ORNLは3Dプリントとスマートソフトウェアを使用して大型水力発電タービンを迅速に製造する計画

この投稿は Bingdunxiong によって 2024-9-11 16:39 に最後に編集されました

2024年9月11日、アンタークティックベアは、米国エネルギー省のオークリッジ国立研究所（ORNL）が、アメリカの製造業の復活を促進し、クリーンエネルギー製造技術を国内に戻すことを目的としたプログラムの開始を発表したことを知りました。「水力発電システムのための普遍的なニアネットシェイプ製造戦略を加速するための急速な研究」（「急速な水力発電」）と呼ばれるこのプロジェクトは、米国エネルギー省から1500万ドル（約1億600万人民元）の資金提供を受け、3年以内に大型水力発電タービンを製造するシステムを開発する予定である。

△米国政府はAMフォワード計画を強く支持している
プロジェクト開発の背景

ランナーは水力発電タービンの中核部品であり、水の圧力と流れを電気エネルギーに変換する水力発電所に欠かせない部品です。現在、米国の大型タービンのほぼすべてが海外で製造されているため、故障が発生した場合、交換部品の製造と出荷に何年もかかる可能性があり、時間、お金、再生可能エネルギーの無駄になります。部品不足により水力タービンが1か月間停止するたびに、数千メガワット時のクリーンな電力が失われます。

「ラピッドホイール」プロジェクトでは、高度なロボット金属 3D 印刷技術と従来のツールを組み合わせて、金属部品をほぼ正確な形状に迅速に製造し、その後の従来の機械加工プロセスで最終仕上げを行います。「この方法は、大型金属部品の鍛造と鋳造に革命を起こす可能性があり、生産時間とコストを大幅に削減するとともに、環境への影響も低減します」と、ORNLの研究者でこのプロジェクトの技術リーダーであるアダム・スティーブンス氏は述べた。

現在、水力タービンの生産サイクルは約18か月です。部品を待っている間にタービンを稼働できない場合、対応する期間、クリーンエネルギーの生産が中断されます。このプロジェクトにより、国内の製造インフラのギャップが埋められ、生産が加速され、ダウンタイムが短縮され、エネルギー生産の安定性と効率性が向上します。

△ ORNLの研究者は電子ビームベースの粉末床溶融結合（EB-PBF）技術を使用して核コンポーネントを3Dプリントする
ORNL の破壊的製造システム開発グループの責任者である Brian Post 氏と、材料構造および処理部門の責任者である Jay Tiley 氏が、それぞれシステムプロジェクトと材料プロジェクトの主任研究員を務めています。 ORNL の製造デモンストレーション施設は、このプロジェクトに技術サポートとリソースを提供します。 DOE の先端材料および製造技術局の支援を受けている製造実証施設 (MDF) は、ORNL と協力して米国の製造業を変革する全国的な共同イノベーション連合の中心的存在です。

このシステムの能力を実証するため、このプロジェクトではダムでの発電用に設計された大型のステンレス鋼製タービンであるフランシスランナーを3基建設する予定です。最初のローターは試作品としてテストされ、直径約5フィートの2番目のローターが製造され、テネシー川流域開発公社のオコイーダムに設置される予定である。ウィルソンダムに設置された3番目のユニットは、直径約15フィート、重量46トンを超え、ウィルソンダムの発電能力は653メガワットになります。

△ 研究者ジェイ・タイリーがテネシー川流域開発公社のチェロキーダムの水力発電所のローターを検査している
積層造形による大型部品の高速生産

「私たちは常に、業績を向上させる新しい方法を模索しています」と、TVA のイノベーションおよび研究担当副社長であるジョー・ホーグランドは述べています。「イノベーションは TVA の DNA の中核であるだけでなく、私たちが行うすべてのことの中核でもあります。このプログラムは、信頼性の向上によるエネルギー、再生可能エネルギーの生産の最大化による環境、そしてアメリカに雇用を創出することによる経済発展という 3 つの E に要約される TVA の使命を達成するための革新的な方法を提供します。」

このプロジェクトの中核技術はソフトウェアにあり、ロボットが連携してより高速かつ大規模に部品を生産できるようにすることで、積層造形の利点を最大限に発揮します。構想されているシステムは、従来は大規模な鋳造所や製造工場の作業員が行ってきたアーク溶接、研削、計測などの作業をさまざまなロボットに割り当てることになる。システムでは、6 台以上のロボットが同時に連携して動作することが予想されます。

「これまで、こうしたランナーの生産はすべて海外で行われており、時間がかかり、労働集約的でした」とTVAの研究開発ディレクター、カート・ジョーディ氏は語る。「これらの鋳造所はすべて受注残が非常に多く、注文してからランナーが届くまでに2年もかかっていました。」

△大規模3Dプリント製造技術の模式図
TVA は、最終的には多くのタービンや 410 ステンレス鋼などの鉄鋼部品が積層造形プロセスを通じて国内で生産されると予想しています。水力タービンのローターにはキャビテーションが発生しやすい領域があり、そこでは数百万個の気泡が崩壊する際の累積的な力がブレードの表面を侵食し、タービンの故障を引き起こす可能性があります。ただし、積層造形で製造する場合は、部品の表面にキャビテーション防止コーティングを施すことが可能です。「付加製造技術により、他の製造方法ではできないことが可能になります」と Jawdy 氏は言います。「付加製造技術により、他の方法では製造できない形状を作成でき、さまざまな材料を組み合わせることができます。」

このプログラムでは、これらの大型コンポーネントを製造するために必要なソフトウェア、ハードウェア、ロボット工学、製造戦略の開発をカバーします。このプロジェクトは、テネシー川流域開発公社に加え、3D プリントを使用して最大のフランシスホイールを製造するハンティントン・インガルス・ニューポート・ニューズ造船所、技術経済分析を提供する電力研究所、製造戦略の開発を支援するオープン・マインド・テクノロジーズ、ロボットのハードウェアと統合を提供する ARC Specialties、水力発電機メーカーの Voith Group-Hydropower など、いくつかの組織とのコラボレーションです。

3年間の期間の終わりには、このプロジェクトにより、複数の業界で使用できる新しい分散型ハイブリッド製造プラットフォームが構築される予定です。スティーブンス氏は、このプラットフォームにより、エネルギー、防衛、造船、水力発電、水道向けのインフラ規模のネットシェイプ部品の国内生産が可能になると指摘した（大きな金属片を必要とするあらゆる産業が恩恵を受ける可能性がある）。これにより労働者の生産性が向上し、国内産業のより健全な基盤が築かれるだろうと彼は付け加えた。

米国エネルギー省は、先端材料・製造技術局からこのプロジェクトに1,300万ドルの資金と、エネルギー省水技術局から200万ドルの資金を交付した。

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