3D打印在水轮机转轮整体制造领域的应用研究现状

吴中竟，段昌德，廖乾东，吴 伟

（东方电气集团东方电机有限公司，四川省德阳市 618000）

0 引言

水轮机转轮是水力发电机组的核心部件，也是传递能量的主要部件，由于长期承受强烈的动载荷，因此制造质量直接影响整个机组的安全稳定和高效运行[1]。转轮轮廓尺寸大，材料多为难加工的高强度钢，叶片形状复杂，制造十分困难。由于其核心地位和经济价值，发电设备制造厂商一直将转轮制造技术作为核心竞争力的直接体现，不断探索更为高效和优质的成型方式。

目前转轮的常规加工方式为单个铸造叶片加工，然后与上冠、下环组焊，或与转轮体装配的方式形成整体[2]，也有整体数控加工冲击式转轮的案例，涉及毛坯料制备、热处理、工装制造、数控加工等复杂工序，因此制造周期长，经济效益有待提升，也存在由装配和焊接带来难以避免的精度误差。

3D打印技术又称为增材制造，其原理是利用金属、塑料等材料，通过对三维模型进行切片处理，采用分层加工、叠加成型的方式制造实体零件[3]。与传统的“减材”相对，该技术无需去除大部分原材料，最突出的优势在于可完成复杂形状的零件成型，目前已有包括立体光固化成型SLA、选区激光烧结SLM、熔融沉积成型FDM、电子束选区熔化EBSM、三维印刷3DP等多流派的技术类别。自20世纪80年代以来，3D打印技术迅速发展，近年来已在航空航天、国防军工、石油、汽车、生物医疗等领域得到广泛应用。鉴于其先进性，国内外发电设备制造厂家已开始不断探索该技术应用于转轮的整体制造，并取得一定效果，带来了效率、成本和质量上的优势。

1 整铸成型

利用3D打印技术制造砂芯或熔模，再通过铸造成型整体转轮，是目前3D打印应用于转轮制造的成功手段，如图1所示。传统的砂型铸造采用模具造型、砂型组合浇注后形成产品[4]，熔模铸造则采用可溶性材料制模，涂上多层耐火材料形成整体型壳，加热融化模型后再浇注成型。相比将叶片、上冠和下环分别铸造，转轮整铸将大幅缩短加工周期，然而复杂的曲面形状和狭长的内部流道，给造型制芯和制造熔模带来了极大困难。

图1 砂型整铸示意图Figure 1 Integral sand casting

3DP（three-dimensional printing，三维印刷）技术可快速打印出转轮流道砂型，其原理是利用喷头喷射黏结剂，在铺满原材料的机床上按预定轨迹逐层黏结，最终叠加形成砂型[5]。利用该技术制造砂型并整铸的优势在于：

（1）相比手工和模具造型制芯，由计算机和机床控制成型复杂的流道形状，将使砂型具有精准的尺寸，余量控制更为合理。

（2）传统反箱制模法对拔模角度有很高要求，而3D打印砂型对拔模角度无要求。

（3）相比转轮各部分单独铸造后再加工，整体砂型铸造大幅缩短了制造周期，尤其适用于单件小批量生产，还省去了模具成本。

（4）去除叶片与上冠、下环焊接的步骤，转轮质量不再受焊接影响，也避免小尺寸转轮因空间限制而焊接困难的问题。

国外采用“3D打印+整铸”的方式成型转轮已有较成熟经验。根据增材制造业巨头3D systems公司资料，俄罗斯Tushino工厂采用该公司设备iPro 9000 SLA Center 和成型材料 Accura 60，精准的将转轮模型转化为熔模，然后铸造成型整体混流式转轮，如图2所示。德国3D打印设备制造商voxeljet在砂型和熔模3D打印方面均有较强实力，其最大打印尺寸已达到4m×2m×1m，该公司基于砂型打印的整铸转轮直径已达1400mm，印度KBL公司与其合作制造了直径2m、重达3.2t的冲击式转轮铸件，传统制造将18个叶片分别铸造再焊接到叶轮上，仅制造模具就需超过两个月，过程复杂且耗时严重，而voxeljet的3DP 打印技术则在72h内一次性完成了高精度的砂型打印，如图3所示。美国GE公司也利用3D打印铸造模具的方式制造了直径约1m的混流式转轮，铸件精度远超传统方法，显著缩短了交付周期并节约大量成本。

