В ORNL напечатали крупногабаритные лопатки для паровых турбин

Исследователи из Ок-Риджской национальной лаборатории (ORNL) Министерства энергетики США (DOE) использовали процесс прямого подвода энергии и материала (DED) для аддитивного производства больших вращающихся лопаток паровых турбин, используемых на электростанциях.

"Сейчас мы осознаем, что не можем получить малосерийные отливки и поковки весом более 100 или 200 фунтов [45 / 90 кг] из внутренней цепочки поставок, - говорит Майкл Кирка, ведущий исследователь и руководитель группы по науке и DED-процессу в ORNL. - Это ставит нас в неприемлемое положение, особенно если учесть, как международные конфликты повлияли на международное перемещение критически важных грузов".

В ORNL для аддитивного производства используется металлическая проволка, которая расплавляется с помощью электрической дуги. После процесса наплавки, который осуществляется с помощью роботизированного манипулятора, деталь подвергается механической обработке. Используемая технология проволочно-дуговой сварки, используемая при изготовлении лопатки турбины, была разработана в партнерстве с компанией Lincoln Electric в рамках соглашения о совместных исследованиях и разработках.

Поскольку этот метод производства основан на технологии сварки, его можно использовать для ремонта существующих деталей. Это может позволить таким компаниям, как Siemens Energy, сестринская компания Siemens, которая также является партнером в проекте, легче обслуживать и модернизировать оборудование в рамках сервисных контрактов с электросетями.

В Siemens исследование технологии проволочно-дуговой сварки для аддитивного производства началось в 2019 году и было сосредоточено на задачах по ремонту компонентов. Однако во время пандемии COVID-19, когда ожидание новых литых лопаток для паровых турбин достигло двух лет, масштабы проекта расширились. Затем задачи проекта расширились до производства целых запасных частей, поскольку эти типы турбинных двигателей достаточно универсальны и могут использоваться на газовых, угольных и атомных электростанциях, поделился Кирка.

Исследователи из ORNL экспериментировали с различными материалами, чтобы разработать улучшенные методы оценки механических характеристик деталей, изготовленных аддитивным способом. Большая лопатка паровой турбины, изготовленная из стального сплава, стала кульминацией этих усилий.

"Изначально планировалось напечатать только 25 % верхней части лопатки, - заявил Ананд Кулкарни, старший главный эксперт по ключевым вопросам компании Siemens Technology. - Но когда мы увидели потенциал проволочно-дуговой установки в ORNL, мы подумали, что можем сделать всю лопасть за одну сборку. Возможность сканирования детали в процессе ее изготовления дала нам нужную информацию, которую можно было передать нашим специалистам по мехобработке, и позволила сократить время производства".

В пресс-релизе отмечается, что в то время как ожидание крупных отливок и поковок сократилось до семи-восьми месяцев, ORNL смог изготовить лезвие всего за 12 часов. По словам Кулкарни, с учетом механической обработки лезвие можно изготовить за две недели.

Сейчас Siemens совместно с Научно-исследовательским институтом электроэнергетики проводит неразрушающий контроль и испытания полученной детали. "Мы все еще изучаем свойства деталей, чтобы понять, как результаты соотносятся с традиционными методами, - добавил Кулкарни. - Однако для ремонта свойства не обязательно должны быть идентичными. По его словам, текущая задача - поддерживать двигатели в рабочем состоянии и избегать простоев".

Многим крупногабаритным компонентам современных турбин уже несколько десятилетий, но из-за закрытия предприятий и перевода промышленности на периферию инструменты, с помощью которых они создавались, фактически исчезли, добавил Кирка. Аддитивное производство предлагает более надежную альтернативу, потому что оно может повторить любую конструкцию.