口。
ORNL 的 Jay Tiley 检查了田纳西河谷管理局切诺基大坝的水力发电站转轮，这是开发用于清洁能源的大型金属部件的合作项目之一。（图片来源：Jim Tobin/ORNL，美国能源部）
水电近净成形制造
近净成形方法使部件尽可能接近其最终形状，从而减少浪费并减少劳动密集型的精加工工艺。目前，转子等大型金属部件的生产大多在海外进行，这导致涡轮机停机时出现长时间的延误。水力涡轮机结构复杂，需要数月的手工焊接和精加工，它将受益于这一简化的工艺。通过将增材制造与传统加工技术相结合，ORNL 及其合作伙伴旨在提高生产力并提高清洁能源生产的效率。
ORNL 颠覆性制造系统开发小组负责人 Brian Post 和 ORNL 材料结构与加工部门负责人 Jay Tiley 负责领导该项目。ORNL 的制造示范设施 (MDF) 由美国能源部先进材料与制造技术办公室支持，是合作中心。MDF 是致力于推动美国制造业创新的国家联盟的一部分。
扩大国内能源基础设施能力
该项目计划生产三台弗朗西斯式转轮，包括一台用于测试的原型机和两台可能安装在田纳西流域管理局 (TVA) 水坝中的转轮。这些转轮的尺寸各不相同，其中一台将用于田纳西州帕克斯维尔的奥科伊水坝，另一台直径为 15 英尺，将用于 TVA 的威尔逊水坝，该水坝发电量为 653 兆瓦。TVA 是美国最大的公共电力供应商，在 29 座水坝上安装了 113 台发电机。
田纳西河谷管理局创新与研究副总裁乔·霍格兰 (Joe Hoagland) 表达了该计划的重要意义，并指出该项目符合田纳西河谷管理局的使命，即提高能源可靠性，提高可再生能源产出，并通过在美国创造就业机会来促进经济发展。该系统将使用机器人完成电弧焊、磨削和计量等任务，从而实现这些重要部件的自动化、大规模生产。
TVA 研发主管 Curt Jawdy 强调了当前流道生产面临的挑战，流道生产通常面临长达两年的积压。他强调，增材制造可以创造出传统方法无法实现的设计和形状，并具有应用抗气蚀涂层等优势，可以延长流道的使用寿命。
制造业创新合作
ORNL 正与多家合作伙伴合作，将这一制造平台变为现实。其中包括亨廷顿英格尔斯-纽波特纽斯造船公司（该公司将用 3D 打印技术制造最大的转轮）和电力研究所（该公司将提供技术经济分析）。其他合作伙伴包括 Open Mind Technologies、ARC Specialties 和 Voith Group-Hydropower，所有这些公司都在协助制定制造战略和集成机器人硬件。
这项为期三年的项目最终将创建一个新的混合制造平台，可以在国内生产基础设施规模的零部件，使能源、国防、造船和市政供水等行业受益。橡树岭国家实验室的史蒂文斯指出，该项目将提高工人生产率，增强美国工业基础，为国内制造业提供急需的推动力。
美国能源部通过先进材料和制造技术办公室向该项目拨款 1300 万美元，水力技术办公室则额外拨款 200 万美元。该项目由德克萨斯大学巴特尔分校为美国能源部科学办公室管理，该办公室支持旨在解决物理科学领域重大挑战的广泛基础研究工作。
来源：ornl.gov
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