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電的四大機型之一，轉輪是沖擊式水力發電廠的關鍵部件，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。

       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團隊”，并依托水力發電設備國家重點實驗室和國家水力發電設備工程技術研究中心等平臺，立足行業發展，以市場需求為導向，面向行業內產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，深入開展應用研發創新。

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和運行工況，獨創了安全性高的增材制造結構，研發了基于機器人技術的轉輪增材制造工藝，形成了完整的、具有自主知識產權的轉輪增材制造技術。

      后續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，具有良好的經濟性，符合研發預期，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的轉輪。除了文中提到的通過直接3D打印實現水輪轉輪的制造，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打印的優勢來著眼，3D打印有兩大特點：1是無模化，對應的優勢是作為研發試制階段的捷徑，加速迭代過程，減少研發成本；2是對產品的復雜性成本不敏感，對應的優勢是適合創新顛覆產品的設計，使得產品設計以功能實現為主導。國內鑄造業存在的普遍誤區是，僅僅發揮了3D打印的第一個優勢，將3D打印砂模或者3D打印PMMA熔模用于產品的試制開發階段，也就是說加工的還是傳統設計的產品，而沒有將3D打印從源頭上用于創新產品的設計。

3D打印的最大優勢是用來制造那些傳統方式實現不了的設計，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打印經過特殊設計的冷卻系統（這樣的設計通過傳統制造工藝無法制造出來），從而實現產品更高的性能。

一般來說，鑄件尺寸越大，需要制造的砂芯數量就越多。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。

       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劑噴射的大幅面3D打印技術，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，這個過程非常復雜、耗時且昂貴。

 

       通過voxeljet-維捷大型工業級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的專有涂層技術進行后期處理。