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我國首臺3D打印沖擊式水輪機真機轉輪研制成功

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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)電廠的關鍵部件，但由于沖擊式水輪機轉輪是在輪轂上裝有20～25個曲面水斗，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為基礎，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，標志著哈電電機增材制造(3D打印)技術的研究與應用進入新的發(fā)展階段。

水輪的大挑戰(zhàn)

哈電集團電機公司2013年即進入3D打印領域，是國內較早開展3D打印技術應用研究的單位，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)電設備國家重點實驗室和國家水力發(fā)電設備工程技術研究中心等平臺，立足行業(yè)發(fā)展，以市場需求為導向，面向行業(yè)內產(chǎn)品制造的焦點和難點，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，深入開展應用研發(fā)創(chuàng)新。

彎道超車的嘗試

這類大型結構件制造領域中應用該技術，是目前增材制造技術研發(fā)的重要方向，同時面臨著很多亟待攻克的技術難題。中國首臺增材制造沖擊式轉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、超大容量沖擊式轉輪制造提供有效可行的新方案。

安全性高的沖擊式轉輪

該項目團隊根據(jù)沖擊式轉輪的結構特點和運行工況，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。

后續(xù)的制造過程驗證了該技術的應用，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一步的評估和驗證。

水輪的設計過程需要將CAD/CAM/CAE/CFD技術進行有機結合，通過過程仿真和轉輪的剛、強度分析，利用分析的結果，對轉輪的結構進行修改，直到獲得水力性能、結構可靠性、可制造性等各個方面都較優(yōu)的轉輪。除了文中提到的通過直接3D打印實現(xiàn)水輪轉輪的制造，國際上還通過3D打印砂型與鑄造的結合實現(xiàn)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)勢來著眼，3D打印有兩大特點：1是無模化，對應的優(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)品設計以功能實現(xiàn)為主導。國內鑄造業(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)不了的設計，包括薄壁，復雜的形狀這樣的設計，用在汽車領域來說，可以通過3D打印經(jīng)過特殊設計的冷卻系統(tǒng)（這樣的設計通過傳統(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。