图2 3D打印转轮熔模图Figure 2 Investment casting of turbine runner by 3D printing

国内宁夏共享铸钢有限公司[6]也已成功利用3D打印和砂型铸造相结合，成型尺寸为φ1600mm×817mm的混流式转轮，铸件净重2.5t，最小壁厚仅为8mm，如图4所示。该转轮由于空间狭窄，叶片单独制造后难以焊接，而整体铸造后再加以数控加工，可快速、精确的达到转轮相关质量要求。

值得注意的是，虽然加工周期缩短，但由于转轮形状复杂，厚度和曲率变化大，更提高了对铸造工艺的要求，浇注过程控制十分严格。当转轮内部出现气孔、夹渣、裂纹等铸造缺陷时，由于空间狭窄，干涉严重，后续补焊、加工都有一定难度。同时受限于3D打印机床尺寸，暂无法应用于大型机组的水轮机转轮整体铸造，成型后的转轮也有余量留待加工，给机械加工带来了一定挑战。

图3 冲击式水轮机转轮砂型Figure 3 Sand mold of pelton turbine runner

图4 宁夏共享的3D打印砂型Figure 4 Sand mold of KOCEL by 3D printing

2 堆积成型

堆积成型属于广义的增材制造技术，将特定材料（如焊丝）通过焊接、电弧或激光熔化等方式逐层添加在基体上，并辅助后续加工，最终形成产品，是一种高效、低成本的近净成型技术。国外已很早开始相关技术在水轮机转轮制造上的研究。1992年国际水电巨头安德里茨率先利用其专利技术Micro Guss（微铺焊）进行冲击式转轮制造[7]，其过程如下：

（1）利用较小的锻造圆盘先数控加工轮盘和水斗根部。

（2）采用气体保护焊将焊接金属持续送进并熔化堆积在已完成的水斗根部上。

（3）热处理去应力后再视情况数控加工、铲磨出水斗前端。

整个过程都由计算机控制并由机器人实施堆焊，如图5所示。该技术一举解决了水斗根部高应力问题以及整体水斗的难加工问题，无需重型锻件，不受转轮尺寸和重量的限制，所有水斗由数控加工分多步完成，实现100%的无损检测并满足高精度要求，制造周期也大幅缩短，质量优于整体铸造。由于该技术的优越性，至2009年安德里茨已利用该技术交付运行超过320个冲击式转轮。

同时，安德里茨已在高水头混流式和水泵水轮机转轮上应用该技术[8]。该类型转轮具有窄流道和狭长叶片，传统单叶片加工再组焊的工艺严重受限于空间。因此利用该技术在已精加工的上冠表面逐层堆焊出叶片，热处理后再数控精加工，如此循环直至叶片成型，最后焊接下环形成转轮，如图6所示。从经济角度而言，安德里茨公司认为Micro Guss技术适用于中小型尺寸的该类型转轮制造。

近年来随着高质量的机器人堆焊技术和3D打印技术的发展，国内针对转轮堆积成型也进行了一定研究。赵艳峰[9]针对冲击式水斗的制造问题，设计了适用于转轮直径1.2～1.5m的专用堆焊装置，并研究了基于混合气体保护的3D堆焊技术，最终采用低碳马氏体不锈钢实现了水斗的近净成型加工。东方电机有限公司范阳阳[10]等采用机器人熔焊快速成型技术，利用锻造基体和堆积成型的组合制造冲击式转轮模拟件，最终尺寸精度满足偏差要求。哈尔滨工业大学王昊[11]采用六轴机器人电弧增材制造的方式，成型了材质为ER308L不锈钢的模型转轮，尺寸为φ500mm×160mm，如图7所示。总体而言，国内离完全掌握该技术成型水轮机转轮仍有一定距离。

图5 机器人堆焊冲击式转轮水斗Figure 5 Built-up welding of Pelton turbine runner based on robot

图6 Micro Guss制造高水头低比转速转轮Figure 6 Manufacturing of high-head and low-specificspeed runner by Micro Guss

图7 电弧增材制造水轮机模型转轮Figure 7 Model turbine runner based on arc additive manufacturing

3 转轮净成型

整铸和堆积成型转轮都属于近净成型，仍需一定量的机械加工使转轮达到指定尺寸。选区激光烧结SLS、选区激光熔化SLM等3D打印技术则可直接净成型金属产品，无需或仅需少量加工即可交付，但目前应用于转轮制造难度很大，主要有以下原因：

（1）尺寸限制。转轮直径通常为1～10m不等，如三峡左岸转轮直径近10m，重量达400t以上，而直接成型的金属3D打印目前最大尺寸仍不足1m，同时效率低下导致生产周期冗长，无法满足小批量的制造需求。

