我國首臺3D打印沖擊式水輪機真機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪是沖擊式水力發(fā)電廠的關(guān)鍵部件，但由于沖擊式水輪機轉(zhuǎn)輪是在輪轂上裝有20～25個曲面水斗，其曲面形狀非常復(fù)雜。目前國內(nèi)企業(yè)研制的轉(zhuǎn)輪主要是利用國外80年代的模型轉(zhuǎn)輪型線為基礎(chǔ)，采用整體鑄造、人工打磨的工藝進行研制。

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

我國首臺3D打印沖擊式水輪機真機轉(zhuǎn)輪研制成功

水輪的大挑戰(zhàn)

     哈電集團電機公司2013年即進入3D打印領(lǐng)域，是國內(nèi)較早開展3D打印技術(shù)應(yīng)用研究的單位，并于2015年成功制造了國內(nèi)首臺可應(yīng)用于模型水輪機水力試驗的3D打印非金屬模型轉(zhuǎn)輪，完成了模型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪3D打印項目團隊，組建了“水輪機轉(zhuǎn)輪增材制造雙創(chuàng)團隊”，并依托水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室和國家水力發(fā)電設(shè)備工程技術(shù)研究中心等平臺，立足行業(yè)發(fā)展，以市場需求為導(dǎo)向，面向行業(yè)內(nèi)產(chǎn)品制造的焦點和難點，將水輪機轉(zhuǎn)輪中最具代表性的沖擊式轉(zhuǎn)輪3D打印-增材制造作為突破點，深入開展應(yīng)用研發(fā)創(chuàng)新。

彎道超車的嘗試

這類大型結(jié)構(gòu)件制造領(lǐng)域中應(yīng)用該技術(shù)，是目前增材制造技術(shù)研發(fā)的重要方向，同時面臨著很多亟待攻克的技術(shù)難題。中國首臺增材制造沖擊式轉(zhuǎn)輪的成功研制和未來電站的運行驗證，可為水力開發(fā)超高水頭、超大容量沖擊式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪研制成功

安全性高的沖擊式轉(zhuǎn)輪

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

      后續(xù)的制造過程驗證了該技術(shù)的應(yīng)用，大幅降低了沖擊式轉(zhuǎn)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(yù)期，市場前景廣闊。近期，增材制造沖擊式轉(zhuǎn)輪即可裝機運行，其運行的安全性、壽命和效率等將得到進一步的評估和驗證。

 水輪的設(shè)計過程需要將CAD/CAM/CAE/CFD技術(shù)進行有機結(jié)合，通過過程仿真和轉(zhuǎn)輪的剛、強度分析，利用分析的結(jié)果，對轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)進行修改，直到獲得水力性能、結(jié)構(gòu)可靠性、可制造性等各個方面都較優(yōu)的轉(zhuǎn)輪。除了文中提到的通過直接3D打印實現(xiàn)水輪轉(zhuǎn)輪的制造，國際上還通過3D打印砂型與鑄造的結(jié)合實現(xiàn)了大型水輪轉(zhuǎn)輪的制造。談起3D打印與鑄造相結(jié)合的應(yīng)用，還需要從理解3D打印的優(yōu)勢來著眼，3D打印有兩大特點：1是無模化，對應(yīng)的優(yōu)勢是作為研發(fā)試制階段的捷徑，加速迭代過程，減少研發(fā)成本；2是對產(chǎn)品的復(fù)雜性成本不敏感，對應(yīng)的優(yōu)勢是適合創(chuàng)新顛覆產(chǎn)品的設(shè)計，使得產(chǎn)品設(shè)計以功能實現(xiàn)為主導(dǎo)。國內(nèi)鑄造業(yè)存在的普遍誤區(qū)是，僅僅發(fā)揮了3D打印的第一個優(yōu)勢，將3D打印砂模或者3D打印PMMA熔模用于產(chǎn)品的試制開發(fā)階段，也就是說加工的還是傳統(tǒng)設(shè)計的產(chǎn)品，而沒有將3D打印從源頭上用于創(chuàng)新產(chǎn)品的設(shè)計。

3D打印的最大優(yōu)勢是用來制造那些傳統(tǒng)方式實現(xiàn)不了的設(shè)計，包括薄壁，復(fù)雜的形狀這樣的設(shè)計，用在汽車領(lǐng)域來說，可以通過3D打印經(jīng)過特殊設(shè)計的冷卻系統(tǒng)（這樣的設(shè)計通過傳統(tǒng)制造工藝無法制造出來），從而實現(xiàn)產(chǎn)品更高的性能。

一般來說，鑄件尺寸越大，需要制造的砂芯數(shù)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砂芯排氣、砂芯固定，以及外冷鐵設(shè)置和固定等挑戰(zhàn)。

       不僅如此，這些砂模在金屬鑄造過程中通常還要滿足超高溫、超厚寬斷面、高承壓、干凈、無損等要求。在這方面，voxeljet-維捷通過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(zhuǎn)輪研制成功
佩爾頓式水輪機用葉輪，來源voxeljet-維捷

      voxeljet-維捷的特點是基于粘結(jié)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說，由于尺寸巨大，通過傳統(tǒng)制造方法通常需要分拆成不同的部分來完成鑄造過程，再通過焊接將18個葉片焊接到葉輪上，這個過程非常復(fù)雜、耗時且昂貴。

 

       通過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x寬x高）。打印過程為72小時，之后只需要KBL的專有涂層技術(shù)進行后期處理。