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我國首臺3D打印沖擊式水輪機真機轉(zhuǎn)輪研制成功

魔猴君  行業(yè)資訊   1482天前

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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(jìn)行研制。

根據(jù)哈電集團(tuán)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(biāo)志著哈電電機增材制造(3D打印)技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)入新的發(fā)展階段。

水輪的大挑戰(zhàn)

哈電集團(tuán)電機公司2013年即進(jìn)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(tuán)電機公司基于模型轉(zhuǎn)輪3D打印項目團(tuán)隊,組建了“水輪機轉(zhuǎn)輪增材制造雙創(chuàng)團(tuán)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。

安全性高的沖擊式轉(zhuǎn)輪

該項目團(tuán)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(jì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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?;?,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?;蛘?D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。

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(jìn)行后期處理。


來源:https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/guowaikuaidi/39828.html

   
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