（2）成本高昂。金属3D打印的原材料和设备价格高昂，现有价格无法大幅降低的情况下，成型动辄数十吨重的转轮毫无意义，成本将远超传统加工方式。

（3）技术限制。转轮质量要求严苛，包括材质、粗糙度、尺寸公差、NDT无损检测等，因此金属打印的原材料制备、大尺寸零件的精度控制、残余应力消除、后处理等关键技术都有待解决。

因此目前没有大尺寸水轮机转轮直接3D打印净成型的公开案例，但在小尺寸的其他叶轮类零件上已有多个案例。美国Exone公司采用直接金属打印用于石油钻井设备的S4不锈钢叶轮，交货期为15～20天，相比传统制造工艺生产的叶轮寿命提高一倍以上。德国西门子公司[12]采用3D打印技术完成了直径108mm的叶轮制造，并成功应用在核电站消防水泵，试验结果表明，其性能优于传统制造部件。深圳中广核[13]采用选区激光熔化SLM制造了不锈钢主泵试验叶轮，最大外径为φ180mm，表面粗糙度Ra3.2，15天即可成型，各类力学性能优于铸件，如图8所示。由以上案例可以判断，随着金属打印尺寸的拓展，小微型尺寸级别的水轮机转轮直接成型有望实现。

东方电机有限公司研究团队则利用高强度纳米树脂材料，净成型了直径近600mm的非金属抽蓄水轮机模型转轮，如图9所示。该团队针对传统结构进行了优化，采用金属联轴法兰与3D打印转轮装配的方式，实现高精度快速成型，无需流道表面的精整加工，曲面尺寸精度最优可达±0.2mm，满足IEC国际规程要求，表面粗糙度达到Ra3.2级别，仅需少量打磨抛光处理，强度同类材料内最优，满足水力试验要求。

图8 SLM净成型的小直径叶轮Figure 8 Net forming of minor-diameter runner based on SLM

该团队在同一设计数据下利用传统制造技术成型了转轮并进行水力性能试验对比，结果表明：3D打印转轮与传统金属转轮设计点位置基本重合，在各类参数上表现出良好的一致性，存在一定范围的合理偏差，整体曲线和趋势一致性较好。综合以上，利用非金属3D打印模型转轮已成为一条可供参考的技术路线，然而净成型真机转轮，面临着包括材料属性、结构强度、技术成熟度等关键问题的考验，目前仍难以解决。

图9 高强度纳米树脂转轮Figure 9 Nano resin runner with high strength

4 展望

水轮机转轮制造仍是各厂家不断探索的关键技术之一，高效低成本的制造手段将带来大幅效益提升，产品质量也关系着水轮发电机组的运行稳定。结合3D打印的技术发展，未来将可能针对不同尺寸转轮实现多种制造方式。

4.1 整铸成型中小尺寸转轮

由于铸造的低成本和高效率，“3D打印+整铸”的方式具有重要意义。现有案例中，3D打印砂型、熔模的质量控制，配套的铸造工艺，后续机械加工都是影响转轮成型的关键问题。未来铸造厂家和3D打印厂家的技术提升将使满足打印机尺寸的中小型转轮实现快速整铸成型，给发电设备制造厂商带来显著的经济效益。

4.2 净成型小微型转轮

制约金属3D打印技术的主要因素包括尺寸受限、价格高昂、效率低下和精度控制问题。3D打印行业的厂家与研究机构正在不断攻克相关问题，比如拓展打印机尺寸，使用多激光头促进效率提升，原材料和设备核心部件国产化从而降低成本。

在综合考虑周期和成本因素后，3D打印将有望实现小微型尺寸（1m左右甚至更小）转轮的直接净成型，无需或仅需少量占用数控机床，无焊接、装配工序，无需铸锻件，质量达到锻件水平，从设计到生产制造的准备周期大幅缩短，整个转轮制造流程更为精简高效，相比原有工艺将具有显著优势。

4.3 堆积成型各尺寸转轮

堆积成型受尺寸影响较小，单从技术角度分析，适用于所有尺寸的转轮制造，其核心在于高质量的堆焊技术掌握。然而从国外的成功经验来看，出于经济性考虑，该方式目前更适用于中小型转轮以及高水头低比转速转轮的制造。

5 结束语

水轮机转轮整体制造技术由于工序简化、交货周期缩短、质量优异等特点，将给各大发电设备制造厂商带来巨大效益，因此一直是行业竞相追逐的关键技术。3D打印技术的兴起，给转轮的传统制造方式带来了新的选择，目前国外部分公司已能成熟运用相关技术进行小批量生产，国内公司也在持续投入研发。相信随着3D打印核心及配套技术的发展，发挥其优势与传统制造技术互补，未来将给水轮机转轮整体制造带来更优的选择。